DE102017222084A1 - Fremdgezündete Hubkolben-Brennkraftmaschine - Google Patents

Fremdgezündete Hubkolben-Brennkraftmaschine Download PDF

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Abstract

Fremdgezündete Hubkolben-Brennkraftmaschine, mit einem Zylinderkopf und mit einem Kurbelgehäuse mit zumindest einem Zylinder, in dem ein hubbeweglicher Kolben angeordnet ist, wobei der Zylinderkopf, der Zylinder und ein Kolbenboden des Kolbens einen Brennraum einschließen, der über ein Gaswechselventil mit einem Saugkanal in dem Zylinderkopf für einen Ladungswechsel Gas führend verbindbar ist, wobei ein Kraftstoffinjektor vorgesehen ist, zur Einbringung von Kraftstoff in den Brennraum und wobei in dem Zylinderkopf eine Vorkammer vorgesehen ist, die Gas führend mit dem Brennraum verbunden ist, wobei in der Vorkammer eine Zündvorrichtung vorgesehen ist, zur Zündung eines Luft-Kraftstoff-Gemisches, wobei die Vorkammer über eine Absperrvorrichtung in einem Verbindungskanal Gas führend mit dem Saugkanal verbindbar ist.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird eine kostengünstige Integration eines Vorkammerzündsystems in eine Hubkolben-Brennkraftmaschine ermöglicht.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine fremdgezündete Hubkolben-Brennkraftmaschine mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Stand der Technik sind unterschiedlichste Varianten von Vorkammer-Zündsystemen, welche im Bereich der Hubkolben-Brennkraftmaschinen, insbesondere im Bereich von Großmotoren und Gasmotoren, bereits in der Serie angewendet werden. Diese Vorkammer-Zündsysteme zeichnen sich durch eine vom Brennraum getrennte Kammer aus, in welcher das Kraftsoff-Luft-Gemisch durch eine herkömmliche Zündkerze gezündet wird. Die Vorkammer ist hierbei durch Bohrungen, welche in der Regel radial in der Kappe der Vorkammer angeordnet sind, mit dem Hauptbrennraum verbunden. Die einsetzende Verbrennung innerhalb der Vorkammer und die damit verbundene Druckerhöhung führt zum Übertritt der Flammen, bzw. der teiloxidierten Produkte aus der Vorkammer in den Hauptbrennraum, welche wiederrum dort zur Entflammung des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Hauptbrennraum führen. Der Vorteil dieses Zündkonzeptes ist ein sehr geringer Zündverzug des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Hauptbrennraum und eine sehr schnelle Verbrennung mit geringerer Klopfneigung, da durch die Zündstrahlen der Vorkammer im Vergleich zur Zündkerze gleichzeitig große Kraftstoff-Luft-Gemischbereiche im Hauptbrennraum erfasst werden und somit die Flammenwege erheblich verkürzt und die Flammenfrontoberfläche erheblich vergrößert wird. Es handelt sich hierbei um eine räumliche Zündung.
  • Eine gattungsgemäße Hubkolben-Brennkraftmaschine ist beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 1 526 290 A1 bekannt. Es handelt sich um eine Brennkraftmaschine mit einem Hauptbrennraum und einer durch einen verengten Überströmkanal mit dem Hauptbrennraum verbundenen Zündvorkammer, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das Volumen der Zündvorkammer nur einen kleinen Bruchteil des Hauptbrennraumvolumens beträgt und die in den Hauptbrennraum mündende Einspritzdüse einen Bruchteil des jeweils in den Hauptbrennraum eingespritzten Kraftstoffes durch den verengten Überströmkanal in die Zündvorkammer spritzt.
  • Das nach dem Arbeitstakt noch innerhalb der Vorkammer vorhandene Restgas kann nur schwer ausgespült werden. Da gleichzeitig innerhalb der Vorkammer kaum Ladungsbewegung eingebracht werden kann, werden die Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemischs innerhalb der Vorkammer und damit auch die Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemischs im Hauptbrennraum, insbesondere im Bereich geringer Lasten zunehmend problematisch, d. h. die Zündwilligkeit des Kraftstoff-Luft-Gemischs sinkt. In diesen Lastbereichen kann es daher zu Verbrennungsaussetzern mit bekannten negativen Auswirkungen auf den Betrieb der Brennkraftmaschine und die Abgasnachbehandlung kommen.
