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Die Erfindung betrifft eine Vorkammer für eine Brennkraftmaschine, eine Brennkraftmaschine mit einer solchen Vorkammer und ein Verfahren zum Auslegen und/oder Herstellen einer solchen Vorkammer.
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Insbesondere bei Gasmotoren, die mit einem mageren Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch betrieben werden, wird ab einer bestimmten Bohrungsgröße von Zylindern, die typischerweise mehr als 100 mm beträgt, ein Zündverstärker eingesetzt, um eine Verbrennungsrate, eine Schwerpunktslage der Verbrennung und damit auch einen erreichten Motorwirkungsgrad auf einem gewünschten Niveau zu halten. Als Zündverstärker kommen typischerweise Vorkammern zum Einsatz, wobei in einem von einem Hauptbrennraum separaten, mit diesem jedoch über sogenannte Schusskanäle verbundenen Volumen mittels einer Zündeinrichtung ein Gemisch vorgezündet wird, wobei durch die Entflammung ein Überdruck in der Vorkammer gegenüber dem Hauptbrennraum entsteht, sodass sehr heiße Reaktionsprodukte sowie unverbranntes Gemisch über die Schusskanäle aus der Vorkammer in den Hauptbrennraum strömen und das dort angeordnete Gemisch entflammen. Insbesondere aufgrund der großen Reaktionsfläche dieser aus den Schusskanälen austretenden Flammkeulen ist die Verbrennungsrate in dem Hauptbrennraum gegenüber der Verwendung eines einfachen Zündfunkens mit sehr kleinem Funkenvolumen in der Regel deutlich erhöht, wodurch sich auch die Brenndauer im Hauptbrennraum verkürzt. Insbesondere bei besonders großen Zylinderbohrungen werden gespülte Vorkammern eingesetzt, bei denen ein Gemisch innerhalb der Vorkammer gegenüber dem Gemisch im Hauptbrennraum durch eine separate Brennstoffversorgung der Vorkammer angereichert werden kann.
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Für eine stabile Entflammung mit geringen zyklischen Streuungen ist eine stabile, zyklisch möglichst unveränderte Gemischbildung in der Vorkammer eine wichtige Voraussetzung. Es ergeben sich allerdings im Betrieb einer Brennkraftmaschine zyklische Veränderungen von einem Takt zum nächsten, beispielsweise in der Brennstoffzufuhr durch eine Brennstoff-Rail-Dynamik, wobei insbesondere Druckwellen durch eine Brennstoffversorgungseinrichtung laufen oder sich dort stehende Wellen ausbilden, die zu schwankenden Drücken im Zuführbereich für den Brennstoff führen, oder aufgrund von zyklischen Streuungen im Ladungswechsel, mithin insbesondere einer Gasdynamik in einem Ladeluftrohr und/oder Abgasrohr. Hierdurch ergeben sich wiederum zyklische Schwankungen in der Verbrennung, und zyklische Unterschiede, die zu veränderten Strömungs- und Konzentrationsverhältnissen in der Vorkammer und damit letztlich auch zu zyklischen Streuungen in Zylinderleistung, Wirkungsgrad und Emissionen der Brennkraftmaschine führen können. Dabei werden insbesondere die Bedingungen für die Verbrennung in der Vorkammer zum Zündzeitpunkt zu einem großen Teil durch die Strömungsvorgänge während eines Verdichtungstakts vor einem oberen Totpunkt, der einem Zündereignis zugeordnet ist, bestimmt. Insbesondere rotationssymmetrisch ausgestaltete Vorkammern weisen ein sehr sensitives Strömungsfeld gegenüber geringen zyklischen Unterschieden im Ladedruckverlauf, Restgasgehalt, Brennstoffspüldruckverlauf oder anderen Effekten mit den zuvor bereits erwähnten Auswirkungen auf die Verbrennung, Zylinderleistung und Emissionen auf, da diese Vorkammern – in Umfangsrichtung gesehen – keine ausgezeichneten Bereiche oder Richtungen aufweisen, sodass sehr leicht eine spontane Symmetriebrechung mit nicht vorhersehbarer Orientierung, das heißt ohne spezifische Vorzugsrichtung, erfolgen kann, wobei das Strömungsfeld in eine beliebige Richtung oder Winkellage kippen kann. Daher sind die zyklischen Streuungen in einer solchen Vorkammer groß.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 24 16 804 A1 geht eine Kolben-Brennkraftmaschine mit ein- oder mehrteiligem Brennraum und Brennstoffeinspritzung in einen gesonderten, vom Hautbrennraum im Wesentlichen abgegrenzten Raum hervor, wobei die Begrenzung des gesonderten Raums bei großer innerer Oberfläche zumindest teilweise eine weitgehend gasdurchlässige Struktur aufweist.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 40 35 335 A1 geht eine luftverdichtende Brennkraftmaschine mit Selbstzündung hervor, die einen Hauptbrennraum und einen im Zylinderkopf angeordneten Einsatzkörper mit einer mindestens einen Stift aufweisenden Vorkammer aufweist, die aus einem kugelähnlichen Brennraum und einem diesen mit dem Hauptbrennraum verbindenden Überströmkanal im Einsatzkörperhals besteht, wobei der Stift etwa in Längsmitte des Einsatzkörperhalses in den Überströmkanal hineinragend angeordnet ist.
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Aus der deutschen Patentschrift
DE 32 49 604 C2 geht eine Mischeinrichtung für eine kugel- oder kreisscheibenförmige Wirbelkammer eines Dieselmotors hervor, wobei in der Wirbelkammer eine mit einem Luftausblaselöcher aufweisenden Hohlkörper gebildete konvexe beziehungsweise halbkugelförmige Prallfläche für einen von einer Einspritzdüse abgegebenen Brennstoffstrahl angenähert zentral angeordnet ist.
