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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Zündeinrichtung, insbesondere für einen Magermixmotor, für einen Dieselmotor oder für einen Gas-Großmotor, mit einem Vorkammerdesign zur verbesserten Zündung von Kraftstoff in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine, aufweisend eine sich entlang einer Vorkammerlängsachse erstreckende Vorkammer, in die aus einer Eingabeöffnung Kraftstoff eingebbar ist, und mit einer Zündkerze, mit der der Kraftstoff in der Vorkammer zündbar ist, weiterhin aufweisend wenigstens einen Kanal, der von der Vorkammer in den Brennraum verläuft und zur Überführung des entzündeten Kraftstoffes in Form von Fackelstrahlen von der Vorkammer in den Brennraum bestimmt ist.
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STAND DER TECHNIK
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Beispielsweise zeigt die
DE 11 2011 103 649 T5 eine Zündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine mit einer Vorkammer, in die ein Einspritzventil sowie eine Zündkerze hineinragen. Über das Einspritzventil kann eine Teilmenge des Kraftstoffs in die Vorkammer eingespritzt werden, welche mit der Zündkerze gezündet wird.
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Der in Richtung zum Brennraum der Brennkraftmaschine weisende Teil der Zündkammer mündet in einen Düsenkopf, in den mehrere Kanäle eingebracht sind, über die die Vorkammer mit dem Brennraum der Brennkraftmaschine verbunden ist. Das in der Vorkammer gezündete Kraftstoff-Luft-Gemisch kann nach der Zündung über die Kanäle in den Brennraum einschießen, wodurch Fackelstrahlen gebildet werden, um eine in den Brennraum eingegebene Hauptmenge an Kraftstoff-Luft-Gemisch zu zünden.
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Insbesondere für einen Magermix-Verbrennungsmotor wird in jüngerer Zeit eine Vorkammerzündung genutzt, da das in die Brennkammer eingegebene magere Kraftstoff-Luft-Gemisch mit einer Zündkerze im Brennraum selbst noch nicht zündfähig ist. Die Vorkammer erfüllt dabei den Zweck, das schwer entzündliche magere Kraftstoff-Luft-Gemisch homogen zu zünden. Hierfür erzeugt die Vorkammer durch eine innere Verbrennung in der Vorkammer mehrere Fackelstrahlen, die idealerweise tief in den Brennraum hineinschießen, um damit das magere Gemisch homogen zu zünden. Dabei ist insbesondere eine schnelle Verbrennungs- und Reaktionsgeschwindigkeit der Vorkammer entscheidend. Die Strömungsstruktur in der Vorkammer durch das einfache Eindüsen von Kraftstoff mit der Eingabeöffnung ist dabei nicht definiert, wobei während des Verdichtungsvorgangs bei einer Aufwärtsbewegung eines Kolbens, der die Brennkammer beweglich begrenzt, Luft oder Kraftstoff-Luft-Gemisch über die Kanäle zunächst in die Vorkammer eintritt, da sich die Verdichtung im Brennraum auch in einer Verdichtung in der Vorkammer fortsetzt. Das durch die Verdichtung im Brennraum in die Vorkammer eingeschobene Gas weist dabei eine im Wesentlichen nicht definierte Strömungsstruktur auf, sodass das Zündverhalten des in der Vorkammer vorhandenen Kraftstoff-Luft-Gemisches im Wesentlichen nicht optimal ist.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Zündeinrichtung mit einem Vorkammerdesign zur verbesserten Zündung von Kraftstoff in der Vorkammer, um eine damit verbesserte Form der Fackelstrahlen zu erzeugen, die von der Vorkammer durch die Kanäle in den Brennraum hinein gelangen, um den Hauptteil des Kraftstoff-Luft-Gemisches in der Brennkammer zu zünden.
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Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Zündeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass die Längsachse des wenigstens einen Kanals zwischen dem Brennraum und der Vorkammer mit einem Versatz seitlich beabstandet zur Vorkammerlängsachse verläuft.
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Die Vorkammer weist eine im Wesentlichen zylinderförmige Struktur auf, welche sich entlang einer Vorkammerlängsachse erstreckt. Die Vorkammerlängsachse verläuft dabei im Wesentlichen parallel zur bzw. in der Bewegungsrichtung des Kolbens der Brennkraftmaschine.
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Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, den Kanal seitlich beabstandet zur Vorkammerlängsachse zu verlagern, sodass bei einem Einschießen von Luft oder von Kraftstoff-Luft-Gemisch vom Brennraum der Brennkraftmaschine in die Vorkammer hinein ein Drall erzeugt wird, wodurch eine wesentliche Erhöhung der turbulenten kinetischen Energie in der Vorkammer erzeugt werden kann. Der erfindungsgemäße seitliche Versatz kann dabei jede Winkelstellung der Längsachse des Kanals umfassen, in der der Kanal nicht auf die Vorkammerlängsachse weist bzw. in der die Längsachse des Kanals die Vorkammerlängsachse nicht schneidet, da nur dann auf effektive Weise ein Drall in der fluidischen Einströmung der Luft oder des Gemisches erfolgt.