  • Durch verdünnte Brennverfahren, wie beispielsweise Abgasrückführung und Abmagerung (Lambda > 1), verschärft sich diese Problematik weiter, da die Zündbedingungen durch die Verdünnung weiter verschlechtert werden. Die in diesem Zusammenhang oftmals eingesetzte zündungsgekoppelte Einspritzung, über welche bei geringen Lasten und hohen Verdünnungsraten um die Zündkerze oder ein alternatives Zündsystem ein zündungsfähiges Kraftsoff-Luft-Gemisch angelagert wird, kann durch die räumliche Trennung des Vorkammer-Zündsystems ihre Wirkung kaum entfalten. Die Kraftstoffanteile gelangen zum Zeitpunkt der zündungsgekoppelten Einspritzung kaum durch die Übertrittsbohrungen in ausreichendem Maße in die Vorkammer und somit an das Zündsystem.
  • Aufgrund dieses Sachverhalts gibt es bereits Vorkammer-Zündsysteme auf dem Markt, welche innerhalb der Vorkammer neben der Zündkerze auch einen Kraftstoffeinspritzsystem aufweisen. Ein Beispiel für ein solches Vorkammer-Zündsystem mit separater Kraftstoffeinspritzung in die Vorkammer ist beispielsweise aus dem SAE Paper SAE 2015-01-0386 vom 14.04.2015 bekannt. Diese Systeme weisen allerdings einige Nachteile auf. Aufgrund eines zusätzlichen Einspritzsystems steigen die Systemkosten erheblich an. Weiter ist die geometrische Integration des Vorkammer-Zündsystems innerhalb des Zylinderkopfs aufgrund des notwendigen Bauraums problematisch. Mit diesem Konzept steigt gleichzeitig das kleinste umsetzbare Volumen des Vorkammer-Zündsystems aufgrund der notwendigen Anordnung von Einspritzsystem und Zündsystem. Nachteil hierdurch ist der mit ansteigendem Volumen der Vorkammer steigende Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine, aufgrund höherer Wandwärmeverluste.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, oben genannte Nachteile zu vermeiden.
  • Diese Aufgabe wird durch das Merkmal im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, das Konzept einer Kraftstoff-Luft-Gemisch-, bzw. Saugkanalgespülten Vorkammer mit Hilfe bereits bestehende Komponenten der Hubkolben-Brennkraftmaschine kostengünstig umzusetzen.
  • Aufgrund der aktuellen und künftigen Abgasgesetzgebung und Kraftstoff-Verbrauchsanforderungen kommt die Saugrohreinspritzung wieder vermehrt zum Einsatz, welche den Kraftstoff vor den Gaswechsel-Einlassventilen im Saugrohr oder Saugkanal anlagert. Während des Ansaugvorganges wird dann das Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Brennraum gesaugt und die interne Kraftstoff-Luft-Gemischbildung im Brennraum gestartet.
  • Weiterhin sind variable Ventiltriebe Stand der Technik. Diese ermöglichen durch Verkürzung der Öffnungsdauer der Gaswechsel-Einlassventile ein frühes Schließen der Gaswechsel-Einlassventile (auch als Miller-Cycle bekannt), was sich positiv auf die Ladungswechselverluste auswirkt. Der notwendige Unterdruck im Zylinder, welcher im Teillastbereich der Hubkolben-Brennkraftmaschine zur Einstellung des Lastpunktes dargestellt werden muss, erfolgt nicht mehr allein durch die Drosselklappe und somit bereits im Saugrohr, sondern in erster Linie im Zylinder. Die von der Hubkolben-Brennkraftmaschine aufzubringende Expansionsarbeit während des Ansaugvorganges kann somit während der Kompression aufgrund des Gasfeder-Effekts wieder zurückgewonnen werden. Durch diese Betriebsstrategie liegt in der Teillast während des Ansaugtaktes ein Druckgefälle zwischen Saugrohr und Brennraum vor. Dieses wird umso größer, je niedriger der Lastpunkt der Brennkraftmaschine ist.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, die Vorkammer mit dem Saugrohr über einen Verbindungskanal zu verbinden. Somit kann die Vorkammer während des Ansaugtaktes mit dem im Saugrohr befindlichen Kraftstoff-Luft-Gemisch gespült werden. Die treibende Kraft für den Spülvorgang ist der bereits beschriebene Unterdruck im Zylinder durch die Betriebsstrategie mit frühem Schließen der Einlassventile.