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Aus der US-amerikanischen Patentschrift
US 2 743 711 A geht eine Diesel-Brennkraftmaschine mit einer Vorkammer hervor, welche einen Bereich mit einem erweiterten Durchmesser und einen Bereich mit einem reduzierten Durchmesser aufweist, wobei verschiedene stiftartige Einsatzglieder sich durch die Vorkammer erstrecken, wobei die Einsatzglieder ausschließlich in einer Region zwischen dem Bereich mit erweitertem Durchmesser und dem Bereich mit reduziertem Durchmesser angeordnet sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorkammer für eine Brennkraftmaschine, eine Brennkraftmaschine mit einer solchen Vorkammer und ein Verfahren zum Auslegen und/oder Herstellen einer solchen Vorkammer zu schaffen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche geschaffen werden, vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem eine Vorkammer für eine Brennkraftmaschine geschaffen wird, welche eine im Betrieb der Vorkammer beströmte Oberfläche aufweist, die in einem Inneren der Vorkammer angeordnet ist. Dabei ist vorgesehen, dass die Oberfläche wenigstens einen ersten Oberflächenbereich und wenigstens einen zweiten Oberflächenbereich aufweist, wobei der erste Oberflächenbereich eine bestimmte Struktur aufweist, und wobei der zweite Oberflächenbereich frei von dieser Struktur ist. Der zweite Oberflächenbereich weist insbesondere die bestimmte Struktur, welche der erste Oberflächenbereich aufweist, nicht auf. Der erste Oberflächenbereich ist durch die bestimmte Struktur gegenüber dem zweiten Oberflächenbereich ausgezeichnet. Auch wenn die Vorkammer im Übrigen rotationssymmetrisch ausgestaltet sein sollte, führt die Anordnung der bestimmten Struktur in dem ersten Oberflächenbereich zu einer vorgegebenen Symmetriebrechung, sodass grundsätzlich eine Vorzugsrichtung in der Vorkammer ausgezeichnet ist. Die beströmte Oberfläche ist als Oberfläche einer Innenwandung der Vorkammer ausgebildet. Somit ist die Oberfläche ohne Weiteres dem Inneren der Vorkammer zugewandt und direkt und unmittelbar in der Lage, das Strömungsverhalten in der Vorkammer zu beeinflussen. Die hier vorgeschlagene Vorkammer weist Vorteile gegenüber dem Stand der Technik auf. Insbesondere kann sich eine Hauptströmung eines in die Vorkammer einströmenden Gemischs in einem Kompressionstakt einer Brennkraftmaschine, in welcher die Vorkammer eingesetzt wird, direkt an die Oberfläche in dem ersten Oberflächenbereich mit der Struktur anlegen. Durch die Struktur bilden sich lokale Turbulenzen aus, welche die lokale turbulenzkinetische Energie erhöhen, was wiederum zu einem lokalen Druckabfall entlang der strukturierten Oberfläche führt. Durch diesen lokalen Druckabfall entsteht auf das einströmende Medium eine Kraft, die zu einem Anlegen der Strömung an die strukturierte Oberfläche führt. Dabei ist die bestimmte Struktur insbesondere so ausgestaltet, dass diese Kraft größer ist als Kräfte, die sich aufgrund sich zyklisch verändernder Einflussgrößen ergeben, sodass gegenüber diesen Einflussgrößen ein zyklisch unsensitives Strömungsbild innerhalb der Vorkammer entsteht. Hierzu umfasst die bestimmte Struktur bevorzugt eine bestimmte Oberflächenrauigkeit und/oder bestimmte Unebenheiten und/oder bestimmte Brechkanten. Das Strömungsfeld beim Einströmen von frischem Gemisch in die Vorkammer ist damit definiert und gegenüber äußeren Einflüssen unsensitiv ausgestaltet. Zyklische Schwankungen des Strömungsbildes innerhalb der Vorkammer werden so deutlich reduziert, sodass letztlich auch zyklische Schwankungen in der Entflammung und dadurch in der Verbrennung sowie in dem Emissionsverhalten der Brennkraftmaschine verringert werden. Die Verbrennungsstabilität im Allgemeinen wird erhöht und es werden ansonsten instabile Betriebspunkte technisch zugänglich. Weiterhin lässt sich die erhöhte Verbrennungsstabilität insbesondere indirekt für eine Wirkungsgradsteigerung sowie zur Emissionsreduktion – insbesondere der Kohlenwasserstoff-Emissionen – der Brennkraftmaschine nutzen. Ein von Zyklus zu Zyklus gleichbleibendes Strömungsfeld sowie eine gleichbleibende Konzentrationsverteilung gasförmiger Spezies in der Vorkammer zum Zündzeitpunkt stellen dabei einen Idealzustand dar, der durch die hier vorgeschlagene Vorkammer in verbesserter Weise angenähert werden kann.
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Unter einer Vorkammer wird insbesondere ein von einem Hauptbrennraum der Brennkraftmaschine abgeteiltes Kompartiment oder Volumen verstanden, welches über mindestens eine Bohrung, vorzugsweise eine Mehrzahl von Bohrungen, die auch als Schusskanäle bezeichnet werden, mit dem Hauptbrennraum – jedenfalls in an einer Brennkraftmaschine montiertem Zustand der Vorkammer – fluidverbunden ist. Dabei können eine Anzahl, eine Ausrichtung und/oder eine Geometrie dieser Bohrungen je nach Anwendung der Vorkammer verschieden ausgestaltet sein. Bevorzugt weist die Vorkammer einen – insbesondere zentralen – Steigkanal auf, über den in einem Kompressionstakt der Brennkraftmaschine frisches Gemisch in das Innere der Vorkammer eingebracht werden kann.
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Es ist möglich, dass die Vorkammer als gespülte Vorkammer ausgebildet ist, wobei sie in diesem Fall eine separate Brennstoffzufuhr aufweist. Besonders bevorzugt ist die Vorkammer mit einem Brennstoffspülkanal in Fluidverbindung oder weist einen Brennstoffspülkanal zur Zuführung von zusätzlichem Brennstoff in die Vorkammer auf. Die Verwendung einer gespülten Vorkammer erweist sich als besonders günstig bei großvolumigen Hubräumen, weil so eine gegenüber ungespülten Vorkammern nochmals erhöhte Zündenergie bereitgestellt werden kann.