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Wird das in die Vorkammer eingedüste Kraftstoff-Luft-Gemisch gezündet, so kann der Zündschlag mit einem entsprechend schlagartigen Druckanstieg wesentlich verstärkt erfolgen, wodurch sich deutlich stärkere Fackelstrahlen ergeben, die von der Vorkammer zurück in den Brennraum erzeugt werden können. Dadurch wird das im Brennraum vorhandene Kraftstoff-Luft-Gemisch homogener gezündet, sodass die Verbrennung insgesamt verbessert ablaufen kann.
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Gemäß der Erfindung kann der seitliche Versatz in einer auf der Vorkammerlängsachse senkrecht stehenden Richtung 10% bis 80% und bevorzugt 15% bis 25% des Durchmessers der im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildeten Vorkammer betragen.
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Beispielsweise kann der seitliche Versatz bezogen auf einen Durchmesser des Zylinderquerschnittes der Vorkammer 5% bis 50% und/oder 10% bis 30% und/oder 20% beträgt und/oder des kann vorgesehen sein, dass die Vorkammer einen Zylinderquerschnitt mit einem Durchmesser von 5 mm bis 7 mm und bevorzugt von 6 mm aufweisen, sodass der seitliche Versatz beispielsweise einen Wert von 1 mm bis 1,5 mm und bevorzugt von 1,25 mm aufweist.
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Die Längsachse des wenigstens einen Kanals ist darüber hinaus zur Verlaufsrichtung der Vorkammerlängsachse geneigt ausgebildet. Die Neigung kann dabei so ausgeführt sein, dass die Längsachse des Kanals von der Vorkammer beginnend nach unten in Richtung zum Kolben weist, der in die Brennkraftmaschine geführt ist und den Brennraum nach unten hin beweglich begrenzt. Insbesondere können mehrere Kanäle vorgesehen sein, vorzugsweise sind vier Kanäle zwischen der Vorkammer und dem Brennraum ausgebildet. Die Kanäle befinden sich dabei in einer Art Düsenkopf, der innenseitig die Vorkammer nach unten hin begrenzt und der Düsenkopf kann oberseitig in den Brennraum der Brennkraftmaschine hineinragen.
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Mit besonderem Vorteil sind zwischen der Vorkammer und dem Brennraum ein Kanal, zwei Kanäle bis 20 Kanäle und/oder drei Kanäle bis 10 Kanäle und bevorzugt drei und besonders bevorzugt vier Kanäle ausgebildet. Bei vier Kanälen weisen zwei erste Kanäle eine Längsachse auf, die eine erste Neigung zur Vorkammerlängsachse aufweisen, und wobei zwei zweite Kanäle eine Längsachse aufweisen, die eine von der ersten Neigung abweichende zweite Neigung zur Vorkammerlängsachse besitzen. Somit sind die Kanäle insbesondere paarweise ausgebildet und stehen sich gleich zueinander ausgebildet entsprechend gegenüber. Die weiteren paarweise ausgebildeten Kanäle stehen sich auch gegenüber, wobei die beiden Paare der Kanäle jeweils zueinander paarweise unterschiedliche Neigungen zur Vorkammerlängsachse bilden.
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Mit besonderem Vorteil weist die Neigung zwischen der Längsachse der ersten Kanäle und der Vorkammerlängsachse einen Winkel von 120° bis 130° und bevorzugt von 125° auf und/oder die Neigung zwischen der Längsachse der zweiten Kanäle und der Vorkammerlängsachse weist einen Winkel von 100° bis 110° und bevorzugt von 106° auf.
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Erfolgt nach einer Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches in der Vorkammer die Überführung des brennenden Gases von der Vorkammer in den Brennraum in Form der Fackelstrahlen, so weisen die Fackelstrahlen unterschiedliche Neigungswinkel in Richtung zum Kolben der Brennkraftmaschine auf. Insbesondere werden damit unterschiedliche Bereiche des Brennraumvolumens mit den Fackelstrahlen durchwandert. Befindet sich ein Einspritzventil zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum in der Wandung des Brennraums, beispielsweise im Bereich des Zylinderkopfes, so ist es vorteilhaft, dass wenigstens einer der erzeugten Fackelstrahlen aus den Kanälen in Richtung dieses Einspritzventils gerichtet ist.