  • Zielführend ist in diesem Zusammenhang ein Abgriff der zur Spülung verwendeten Verbindung im Einlasskanal, bzw. Saugkanal stromabwärts der Kraftstoffinjektoren der Saugrohreinspritzung. Durch geeignetes Targeting der Saugrohr-Kraftstoffinjektoren, kann der Kraftstoff gezielt vor die zur Spülung der Vorkammer angedachte Verbindung angelagert werden, welcher dann während des Spülvorganges zusammen mit der Frischluft angesaugt wird. Weiterhin kann diese zur Anlagerung verwendete Geometrie hinsichtlich der Kraftstoff-Luft-Gemischbildung optimiert werden. Dieses Konzept kann auch eingesetzt werden ohne eine Saugrohreinspritzung zu verwenden. Hierbei handelt es sich dann um eine reine Frischluftspülung, welche im Vergleich zu nicht gespülten Vorkammer-Zündsystemen ebenso zu verbesserten Zündbedingungen innerhalb der Vorkammer beiträgt.
  • Weiterhin kann der Verbindungskanal derart gestaltet werden, das die zur Spülung verwendete Gasmasse gleichzeitig zur Erzeugung von Ladungsbewegung in der Vorkammer beiträgt. Diese trägt zusätzlich zu verbesserten Zündbedingungen bei. Beispielhaft sei hier eine tangentiale Einleitung der Gasmasse erwähnt, die zu einer Drallströmung innerhalb der Vorkammer führt. Eine gleichzeitig tangentiale Gestaltung der Übertrittsbohrungen von der Vorkammer in den Brennraum, unterstützen diesen Effekt, sind jedoch nicht zwingend notwendig.
  • Da das treibende Druckgefälle zur Spülung der Vorkammer durch den Zeitpunkt des Schließens der Gaswechsel-Einlassventile maßgeblich beeinflusst wird, kann durch diese Betriebsstrategie der Grad der Spülung der Vorkammer beeinflusst werden. Je früher die Gaswechsel-Einlassventile schließen, desto höher ist der Grad der Spülung. Ein weiterer positiver Effekt dieses erfindungsgemäßen Konzepts ist, dass mit sinkender Last und der damit einhergehenden Verschlechterung der Zündbedingungen, der Grad der Spülung grundsätzlich ansteigt. Dieser Zusammenhang ist in den 2 dargestellt. In 2 ist der Einfluss des Lastpunkts einer über den Ventiltrieb entdrosselten Brennkraftmaschine auf das Druckgefälle (Δp) dargestellt. Ein geringerer Lastpunkt erfordert eine geringere Luftmasse und somit ein früheres Schließen der Gaswechsel-Einlassventile. Der Zylinderdruck sinkt somit früher und auf ein geringeres Absolutdruckniveau ab. Das Druckgefälle steigt und somit auch der Grad der Spülung der Vorkammer. Wird der Lastpunkt und damit die Luftfüllung durch die Drosselklappe und den Ventilhub eingestellt, kann weitestgehend lastpunktunabhängig der Grad der Spülung variiert werden. Je mehr im Saugkanal angedrosselt wird (der Druck psa im Saugkanal wird abgesenkt), desto geringer fällt das Druckgefälle aus. Gleichzeitig verkürzt sich die Dauer während derer dieses Druckgefälle anliegt.
  • Da innerhalb der Vorkammer, wie auch im Brennraum während der Verbrennung hohe Temperaturen und Drücke vorherrschen, muss in den zur Spülung verwendeten Verbindungskanal ein geeignetes Element integriert werden, welches den Übertritt der Verbrennungsgase in den Saugkanal verhindert. Dieses Element kann beispielsweise in Form eines Rückschlagventils ausgeführt werden, oder auch durch aktive Elemente wie Taktventile etc..