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Es ist auch möglich, dass die Vorkammer als ungespülte Vorkammer ausgebildet ist. In diesem Fall weist die Vorkammer keine separate Brennstoffzufuhr auf, vielmehr wird der Vorkammer ein zündfähiges Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch ausschließlich über die mit dem Hauptbrennraum in Fluidverbindung stehenden Bohrungen während eines Kompressionstakts zugeführt. Solche ungespülten Vorkammern sind besonders einfach und daher kostengünstig ausgestaltet, insbesondere weil auf eine separate Brennstoffzufuhr verzichtet werden kann.
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Es ist möglich, dass die Vorkammer in einem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine ausgebildet ist, wobei sie insbesondere integral mit dem Zylinderkopf ausgebildet sein kann. Alternativ ist es möglich, dass die Vorkammer Teil einer Vorkammer-Zündeinrichtung ist, insbesondere eine Vorkammer-Zündkerze, wobei insbesondere ein Zündelement der Zündeinrichtung von einer mit wenigstens einer Bohrung durchsetzten Wandung umgeben ist, wodurch die Vorkammer ausgebildet wird. Die Vorkammer ist in diesem Fall gemeinsam mit der Zündeinrichtung auswechselbar.
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In der Vorkammer ist insbesondere eine Zündeinrichtung oder ein Zündelement angeordnet, die/das beispielsweise eingerichtet sein kann zur elektrischen Funkenzündung, zur Laserzündung, für eine Korona-Zündung oder allgemein Hochfrequenzzündung, oder zur Zündung mittels Pilotstrahl-Eindüsung eines Zündstoffs. Grundsätzlich ist jede Ausgestaltung einer Zündeinrichtung zur Zündung des zündfähigen Gemischs in der Vorkammer einsetzbar.
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Dass die Oberfläche im Betrieb der Vorkammer beströmt ist bedeutet insbesondere, dass entlang der Oberfläche im Betrieb – insbesondere in einem Verdichtungstakt einer Brennkraftmaschine, welche die Vorkammer aufweist – eine Gasströmung entlang der Oberfläche strömt oder die Oberfläche überstreicht. Dabei kann diese Gasströmung Verbrennungsluft, Brennstoff und/oder ein Gemisch aus Verbrennungsluft und Brennstoff aufweisen.
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Ein Inneres der Vorkammer bezeichnet hier insbesondere ein von einer Vorkammerwandung umschlossenes Innenvolumen, welches in montiertem Zustand über wenigstens eine Bohrung mit einem Hauptbrennraum fluidverbunden ist. Das Innere ist insbesondere der Teil der Vorkammer, in welchem die Zündeinrichtung oder das Zündelement angeordnet ist. Die beströmte Oberfläche ist insbesondere dem Inneren der Vorkammer zugewandt.
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Dass die Struktur eine bestimmte Struktur ist bedeutet insbesondere, dass diese nicht zufällig aus einem Fertigungsverfahren für die Vorkammer resultiert, sondern vielmehr gezielt in den ersten Oberflächenbereich eingebracht oder an dem ersten Oberflächenbereich vorgesehen ist. Es handelt sich also insbesondere um eine über eine gegebenenfalls übliche Oberflächenbearbeitung für eine Vorkammerwandung hinausgehende Vorgehensweise, die angewendet wird, um die Struktur an dem ersten Oberflächenbereich anzuordnen. Dabei wird insbesondere sowohl der erste Oberflächenbereich gezielt ausgewählt, als auch die Struktur in bestimmter, vorgegebener Weise an dem ersten Oberflächenbereich angeordnet.
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Dass der erste Oberflächenbereich die bestimmte Struktur aufweist, bedeutet insbesondere, dass der erste Oberflächenbereich strukturiert ausgebildet ist. Insbesondere ist der zweite Oberflächenbereich im Vergleich hierzu unstrukturiert ausgebildet oder weist jedenfalls nicht die Strukturierung auf, welche der erste Oberflächenbereich aufweist.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die bestimmte Struktur einstückig mit der Innenwandung ausgebildet ist. Insbesondere ist die bestimmte Struktur bevorzugt in die Innenwandung eingebracht oder an der Innenwandung ausgebildet. Dies kann beispielsweise durch Ätzen, Prägen, durch spanende Bearbeitung, durch ein generatives Verfahren, mit welchem die Struktur auf der Oberfläche aufgebaut wird, oder durch ein anderes geeignetes Verfahren durchgeführt werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist alternativ vorgesehen, dass die Struktur mehrteilig mit der Innenwandung ausgebildet ist. Hierzu ist es beispielsweise möglich, dass die Struktur an einem zusätzlichen Element, insbesondere einem Einlegeelement oder Einsatzelement ausgebildet ist, welches mit der Innenwandung in dem ersten Oberflächenbereich verbunden ist. Es ist möglich, dass sich auf diese Weise die Herstellung der bestimmten Struktur vereinfacht, weil sie nicht direkt an der Innenwandung sondern separat an dem Einsatzelement oder Einlegeelement ausgebildet werden kann. Das Einsatzelement oder Einlegeelement kann beispielsweise mit der Innenwandung verlötet, verschweißt oder in anderer geeigneter Weise dort befestigt sein.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Struktur eine Mehrzahl von Strukturelementen aufweist, wobei die Strukturelemente insbesondere Erhebungen und/oder Vertiefungen sein können, wobei die Strukturelemente – im Längsschnitt gesehen – sphäroid, das heißt ungefähr kugelförmig oder kugelförmig, insbesondere hemisphärisch, das heißt insbesondere halbkugelförmig, ausgebildet sind.
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Unter einem Längsschnitt wird hier eine Schnittebene verstanden, in der – in an einer Brennkraftmaschine montiertem Zustand der Vorkammer – eine Verlagerungsrichtung eines in dem Brennraum verlagerbaren Kolbens liegt. Unter einer Längsrichtung der Vorkammer wird insbesondere die Richtung verstanden, die bevorzugt zugleich der Längsrichtung einer Zündeinrichtung an der Brennkraftmaschine entspricht.