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Mit weiterem Vorteil münden die mehreren Kanäle aus einem Düsenkopf in den Brennraum, wobei die ersten Kanäle und die zweiten Kanäle mit einem auf die Verlaufsrichtung der Vorkammerlängsachse bezogenen unterschiedlichen Höhe aus dem Düsenkopf münden. Insbesondere münden die ersten Kanäle und die zweiten Kanäle mit einem auf die Verlaufsrichtung der Vorkammerlängsachse bezogenen unterschiedlichen Höhe in die Vorkammer.
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Beispielsweise weisen die ersten Kanäle einen Durchmesser von 0,8 mm bis 1 mm und/oder von 0,9 mm auf und/oder die zweiten Kanäle weisen einen Durchmesser von 1,1 mm bis 1,3 mm und/oder von 1,2 mm auf.
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Mit weiterem Vorteil sind die Kanäle um die Vorkammerlängsachse herum verteilt angeordnet und weisen damit zueinander einen Versatz von jeweils 90° auf. Abhängig von der beliebig ausbildbaren Anzahl der Kanäle weist der Versatz um die Vorkammerlängsachse für andere Ausführungsformen einen Winkelwert von 180°, von 72°, von 60° oder von 45° auf.
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Beispielsweise können die Vorkammer und der Düsenkopf als ein einzelnes Bauteil ausgebildet sein, das in den Zylinderkopf der Brennkraftmaschine eingesetzt werden kann. Durch die zylindrische Innenkontur der Vorkammer wird die Bildung eines Wirbels oder Tornados begünstigt, wenn während der Verdichtung die Luft oder das Kraftstoff-Luft-Gemisch vom Brennraum durch die Kanäle in die Vorkammer einschießt.
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Durch die schräge Anordnung der Kanäle wird ein Impuls des Gases in Richtung zur Zündkerne begünstigt, die oberseitig in die Vorkammer hineinragt. Durch den erzeugten Wirbel oder Tornado innerhalb der Vorkammer wird bei einem Zünden des Gemisches mit der Zündkerze die Verbrennung innerhalb der Vorkammer wesentlich beschleunigt, wodurch der Druckanstieg in der Vorkammer erheblich schneller erfolgen kann. Als Folge ergibt sich auch eine entsprechend beschleunigte Ausströmung des Gases von der Vorkammer durch die Kanäle in den Brennraum.
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BEVORZUGTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL DER ERFINDUNG
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt die
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1 eine Darstellung einer Zündeinrichtung mit einer Vorkammer im Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine zur Einspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum,
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2 eine schematisch perspektivische Darstellung des unteren Endes der Vorkammer der Zündeinrichtung mit den Merkmalen der Erfindung.
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3 eine seitliche schematische Darstellung des unteren Endes der Vorkammer der Zündeinrichtung in einer ersten Position und
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4 eine seitliche Darstellung des unteren Endes der Vorkammer der Zündeinrichtung in einer zweiten zur ersten Position gemäß 3 um 90° gedrehten Position.
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1 zeigt schematisch eine perspektivische Darstellung einer Zündeinrichtung 1 in Anordnung über einem Brennraum 10, der sich in bzw. unterhalb eines Zylinderkopfes 18 befindet. Die Zündeinrichtung 1 ist dabei oberseitig im Zylinderkopf 18 eingebracht und umfasst eine Vorkammer 12, die sich entlang einer Vorkammerlängsachse 11 erstreckt.
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An dem den Brennraum 10 im Zylinderkopf 18 abgewandten oberen Ende der Vorkammer 12 befindet sich eine Eingabeöffnung 13 und eine Zündkerze 14, und über die Eingabeöffnung 13 kann Kraftstoff in die Vorkammer 12 eingespritzt werden, welcher gemischt mit Luft mit der Zündkerze 14 innerhalb der Vorkammer 12 gezündet werden kann.
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Das in Richtung zum Brennraum 10 weisende Ende der Vorkammer 12 ist begrenzt durch einen Düsenkopf 17, der beispielsweise in den Brennraum 10 unterhalb des Zylinderkopfes 18 hineinragt. Die Unterseite des Brennraumes 10 ist mit dem Kolben 19 beweglich begrenzt.
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Als fluidische Verbindung zwischen dem Brennraum 10 und der Vorkammer 12 sind mehrere Kanäle 15 und 16 im Düsenkopf 17 eingebracht, und bewegt sich der Kolben 19 in einem Verdichtungstakt nach oben in Richtung zur Vorkammer 12, so kann Luft oder Kraftstoff-Luft-Gemisch über die Kanäle 15 und 16 vom Brennraum 10 in die Vorkammer 12 gelangen.