  • Der Verbindungskanal kann in vorteilhafter Weise als einfache Bohrung innerhalb des Zylinderkopfes ausgeführt werden. Der Durchmesser muss hierbei genau auf die Anforderungen angepasst werden. Diese ergeben sich aus dem Volumen der Vorkammer, sowie der Luftmasse in dem Zylinder. Weiterhin muss dieser zur Spülung der Vorkammer verwendete Gasmassenstrom in der Füllungserfassung des Steuergerätes der Brennkraftmaschine berücksichtigt werden. Der Durchmesser des Verbindungskanals und die Öffnungen der Vorkammer zum Brennraum hin müssen aufeinander abgestimmt sein.
  • Weiter wird vorgeschlagen, den Schacht der Gewindebohrung des Zündsystems als Vorkammer zu verwenden. Diese Ausführung ist in 1 dargestellt. Das Zündsystem kann hierbei vom Brennraum zurückgezogen werden, sodass im Zündkerzenschacht ein kleines Volumen Richtung Brennraum entsteht. Mit Hilfe eines Bauelementes, wie z. B. einer Kappe, mit zumindest einer Bohrung für den Übertritt der Gase aus der Vorkammer in den Brennraum, kann das Volumen der Vorkammer gegen den Hauptbrennraum abgetrennt werden. Diese Kappe kann beispielsweise mit Hilfe des Gewindes im Zündkerzenschacht montiert werden. Das Volumen der Vorkammer wird somit seitlich durch den Zündkerzenschacht, gegen den Brennraum durch die Kappe und das Zündsystem gebildet. In dieser Konfiguration kann die Verbindung zwischen Saugkanal und Vorkammer innerhalb des Zylinderkopfes durch einfache Geometrien ausgeführt werden. Das Rückschlagventil muss hierbei möglichst nah am Zündkerzenschacht positioniert werden um das Vorkammervolumen gering zu halten.
  • Das in diesem Zusammenhang verwendete Zündsystem kann als klassisches Zündkerzen-System, aber auch in Form von alternativen Zündsystemen wie dielektrisch behinderten Zündsystemen, funkenverlängernden Zündsystemen oder weitere, hier nicht aufgeführte Zündsysteme ausgeführt werden.
  • Im aufgeladenen Betriebsbereich des Kennfelds der Brennkraftmaschine ist diese Spülwirkung grundsätzlich kaum gegeben, da grundsätzlich der Druck im Brennraum ungefähr gleich oder größer dem des Sammlers, bzw. Saugkanals ist. Der Druckverlust über die Einlasskanäle und Gaswechsel-Einlassventile ist hierbei vernachlässigbar, da auch im Verbindungskanal mit Druckverlusten zu rechnen ist. Eine ausreichende Spülung der Vorkammer ist hierdurch nur schwer realisierbar. Über geeignete Ventilerhebungsstrategien (Miller-Cycle) ist das erfindungsgemäße System aber auch im aufgeladenen Betriebsbereich anwendbar, da im Rahmen dieser Strategie nach Schließen der Gaswechsel-Einlassventile eine Expansion im Zylinder erfolgt und somit der Druck im Brennraum unter den des Saugkanals absinkt. Somit ist auch hier das positive Spülgefälle gegeben. Allerdings sind im aufgeladenen Betrieb der Hubkolben-Brennkraftmaschine die Temperaturen und Drücke entsprechend hoch, sodass eine Spülung der Vorkammer primär im Mageren oder AGR-Betriebsbereich notwendig ist, um eine sichere und laufruhige Entflammung des Kraftstoff-Luft-Gemischs zu gewährleisten.
  • Im Folgenden ist die Erfindung anhand von zwei Figuren näher erläutert.
    • 1 zeigt einen Schnitt durch einen Zylinderkopf mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung.
    • 2 zeigt den Einfluss des Lastpunkts einer über den Ventiltrieb entdrosselten Brennkraftmaschine.