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Zusätzlich oder alternativ ist bevorzugt vorgesehen, dass die Strukturelemente – im Längsschnitt gesehen – dreieckförmig oder zahnförmig ausgebildet sind, wobei sie bevorzugt eine scharfe oder eine abgerundete Spitze aufweisen. Eine Dreieck- oder Zahnform der Strukturelemente spricht insbesondere an, dass diese eine Spitze aufweisen, welche der beströmten Oberfläche abgewandt und dem Inneren der Vorkammer zugewandt ist. Diese Spitze kann scharfkantig oder aber – insbesondere mit einem bestimmten Eckenradius, welcher den Krümmungsradius der Spitze darstellt – abgerundet sein. Solche dreieckförmigen oder zahnförmigen Strukturelemente können insbesondere als Brechkanten für eine entlang der Oberfläche strömende Gasströmung wirken.
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Zusätzlich oder alternativ ist bevorzugt vorgesehen, dass die Strukturelemente – in Draufsicht gesehen – kreisförmig sind.
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Dabei spricht eine Draufsicht insbesondere eine Blickrichtung senkrecht auf die beströmte Oberfläche – insbesondere quasi von einem Zentrum des Inneren der Vorkammer her – an.
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Zusätzlich oder alternativ ist bevorzugt vorgesehen, dass die Strukturelemente – in Draufsicht gesehen – elliptisch oder oval ausgebildet sind.
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Zusätzlich oder alternativ ist bevorzugt vorgesehen, dass die Strukturelemente – in Draufsicht gesehen – rechteckförmig, insbesondere quadratisch, ausgebildet sind. Diese Ausgestaltung wird ganz besonders bevorzugt für im Längsschnitt gesehen dreieck- oder zahnförmige Strukturelemente, bei denen die Spitze dann eine – sich im Längsschnitt als Spitze darstellende – Kante des Rechtecks oder Quadrats ist.
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Zusätzlich oder alternativ ist bevorzugt vorgesehen, dass die Strukturelemente – in Draufsicht gesehen – tropfenförmig ausgebildet sind. Dabei spricht eine Tropfenform insbesondere eine Form an, bei welcher eine Breite der Strukturelemente – in Längsrichtung gesehen – variiert. Dabei sind die Strukturelemente vorzugsweise in einem oberen Bereich eines jeweiligen Strukturelements weniger breit als in einem unteren Bereich desselben Strukturelements. Dabei spricht der Begriff „unten” hier eine Seite des Strukturelements an, welche dem Hauptbrennraum in montiertem Zustand zugewandt ist, während der Begriff „oben” eine Seite des Strukturelements anspricht, welche – wiederum in montiertem Zustand – dem Hauptbrennraum abgewandt ist.
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Zusätzlich oder alternativ ist bevorzugt vorgesehen, dass die Strukturelemente – in Draufsicht gesehen – dreieckförmig ausgebildet sind.
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Die hier konkret vorgeschlagenen Formen und/oder Geometrien für Strukturelemente sind in besonderer Weise geeignet, um als Brechkanten zu wirken oder Turbulenzen für die Gasströmung entlang der beströmten Oberfläche bereitzustellen, sodass sich eine Hauptströmung in dem ersten Oberflächenbereich wirksam anlegen kann.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die bestimmte Struktur Strukturelemente aufweist, die – in Draufsicht gesehen – einen Durchmesser oder eine Breite von mindestens 0,02 mm bis höchstens 2 mm aufweisen. Der Durchmesser als Maß ist aber insbesondere anwendbar für – in Draufsicht gesehen – kreisförmige Strukturelemente. Bei anderen, von der Kreisform abweichenden Geometrien der Strukturelemente bezeichnet eine Breite vorzugsweise ein Maß, welches in der Draufsicht entlang einer Richtung gemessen wird, die senkrecht auf der Längsrichtung steht.
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Zusätzlich oder alternativ weisen die Strukturelemente vorzugsweise eine Höhe (insbesondere im Fall von Erhebungen) oder eine Tiefe (insbesondere im Fall von Vertiefungen) – von mindestens 0,02 mm bis höchstens 2 mm auf. Die Höhe oder Tiefe wird dabei insbesondere in der Längsschnittebene und senkrecht zu einer mittleren Oberflächenkontur der beströmten Oberfläche jeweils von einem höchsten Punkt eines Strukturelements bis zu einem tiefsten Punkt des Strukturelements gemessen.
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Zusätzlich oder alternativ ist es bevorzugt vorgesehen, dass die Strukturelemente eine Länge von mindestens 0,04 mm bis höchstens 4 mm aufweisen. Dabei spricht eine Länge ein Maß an, welches wiederum in Draufsicht gemessen wird, und zwar entlang der Erstreckung der Strukturelemente in Längsrichtung, also insbesondere senkrecht zu der Breite. Nicht kreisförmige Strukturelemente weisen also – in Draufsicht gesehen – insbesondere eine Breite senkrecht zur Längsrichtung und eine Länge in Längsrichtung auf.
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Zusätzlich oder alternativ ist bevorzugt vorgesehen, dass die Strukturelemente einen – vorzugsweise kürzesten – Abstand voneinander von mindestens 0,02 mm bis höchstens 1 mm, vorzugsweise von mindestens 0,04 mm bis höchstens 1 mm aufweisen. Insbesondere weisen unmittelbar benachbarte Strukturelemente vorzugsweise einen kürzesten Abstand voneinander in einem der genannten Bereiche auf.
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Zusätzlich oder alternativ ist bevorzugt vorgesehen, dass die Strukturelemente einen Eckenradius oder Krümmungsradius von mindestens 0,01 mm bis höchstens 1 mm aufweisen. Dies gilt insbesondere für dreieckförmige oder zahnförmige Strukturelemente, welche eine abgerundete Spitze aufweisen, wobei hier der Eckenradius oder Krümmungsradius der Spitze angesprochen ist.
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Die hier konkret vorgeschlagenen Maße für die Strukturelemente erweisen sich als besonders geeignet, um ein sicheres und effektives Anlegen einer Hauptströmung an die beströmte Oberfläche in dem ersten Oberflächenbereich zu gewährleisten.