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Wird mit der Zündkerze 14 in der Vorkammer 12 vorhandenes Kraftstoff-Luft-Gemisch gezündet, so schießt das gezündete Kraftstoff-Luft-Gemisch über die Kanäle 15 und 16 zurück in den Brennraum 10 und erzeugt damit Fackelstrahlen, um sehr mageres im Brennraum 10 eingebrachtes Kraftstoff-Luft-Gemisch zu zünden. Das Einbringen des Haupt-Anteils des Kraftstoff-Luft-Gemisches oder wenigstens des Kraftstoffes erfolgt über Eingabemittel, die separat in den Brennraum 10 münden und nicht dargestellt sind.
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2 zeigt den unteren Teil der Vorkammer 12, die zum Zwecke der Darstellung begrenzt ist mit einem Hüllkörper 20. Unterseitig des Hüllkörpers 20 befindet sich der Düsenkopf 17, und zwischen der Vorkammer 12 und der Außenseite des Düsenkopfes 17 erstrecken sich mehrere Kanäle 15 und 16. Die Kanäle 15 verlaufen dabei entlang der Längsachsen 15a und die Kanäle 16 verlaufen entlang der Längsachsen 16a.
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Die Darstellung zeigt, dass die Längsachsen 15a und 16a der Kanäle 15 und 16 einen Versatz zur Vorkammerlängsachse 11 aufweisen. Mit anderen Worten schneiden die Längsachsen 15a und 16a die Vorkammerlängsachse 11 nicht. Ferner ist erkennbar, dass die Mündungsöffnungen der Kanäle 15 eine andere Höhenposition in Bezug auf die Verlaufsrichtung der Vorkammerlängsachse 11 aufweisen als die Mündungsöffnungen der Kanäle 16. Zudem sind die Neigungswinkel der Längsachsen 15a mit Bezug auf die Vorkammerlängsachse 11 steiler angestellt als die Neigungswinkel der Längsachse 16a.
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3 zeigt eine erste Seitenansicht des unteren Teils der Vorkammer 12, dargestellt mit dem das Volumen der Vorkammer 12 umschließenden Hüllkörper 20 und dem außenseitigen Düsenkopf 17. Mit Bezug auf die Vorkammerlängsachse 11 ist dargestellt, dass die Kanäle 16 mit ihren Längsachsen 16a einen Versatz X aufweisen, sodass die Kanäle 16 seitlich versetzt zur Vorkammerlängsachse 11 verlaufen.
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Die Längsachsen 15a der Kanäle 15 sind zum vertikalen Verlauf der Vorkammerlängsachse 11 unter einem anderen Winkel angestellt als die Längsachsen 16a der Kanäle 16, und wenn das gezündete Kraftstoff-Luft-Gemisch von der Vorkammer 12 über die Kanäle 15 in den Brennraum einströmt, entstehen steiler angestellte Fackelstrahlen als eine Überströmung des Kraftstoff-Luft-Gemisches über die Kanäle 16.
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4 zeigt eine um 90° um die Vorkammerlängsachse 11 gedrehte Ansicht des unteren Teils der Vorkammer 12 und des Düsenkopfes 17, und die Darstellung stellt die flachere Ausbildung der Längsachsen 16a der Kanäle 16 relativ zu den Längsachsen 15a der Kanäle 15 dar. Auch die Kanäle 15 erstrecken sich mit ihren Längsachsen 15a um einen Versatz X seitlich verlaufend zur Vorkammerlängsachse 11. Im Ergebnis ergibt sich innerhalb der Vorkammer 12, wiederum dargestellt mit dem Hüllkörper 20, ein Drall um die Vorkammerlängsachse 11, wenn Kraftstoff-Luft-Gemisch oder nur Luft über die Kanäle 15 und 16 in die Vorkammer 12 einströmt. Dieser Drall wird hauptsächlich erzeugt durch den Versatz X sowohl der Kanäle 15 als auch der Kanale 16, und der Drall wird begünstigt durch die unterschiedlichen Neigungswinkel der Längsachsen 15a und 16a relativ zur Erstreckungsrichtung der Vorkammerlängsachse 11.
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Insbesondere hat sich als vorteilhaft erwiesen, dass die Mündungsöffnungen der Kanäle 15 eine andere Höhenposition relativ zur Erstreckungsrichtung der Vorkammerlängsachse 11 aufweisen als die Mündungsöffnungen der Kanäle 16.
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Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten oder räumlicher Anordnungen, können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombination erfindungswesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zündeinrichtung
- 10
- Brennraum
- 11
- Vorkammerlängsachse
- 12
- Vorkammer
- 13
- Eingabeöffnung
- 14
- Zündkerze
- 15
- Kanal
- 15a
- Längsachse
- 16
- Kanal
- 16a
- Längsachse
- 17
- Düsenkopf
- 18
- Zylinderkopf
- 19
- Kolben
- 20
- Hüllkörper
- 21
- Einlassventil
- 22
- Auslassventil
- X
- Versatz
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 112011103649 T5 [0002]