  • 1 zeigt einen Schnitt durch einen Zylinderkopf 1 mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung. Der Zylinderkopf 1 schließt einen Brennraum 2 nach oben ab. Für einen Ladungswechsel ist ein Saugkanal 3 vorgesehen, der über ein nicht dargestelltes Gaswechsel-Einlassventil mit dem Brennraum 3 Gas führend verbindbar ist. In einem Zündvorrichtungsschacht 8 ist eine Zündvorrichtung 5 vorgesehen, im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Zündkerze. Zwischen einer nicht bezifferten Elektrode der Zündvorrichtung 5 und dem Brennraum 2 ist durch ein Bauelement 9 eine Vorkammer 4 gebildet. Das Bauelement 9 ist eine Kappe mit zwei Öffnungen 10, die den Brennraum 2 und die Vorkammer 4 Gas führend miteinander verbinden.
  • Erfindungsgemäß ist die Vorkammer 4 über eine Absperrvorrichtung 6 in einem Verbindungskanal 7 Gas führend mit dem Saugkanal 3 verbindbar.
  • Der Kraftstoffinjektor in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel im Saugkanal 3 angeordnet, der Kraftstoff kann jedoch mit dem Kraftstoffinjektor auch direkt in den Brennraum 2 einbringbar sein oder eine Kombination daraus.
  • Im Fall einer Saugrohreinspritzung wird bevorzugt ein Teil der eingebrachten Kraftstoffmenge in einen Bereich des Verbindungskanales 7 eingespritzt.
  • Bevorzugt mündet der Verbindungskanal 7 tangential in die Vorkammer 4 für eine bessere Turbulenzerzeugung in der Vorkammer 4.
  • Bei der Zündvorrichtung 5 kann es sich um eine konventionelle Zündkerze oder ein dielektrisch behindertes Zündsystem oder ein Funken verlängerndes Zündsystem handeln.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist für die Hubkolben-Brennkraftmaschine eine Aufladevorrichtung vorgesehen.
  • Die Absperrvorrichtung 6 kann beispielsweise ein Rückschlagventil oder ein aktives Taktventil sein.
  • 2 zeigt in einem p-V Diagramm den Einfluss des Lastpunkts einer über den Ventiltrieb entdrosselten Brennkraftmaschine. Die Entdrosselung kann beispielsweise über einen hubvariablen Ventiltrieb, wie beispielsweise der BMW Valvetronic, erfolgen. In einem weiteren Beispiel kann es sich auch um einen schaltbaren Ventiltrieb handeln. Dargestellt in 2 ist ein Miller-Kreisprozess.
  • Beim Miller-Prozess wird das Gaswechsel-Einlassventil vor Erreichen des unteren Totpunktes (UT) des Kolbens beim Ansaughub geschlossen, d. h. es findet ein frühes Schließen der Gaswechsel-Einlassventile statt. Es befindet sich weniger Luft-Kraftstoff-Gemisch im Zylinder als hineinpassen würde (geringerer Füllgrad). Das Verdichtungsverhältnis wird üblicher Weise beibehalten, dies führt zu einer verringerten Klopfneigung, weniger Stickoxidbildung oder erhöht den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine. Wenn das Verdichtungsverhältnis größer gewählt wird als bei einer normalen Viertakt-Brennkraftmaschine, herrscht nach dem Verdichtungshub (im oberen Totpunkt) der gleiche Druck, wie beim einer normalen Viertakt-Brennkraftmaschine. Die geometrische Expansion wird somit vergrößert, ohne den Verdichtungsenddruck zu erhöhen. Der Arbeitshub (Hubvolumen, VH) kann damit mehr Expansionsenergie nutzen als bei einer normalen Brennkraftmaschine. Die Verbrennungs- und die Abgastemperatur wird erniedrigt und begünstigt den Einsatz eines Abgas-Turboladers. Der Miller-Kreisprozess wird, wie oben dargestellt, häufig mit variablen Ventilsteuerungen realisiert. Der Miller-Kreisprozess ist für den erfindungsgemäßen Effekt nicht notwendig, unterstützt diesen jedoch.