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Die Aufgabe wird auch gelöst, indem eine Brennkraftmaschine geschaffen wird, welche eine Vorkammer nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele aufweist. Dabei ergeben sich in Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit der Vorkammer beschrieben wurden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Brennkraftmaschine als Gasmotor ausgebildet. Besonders bevorzugt ist die Brennkraftmaschine als gemischverdichtender Gasmotor ausgebildet. Zusätzlich oder alternativ ist die Brennkraftmaschine bevorzugt als Magergasmotor ausgebildet. Sie wird also bevorzugt mit einem mageren Verbrennungsluft-Brenngas-Gemisch in dem Hauptbrennraum und/oder in der Vorkammer betrieben. Es ist möglich, dass die Vorkammer als gespülte Vorkammer ausgebildet ist, wobei das in der Vorkammer vorhandene Gemisch über eine separate Brennstoffzufuhr für die Vorkammer angefettet wird. In diesem Fall weist das Gemisch in der Vorkammer – unabhängig von seiner absoluten Zusammensetzung – jedenfalls eine weniger magere Zusammensetzung auf als das Gemisch in dem Hauptbrennraum.
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Es zeigt sich, dass sich die mit der hier vorgeschlagenen Vorkammer verbundenen Vorteile in besonderer Weise bei einem Gasmotor, insbesondere bei einem gemischverdichtenden Magergasmotor, verwirklichen.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Brennkraftmaschine als stationärer Gasmotor ausgebildet ist. In diesem Fall wird die Brennkraftmaschine bevorzugt dauerhaft in einem stationären Betriebspunkt betrieben, beispielsweise beim Antrieb eines Generators zur Erzeugung elektrischer Leistung und/oder beim Antrieb von Förderpumpen, beispielsweise im Bereich der Förderung fossiler Rohstoffe. Es ergeben sich in diesem Fall von Arbeitstakt zu Arbeitstakt oder Zyklus zu Zyklus bei der Brennkraftmaschine abgesehen von allfälligen stehenden oder laufenden Druckwellen in einer Brennstoffversorgung, im Ladepfad und/oder im Abgaspfad konstante Bedingungen für die Verbrennung aufgrund des stationären Betriebspunkts. Mit der hier vorgeschlagenen Vorkammer kann der Einfluss dieser noch bestehenden Schwankungen im Verhalten der Brennkraftmaschine weitestgehend eliminiert werden, sodass die Brennkraftmaschine mit äußerst geringen Zyklusschwankungen, mithin einer sehr geringen Streuung in den Verbrennungseigenschaften und auch den Emissionen betrieben werden kann.
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Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Hubkolbenmotor ausgebildet. Es ist möglich, dass die Brennkraftmaschine zum Antrieb eines Personenkraftwagens, eines Lastkraftwagens oder eines Nutzfahrzeugs eingerichtet ist. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dient die Brennkraftmaschine dem Antrieb insbesondere schwerer Land- oder Wasserfahrzeuge, beispielsweise von Minenfahrzeugen, Zügen, wobei die Brennkraftmaschine in einer Lokomotive oder einem Triebwagen eingesetzt wird, oder von Schiffen. Auch ein Einsatz der Brennkraftmaschine zum Antrieb eines der Verteidigung dienenden Fahrzeugs, beispielsweise eines Panzers, ist möglich. Ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine wird vorzugsweise auch stationär, beispielsweise zur stationären Energieversorgung im Notstrombetrieb, Dauerlastbetrieb oder Spitzenlastbetrieb eingesetzt, wobei die Brennkraftmaschine in diesem Fall vorzugsweise einen Generator antreibt. Auch eine stationäre Anwendung der Brennkraftmaschine zum Antrieb von Hilfsaggregaten, beispielsweise von Feuerlöschpumpen auf Bohrinseln, ist möglich. Weiterhin ist eine Anwendung der Brennkraftmaschine im Bereich der Förderung fossiler Roh- und insbesondere Brennstoffe, beispielswiese Öl und/oder Gas, möglich. Auch eine Verwendung der Brennkraftmaschine im industriellen Bereich oder im Konstruktionsbereich, beispielsweise in einer Konstruktions- oder Baumaschine, zum Beispiel in einem Kran oder einem Bagger, ist möglich. Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Dieselmotor, als Benzinmotor, als Gasmotor zum Betrieb mit Erdgas, Biogas, Sondergas oder einem anderen geeigneten Gas, ausgebildet. Insbesondere wenn die Brennkraftmaschine als Gasmotor ausgebildet ist, ist sie für den Einsatz in einem Blockheizkraftwerk zur stationären Energieerzeugung geeignet.
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Die Aufgabe wird auch gelöst, indem ein Verfahren zum Auslegen und/oder zum Herstellen einer Vorkammer für eine Brennkraftmaschine geschaffen wird, welches folgende Schritte aufweist: Es wird eine Vorkammergeometrie mit einer im Betrieb der Vorkammer beströmten Oberfläche einer Innenwandung der Vorkammer, die in einem Inneren der Vorkammer angeordnet ist, bereitgestellt. Eine Gasströmung in dem Inneren der Vorkammer wird simuliert. Es wird – insbesondere anhand der Simulation – ein für ein Anlegen der Gasströmung an die Oberfläche in Hinblick auf eine Stabilisierung der Gasströmung geeigneter Oberflächenbereich identifiziert. Es wird eine bestimmte Struktur in dem Oberflächenbereich vorgesehen, wobei die bestimmte Struktur so vorgesehen wird, dass sich die Gasströmung im Bereich der bestimmten Struktur an die Oberfläche anlegt. Im Rahmen des Verfahrens verwirklichen sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit der Vorkammer erläutert wurden.
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Dass eine Vorkammergeometrie bereitgestellt wird, bedeutet insbesondere, dass als Ausgangspunkt für die Simulation der Gasströmung die Geometrie einer existierenden oder projektierten Vorkammer – noch ohne die bestimmte Struktur –, vorzugsweise in Form maschinenlesbarer Daten, bereitgestellt wird, derart, dass die Simulation auf der Grundlage der bereitgestellten Vorkammergeometrie durchgeführt werden kann.