  • In 2 ist ein Druck p jeweils über die Y-Achse aufgetragen, ein Hubvolumen V über die X-Achse. Es bedeuten:
    • pSA= Saugrohrdruck
    • Δp1 = Druckgefälle bei höherer Last
    • Δp2 = Druckgefälle bei niedriger Last
    • VH = Hubvolumen
    • Vc = Kompressionsvolumen
    • Md = Last der Brennkraftmaschine
    • ES1 = Schließen des Gaswechsel-Einlassventils bei höherer Last
    • ES2 = Schließen des Gaswechsel-Einlassventils bei niedriger Last
  • Da das treibende Druckgefälle (Δp) zur Spülung der Vorkammer 4 durch den Zeitpunkt des Schließens der Gaswechsel-Einlassventile maßgeblich beeinflusst wird, kann durch diese Betriebsstrategie der Grad der Spülung der Vorkammer 4 beeinflusst werden. Je früher die Gaswechsel-Einlassventile schließen, desto höher ist der Grad der Spülung. Weiterer positiver Effekt dieses erfindungsgemäßen Konzepts ist, dass mit sinkender Last und der damit einhergehenden Verschlechterung der Zündbedingungen, der Grad der Spülung grundsätzlich ansteigt.
  • Ein geringerer Lastpunkt (Δp2 ) erfordert eine geringere Luftmasse und somit ein früheres Schließen der Gaswechsel-Einlassventile (ES2 ). Der Zylinderdruck sinkt somit früher und auf ein geringeres Absolutdruckniveau ab. Das Druckgefälle steigt und somit auch der Grad der Spülung der Vorkammer 4.
  • Wird der Lastpunkt und damit die Luftfüllung durch die Drosselklappe und den Ventilhub eingestellt, kann weitestgehend lastpunktunabhängig der Grad der Spülung variiert werden. Je mehr im Saugkanal 3 angedrosselt wird (der Druck psa im Saugkanal 3 wird abgesenkt), desto geringer fällt das Druckgefälle (Δp1 ) aus. Gleichzeitig verkürzt sich die Dauer (ES1) während derer dieses Druckgefälle anliegt. Die Dauer der Spülung wird näherungsweise definiert über den Zeitpunkt des Schließens der Einlassventile (Beginn) während der Expansion bis zu dem Zeitpunkt bei welchem das Volumen während der Kompression wieder das gleiche Volumen erreicht hat wie zum Zeitpunkt des Schließens der Einlassventile. Also ungefähr 2x Dauer von ES bis zum unteren Totpunkt des Kolbens.
  • Der Vorteil der vorliegenden Erfindung ist somit der geringe konstruktive Aufwand, sowie die geringen Mehrkosten des Vorkammer-Zündsystems. Der Verbindungskanal 7 zwischen Vorkammer 4 und Saugkanal 3 kann bspw. als einfache Bohrung ausgeführt werden, in welche beispielsweise ein Rückschlagventil 6 integriert wird. Wird gleichzeitig der Zündvorrichtungsschacht 8 als Vorkammervolumen verwendet, ergeben sich somit minimale Eingriffe in bereits bestehende Hubkolben-Brennkraftmaschinenkonzepte. Ausschließlich die Kappe (Bauelement 9) zum Verschluss des Vorkammervolumens, die Absperrvorrichtung 6 und der zusätzliche Fertigungsschritt des Verbindungskanals 7 sind zur Umsetzung notwendig. Wahlweise kann hier zur besseren Wärmeanbindung auf eine von außen einsetzbare Kappe (Bauelement 9) verwendet werden, die dieselbe Dichtfläche wie die Zündvorrichtung 5 benützt. Zusätzliche Aktuatoren und deren elektronische und funktionale Integration in die Steuerelektronik sind somit nicht notwendig. Bestehende Vorkammer-Zündsysteme sind aktuell nur mit sehr hohem Aufwand zu integrieren und aufgrund des zusätzlichen Kraftstoffinjektors und der notwendigen Anschlüsse an das Kraftstoffsystems mit hohen Kosten verbunden. Hierdurch ist das vorgeschlagene erfindungsgemäße System deutlich kostengünstiger, als auch weniger komplex als aktiv beschickte Vorkammer-Zündsysteme mit vergleichbarem Potential. Weiterhin handelt es sich um ein Vorkammer-Zündsystem, welches den Spülgrad des Vorkammervolumens entsprechend der Anforderungen selbstregelnd anpasst.