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Die Simulation der Gasströmung in dem Inneren der Vorkammer wird insbesondere für deren Betrieb während eines oder mehrerer Verdichtungstakte einer Brennkraftmaschine, welche mit der Vorkammer betrieben wird, durchgeführt. Im Rahmen der Simulation wird also betrachtet, wie sich die Gasströmung im Verdichtungstakt der Brennkraftmaschine in dem Inneren der Vorkammer verhält. Dabei können insbesondere zyklische Veränderungen in einem Strömungsfeld in der Vorkammer untersucht werden, und/oder es ist möglich, Bereiche der Vorkammer zu identifizieren, welche für die Ausbildung des Strömungsfelds bestimmend sind. Insbesondere bei einer rotationssymmetrischen Vorkammer ist es allerdings möglich, dass keine in hervorgehobener Weise für die Ausbildung des Strömungsfelds bestimmenden Bereiche gegeben sind, sodass letztlich die konkrete Ausbildung des Strömungsfelds großen zyklischen Schwankungen unterliegt, wobei sie stark von Rand- und/oder Anfangsbedingungen abhängt.
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Ein für das Anlegen der Gasströmung an die Oberfläche geeigneter Oberflächenbereich kann beispielsweise dadurch identifiziert werden, dass ein für die Ausbildung der Gasströmung bestimmender Oberflächenbereich im Rahmen der Simulation aufgefunden und als geeigneter Oberflächenbereich identifiziert wird. Ist dies nicht der Fall – insbesondere bei einer rotationssymmetrischen Vorkammer – kann ein geeigneter Oberflächenbereich auch dadurch identifiziert werden, dass versuchsweise eine bestimmte Struktur – oder auch eine Mehrzahl bestimmter Strukturen – an verschiedenen Oberflächenbereichen der Vorkammer angeordnet wird/werden, und jeweils die Gasströmung in dem Inneren der Vorkammer durch wiederholte Simulation für die verschiedenen Oberflächenbereiche untersucht wird. Ein Vergleich der Ergebnisse dieser verschiedenen Simulationen ermöglicht es dann, wenigstens einen Oberflächenbereich zu identifizieren, der in Hinblick auf eine Stabilisierung und – von Zyklus zu Zyklus betrachtet – Vergleichmäßigung des Strömungsfeldes innerhalb der Vorkammer geeignet ist, wobei dies insbesondere ein Oberflächenbereich sein kann, bei dem die Anordnung der bestimmten Struktur in diesem Oberflächenbereich dazu führt, dass eine Schwankungsbreite in der Ausgestaltung des Strömungsfelds von Zyklus zu Zyklus minimal wird. Es kann alternativ oder zusätzlich auch untersucht werden, in welchem Oberflächenbereich und/oder bei welcher bestimmten Struktur sich die Gasströmung besonders stark an die Oberfläche im Bereich der bestimmten Struktur anlegt.
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Durch Variation der bestimmten Struktur und wiederholtes Simulieren der Gasströmung mit einer jeweiligen bestimmten Struktur ist es auch möglich, eine für eine konkrete Vorkammer optimierte Ausgestaltung der bestimmten Struktur zu ermitteln.
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Dass der Oberflächenbereich für das Anlegen der Gasströmung an die Oberfläche besonders geeignet oder günstig ist, bedeutet insbesondere, dass eine in diesem Oberflächenbereich angeordnete bestimmte Struktur – wie bereits ausgeführt – in besonderer Weise zu einer Stabilisierung der Gasströmung in dem Inneren der Vorkammer führt. Weiterhin bezieht sich die günstige oder geeignete Eigenschaft des Oberflächenbereichs insbesondere auf eine Vergleichmäßigung und/oder Verbesserung von Verbrennungseigenschaften einer mit der Vorkammer ausgerüsteten Brennkraftmaschine, insbesondere in Hinblick auf die Zündung und/oder den Durchbrand eines Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemischs, und/oder auf den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine.
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Dass die bestimmte Struktur in dem Oberflächenbereich vorgesehen wird, schließt ein, dass Konstruktionspläne oder Werkstattzeichnungen und/oder geeignete Anweisungen zur Herstellung der Vorkammer bereitgestellt werden, um eine Vorkammer mit der bestimmten Struktur in dem Oberflächenbereich herstellen zu können. Es wird also insbesondere als Ergebnis der Simulation und der Identifizierung des Oberflächenbereichs sowie bevorzugt der Wahl der bestimmten Struktur eine Entscheidung bezüglich der konkreten Ausgestaltung der Vorkammer getroffen, und entsprechende Werkstattzeichnungen, Konstruktionspläne oder Anweisungen werden erstellt.
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Bevorzugt wird im Rahmen des Verfahrens die Vorkammer hergestellt. Dies schließt zum einen ein, dass in einer bestehenden Vorkammer in einem bestimmten Oberflächenbereich eine bestimmte Struktur angeordnet wird, beispielsweise durch Oberflächenbehandlung einer Innenwandung der Vorkammer, insbesondere durch Ätzen, Prägen, spanendes Bearbeiten, generatives Auftragen oder andere geeignete Maßnahmen, oder durch Anordnen eines Einsatzes oder Einlegers in der Vorkammer, welcher die bestimmte Struktur aufweist. Es ist aber auch möglich, dass die Vorkammer von Grund auf neu hergestellt wird, wobei die bestimmte Struktur in dem ersten Oberflächenbereich angeordnet oder ausgebildet wird.
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Der Oberflächenbereich und/oder die bestimmte Struktur wird/werden insbesondere so ausgewählt, dass eine Kraft, die durch einen lokalen Druckabfall in dem Oberflächenbereich auf die Gasströmung wirkt, größer ist, als die Kräfte, die durch sich zyklisch verändernde Einflussgrößen auf die Gasströmung entstehen. So kann gegenüber diesen Einflussgrößen ein zyklisch unsensitives Strömungsbild innerhalb der Vorkammer geschaffen werden.
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Die Beschreibung der Vorkammer und der Brennkraftmaschine einerseits sowie des Verfahrens andererseits sind komplementär zueinander zu verstehen. Merkmale der Vorkammer und/oder der Brennkraftmaschine, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Merkmale eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Vorkammer oder der Brennkraftmaschine. Verfahrensschritte, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit der Vorkammer und/oder der Brennkraftmaschine erläutert wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Schritte einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens. Dieses zeichnet sich bevorzugt durch wenigstens einen Verfahrensschritt aus, der durch wenigstens ein Merkmal eines erfindungsgemäßen oder bevorzugten Ausführungsbeispiels der Vorkammer oder der Brennkraftmaschine bedingt ist. Die Vorkammer und/oder die Brennkraftmaschine zeichnet/zeichnen sich bevorzugt durch wenigstens ein Merkmal aus, welches durch wenigstens einen Schritt einer erfindungsgemäßen oder bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens bedingt ist.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung in zwei Ansichten eines Ausführungsbeispiels einer Vorkammer, und
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2 eine Mehrzahl von Ansichten verschiedener Ausführungsbeispiele von bestimmten Strukturen für die Vorkammer.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Vorkammer 1 einer Brennkraftmaschine 2, wobei die Vorkammer 1 in 1a) in einer ersten Längsschnittebene und in 1b) in einer zweiten, um eine Längsachse L gegenüber der ersten Längsschnittebene gedrehten Längsschnittebene im Halbschnitt dargestellt ist. Die Vorkammer 1 für die Brennkraftmaschine 2 weist eine im Betrieb der Vorkammer 1 beströmte Oberfläche 3 auf, die in einem Inneren 5 der Vorkammer 1 angeordnet ist. Die beströmte Oberfläche 3 weist einen ersten Oberflächenbereich 7 sowie einen zweiten Oberflächenbereich 9 auf, wobei der erste Oberflächenbereich 7 eine bestimmte Struktur 11 aufweist, und wobei der zweite Oberflächenbereich 9 frei von dieser Struktur 11 ist, wobei er die bestimmte Struktur 11 also nicht aufweist. Bevorzugt ist die Oberfläche 3 in dem zweiten Oberflächenbereich 9 unstrukturiert und/oder glatt ausgebildet.
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Der zweite Oberflächenbereich 9 erstreckt sich bevorzugt – in Umfangsrichtung gesehen – von einer ersten – in 1a) rechten – Seite des ersten Oberflächenbereichs 7 bis zu einer zweiten – in 1a) linken – Seite des ersten Oberflächenbereichs 7, das heißt fast vollumfänglich bis auf einen Umfangsabschnitt, indem der erste Oberflächenbereich 7 angeordnet ist. Es ist aber auch möglich, dass die Oberfläche 3 mehr als einen ersten Oberflächenbereich 7 aufweist. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass die Oberfläche 3 mehr als einen zweiten Oberflächenbereich 9 aufweist.
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Eine Längsrichtung erstreckt sich in Richtung der in 1b) dargestellten Längsachse L. Eine Umfangsrichtung umgreift die Längsrichtung konzentrisch. Eine radiale Richtung steht senkrecht auf der Längsrichtung.
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Die Oberfläche 3 ist hier als Oberfläche einer Innenwandung 13 ausgestaltet, wobei die Innenwandung 13 das Innere 5 der Vorkammer 1 umschließt.
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In 1b) ist dargestellt, dass die bestimmte Struktur 11 hier einstückig mit der Innenwandung 13 ausgebildet ist, wobei sie bevorzugt direkt in die Oberfläche 3 hineingearbeitet oder aus dieser herausgearbeitet ist.
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In dem Inneren 5 der Vorkammer 1 ist in für sich genommen bekannter Weise eine Zündeinrichtung 15 oder ein Zündelement 17 der Zündeinrichtung 15, beispielsweise ein Elektrodenpaar zur Erzeugung einer Funkenzündung, angeordnet.
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Das Innere 5 ist über wenigstens eine Bohrung, hier konkret über einen Steigkanal 19 sowie Seitenkanäle 21 mit einem nicht dargestellten Hauptbrennraum in an der Brennkraftmaschine 2 montiertem Zustand der Vorkammer 1 verbunden.
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Während eines Verdichtungstakts der Brennkraftmaschine 2 strömt eine Gasströmung, insbesondere ein Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch über die Seitenkanäle 21 und den Steigkanal 19 in das Innere 5 der Vorkammer 1 ein. Dabei ergibt sich durch die bestimmte Struktur 11 ein definiertes Strömungsfeld in dem Inneren 5, das gegenüber äußeren Schwankungen, insbesondere zyklischen Schwankungen, im Betrieb der Brennkraftmaschine 2 unsensitiv ist. Dabei ist die bestimmte Struktur 11 in dem ersten Oberflächenbereich 7 angeordnet, in dem sich eine Hauptströmung der Gasströmung direkt an die Oberfläche 3 anlegt. Dabei bilden sich lokale Turbulenzen aus, und die lokale turbulenzkinetische Energie wird erhöht. Dies führt zu einem lokalen Druckabfall entlang des strukturierten Oberflächenbereichs 7. Durch diesen lokalen Druckabfall entsteht auf die Gasströmung eine Kraft, die zu deren Anlegung an den strukturierten Oberflächenbereich 7 führt. Die bestimmte Struktur 11 wird dabei so ausgewählt, dass diese Kraft größer ist als Kräfte, welche sich durch zyklisch verändernde Einflussgrößen ergeben, sodass gegenüber diesen Einflussgrößen ein zyklisch unsensitives Strömungsbild innerhalb der Vorkammer 1 entsteht.
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2 zeigt Darstellungen einer Mehrzahl von Ausführungsbeispielen bestimmter Strukturen 11. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insoweit auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Es zeigt sich, dass die bestimmte Struktur 11 bevorzugt eine Mehrzahl von Strukturelementen 23 aufweist, die insbesondere als Erhebungen und/oder als Vertiefungen ausgebildet sein können.
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Die 2a), 2b) und 2c) zeigen jeweils Längsschnitte durch bestimmte Strukturen 11. Dabei sind die Strukturelemente 23 bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2a) insbesondere hemisphärisch, mithin halbkugelförmig, ausgebildet.