  • Abschließend sei noch angemerkt, dass der erfindungsgemäße Effekt auch bei spät öffnenden Gaswechsel-Einlassventilen (Atkinson-Kreisprozess) funktioniert. Hierbei sinkt durch die Expansion der Druck innerhalb des Brennraumes bis zu dem Zeitpunkt des Öffnens der Einlassventile. Allerdings ist diese Strategie hinsichtlich der Ladungswechselverluste nachteilig.
  • Bezugszeichenliste
    • 1.
    Zylinderkopf
    2.
    Brennraum
    3.
    Saugkanal
    4.
    Vorkammer
    5.
    Zündvorrichtung
    6.
    Absperrvorrichtung
    7.
    Verbindungskanal
    8.
    Zündvorrichtungsschacht
    9.
    Bauelement
    10.
    Öffnung
  • 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 1526290 A1 [0003]

Claims (10)

  1. Fremdgezündete Hubkolben-Brennkraftmaschine, mit einem Zylinderkopf (1) und mit einem Kurbelgehäuse mit zumindest einem Zylinder, in dem ein hubbeweglicher Kolben angeordnet ist, wobei der Zylinderkopf (1), der Zylinder und ein Kolbenboden des Kolbens einen Brennraum (2) einschließen, der über ein Gaswechselventil mit einem Saugkanal (3) in dem Zylinderkopf (1) für einen Ladungswechsel Gas führend verbindbar ist, wobei ein Kraftstoffinjektor vorgesehen ist, zur Einbringung von Kraftstoff in den Brennraum (2) und wobei in dem Zylinderkopf (1) eine Vorkammer (4) vorgesehen ist, die Gas führend mit dem Brennraum (2) verbunden ist, wobei in der Vorkammer (4) eine Zündvorrichtung (5) vorgesehen ist, zur Zündung eines Luft-Kraftstoff-Gemisches, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorkammer (4) über eine Absperrvorrichtung (6) in einem Verbindungskanal (7) Gas führend mit dem Saugkanal (3) verbindbar ist.
  2. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoffinjektor in dem Saugkanal (3) angeordnet ist.
  3. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoffinjektor einen Teil der eingebrachten Kraftstoffmenge in einen Bereich des Verbindungskanales (7) einbringt.
  4. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorkammer (4) von einem Zündvorrichtungsschacht (8) gebildet ist.
  5. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungskanal (7) tangential in die Vorkammer (4) mündet.
  6. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorkammer (4) gegenüber dem Brennraum (2) von einem Bauelement (9) abgedeckt ist, der zumindest eine Gas führende Öffnung (10) aufweist.
  7. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündvorrichtung (5) eine Zündkerze oder ein dielektrisch behindertes Zündsystem oder ein Funken verlängerndes Zündsystem ist.
  8. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass für die Hubkolben-Brennkraftmaschine eine Aufladevorrichtung vorgesehen ist.
  9. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach einem der Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Absperrvorrichtung (6) ein Rückschlagventil oder ein aktives Taktventil ist.
  10. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach einem der Patentansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff mit dem Kraftstoffinjektor direkt in den Brennraum (2) einbringbar ist.