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In 2b) sind die Strukturelemente 23 – im Längsschnitt gesehen – dreieck- oder zahnförmig ausgebildet, wobei sie eine scharfe Spitze 25 aufweisen.
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In 2c) sind die Strukturelemente 23 ebenfalls – im Längsschnitt gesehen – dreieck- oder zahnförmig ausgebildet, wobei sie jedoch eine abgerundete Spitze 25 mit einem Eckenradius oder Krümmungsradius aufweisen. Der Eckenradius oder Krümmungsradius beträgt bevorzugt von mindestens 0,01 mm bis höchstens 1 mm.
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Eine Höhe H der Strukturelemente 23, die hier beispielhaft in 2b) dargestellt ist, beträgt generell – unabhängig von der konkreten Form der Strukturelemente 23 – bevorzugt von mindestens 0,02 mm bis höchstens 2 mm. Entsprechendes gilt bevorzugt auch für eine Tiefe von Strukturelementen, die nicht als Erhebungen, sondern als Vertiefungen ausgebildet sind.
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Ein Abstand benachbarter Strukturelemente 23 voneinander, der beispielhaft in 2c) mit A gekennzeichnet ist, beträgt – wiederum unabhängig von der konkreten Form der Strukturelemente 23 – bevorzugt von mindestens 0,02 mm bis höchstens 1 mm, vorzugsweise von mindestens 0,04 mm bis höchstens 1 mm. Dabei wird besonders bevorzugt grundsätzlich der kürzeste Abstand – unabhängig von der Richtung, in der sich dieser erstreckt – zwischen unmittelbar benachbarten Strukturelementen 23 betrachtet.
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Die 2d) bis 2h) zeigen Ansichten bestimmter Strukturen 11 in Draufsicht, mithin in der gleichen Ansicht, die auch der Darstellung von 1a) zugrunde liegt.
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Dabei sind die Strukturelemente 23 bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2d) kreisförmig ausgebildet.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2e) sind die Strukturelemente 23 – in Draufsicht gesehen – elliptisch oder oval ausgebildet.
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Die Strukturelemente 23, die in den 2d) und e) dargestellt sind, können im Längsschnitt insbesondere so ausgestaltet sein, wie dies in 2a) dargestellt ist.
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In 2f) ist ein Ausführungsbeispiel der bestimmten Struktur 11 dargestellt, bei welchem die Strukturelemente 23 – in Draufsicht gesehen – rechteckförmig, insbesondere quadratisch, ausgebildet sind. Sie können dabei insbesondere – im Längsschnitt gesehen – so ausgebildet sein, wie dies in den 2b) oder 2c) dargestellt ist.
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In 2g) ist ein Ausführungsbeispiel der bestimmten Struktur 11 dargestellt, bei welchem die Strukturelemente 23 eine Tropfenform aufweisen. Dabei sind sie bevorzugt insbesondere an einem oberen, der Zündeinrichtung 15 zugewandten Ende schmaler ausgebildet als an einem unteren, der Zündeinrichtung 15 ab- und einem nicht dargestellten Hauptbrennraum zugewandten Ende.
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2h) zeigt ein Ausführungsbeispiel der bestimmten Struktur 11, bei welchem die Strukturelemente 23 dreieckförmig ausgebildet sind.
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Die tropfenförmigen Strukturelemente 23 gemäß 2g) können – im Längsschnitt gesehen – so ausgebildet sein, wie dies in 2a) dargestellt ist, es ist aber auch möglich, dass sie so ausgebildet sind, wie dies in 2b) oder 2c) dargestellt ist. Die dreieckförmigen Strukturelemente 23 gemäß 2h) sind – im Längsschnitt gesehen – bevorzugt so ausgebildet, wie dies in einer der Figuren in 2b) oder 2c) dargestellt ist.
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Die in 2b) dargestellten, in Draufsicht gesehen kreisförmigen Strukturelemente 23 weisen vorzugsweise einen Durchmesser von mindestens 0,02 mm bis höchstens 2 mm auf.
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Im Übrigen weisen die Strukturelemente 23 vorzugsweise eine – senkrecht zu der Längsachse L und in der Bildebene von 2 horizontal – gemessene Breite von mindestens 0,02 mm bis höchstens 2 mm auf. Die Breite erstreckt sich dabei insbesondere senkrecht zu einer Hauptströmungsrichtung der Gasströmung in dem Inneren 5 während eines Kompressionstakts der Brennkraftmaschine 2.
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Die Strukturelemente 23 weisen vorzugsweise eine Länge – entlang der Längsrichtung oder entlang einer Projektion der Längsrichtung L auf die Oberfläche 3 gesehen –, die sich in 2 in der Bildebene in vertikaler Richtung erstreckt, auf, welche von mindestens 0,04 mm bis höchstens 4 mm beträgt. Dabei erstreckt sich die Länge im Wesentlichen in Richtung einer Hauptströmungsrichtung der Gasströmung in dem Inneren 5 während eines Kompressionstakts der Brennkraftmaschine 2.
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Die tropfenförmigen Strukturelemente 23 gemäß 2g) weisen bevorzugt einen Eckenradius oder Krümmungsradius in den Ecken von mindestens 0,01 mm bis höchstens 1 mm auf.
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Insgesamt zeigt sich, dass mit der Vorkammer 1 und der Brennkraftmaschine 2 sowie mithilfe des Verfahrens eine Struktur oder Geometrie für eine Vorkammer bereitgestellt werden kann, welche zu einer Verringerung der typischen Schwankungen eines Strömungsbilds innerhalb der Vorkammer führt, sodass auch zyklische Schwankungen in der Entflammung und dadurch in der Verbrennung der Brennkraftmaschine 2 verringert werden. Dies erhöht die Verbrennungsstabilität im Allgemeinen und kann insbesondere an ansonsten instabilen Betriebspunkten technisch genutzt werden. Zugleich lässt sich die erhöhte Verbrennungsstabilität indirekt zu einer Wirkungsgradsteigerung sowie zur Emissionsreduktion – insbesondere in Hinblick auf Kohlenwasserstoffemissionen – des Verbrennungszyklusses ausnutzen.