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Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102020103460B3 (de) * 2020-02-11 2021-02-25 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Passive Vorkammerzündkerze und Fahrzeugmotor
DE102020103462B3 (de) * 2020-02-11 2021-02-25 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Passive Vorkammerzündkerze und Fahrzeugmotor
DE102020106398A1 (de) 2020-03-10 2021-09-16 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Fremd gezündete Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem Vorkammerzündsystem
DE102020107368A1 (de) 2020-03-18 2021-09-23 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Fremd gezündete Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem Vorkammerzündsystem
DE102020107841A1 (de) 2020-03-23 2021-09-23 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Fremd gezündete Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem Vorkammerzündsystem
DE102020107953A1 (de) 2020-03-23 2021-09-23 Volkswagen Aktiengesellschaft Brennkraftmaschine mit motorperipherer Verbindung einer einem Hauptbrennraum zugeordneten Zündkammer
DE102020108564A1 (de) 2020-03-27 2021-09-30 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Fremd gezündete Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem Vorkammerzündsystem
DE102020109161A1 (de) 2020-04-02 2021-10-07 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Verfahren zum Betreiben einer fremd gezündeten Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem Vorkammerzündsystem
DE102020115359A1 (de) 2020-06-09 2021-12-09 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Brennkraftmaschine mit einer Vorkammerzündung mit Spülkanal

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE675154C (de) * 1937-04-07 1939-05-03 Kloeckner Humboldt Deutz Akt G Brennkraftmaschine mit einem mit dem Arbeitszylinder in Verbindung stehenden Nebenraum (Vorkammer, Luftspeicher)
DE900157C (de) * 1951-03-16 1953-12-21 Maschf Augsburg Nuernberg Ag Brennkraftmaschine
DE1526290A1 (de) 1966-11-02 1970-04-02 Daimler Benz Ag Brennkraftmaschine mit Hauptbrennraum und Zuendvorkammer
DE102004043143A9 (de) * 2004-08-17 2006-09-07 Kuhnert-Latsch-GbR (vertretungsberechtigter Gesellschafter Herr Dr.-Ing. Reinhard Latsch, 76530 Baden-Baden) Verfahren und Vorrichtung zur Entflammung von Kraftstoff-Luft-Gemischen bei einem Gas-Verbrennungsmotor mit Vorkammerzündung
DE102015210669A1 (de) * 2015-06-11 2016-12-15 Mtu Friedrichshafen Gmbh Gasbrennkraftmaschine mit gemisch-gespülter Vorkammer

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE675154C (de) * 1937-04-07 1939-05-03 Kloeckner Humboldt Deutz Akt G Brennkraftmaschine mit einem mit dem Arbeitszylinder in Verbindung stehenden Nebenraum (Vorkammer, Luftspeicher)
DE900157C (de) * 1951-03-16 1953-12-21 Maschf Augsburg Nuernberg Ag Brennkraftmaschine
DE1526290A1 (de) 1966-11-02 1970-04-02 Daimler Benz Ag Brennkraftmaschine mit Hauptbrennraum und Zuendvorkammer
DE102004043143A9 (de) * 2004-08-17 2006-09-07 Kuhnert-Latsch-GbR (vertretungsberechtigter Gesellschafter Herr Dr.-Ing. Reinhard Latsch, 76530 Baden-Baden) Verfahren und Vorrichtung zur Entflammung von Kraftstoff-Luft-Gemischen bei einem Gas-Verbrennungsmotor mit Vorkammerzündung
DE102015210669A1 (de) * 2015-06-11 2016-12-15 Mtu Friedrichshafen Gmbh Gasbrennkraftmaschine mit gemisch-gespülter Vorkammer

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
CHINNATHAMBI, Prasanna ; BUNCE, Michael ; CRUFF, Luke: RANS based multidimensional modeling of an ultra-lean burn pre-chamber combustion system with auxiliary liquid gasoline injection. In: SAE technical papers. 2015, Paper No. 2015-01-0386, 15 S. DOI: 10.4271/2015-01-0386. URL: https://www.researchgate.net/profile/Prasanna_Chinnathambi/publication/275520188_RANS_Based_Multidimensional_Modeling_of_an_Ultra-Lean_Burn_Pre-Chamber_Combustion_System_with_Auxiliary_Liquid_Gasoline_Injection/links/58ee7458aca2724f0a28a9f7/RANS-Based-Multidimensional-Modeling-of-an-Ultra-Lean-Burn-Pre-Chamber-Combustion-System-with-Auxiliary-Liquid-Gasoline-Injection.pdf [abgerufen am 2018-04-09] *

Cited By (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11749972B2 (en) 2020-02-11 2023-09-05 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Passive prechamber spark plug
DE102020103462B3 (de) * 2020-02-11 2021-02-25 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Passive Vorkammerzündkerze und Fahrzeugmotor
WO2021160364A1 (de) 2020-02-11 2021-08-19 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Passive vorkammerzündkerze
WO2021160363A1 (de) 2020-02-11 2021-08-19 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Passive vorkammerzündkerze
DE102020103460B3 (de) * 2020-02-11 2021-02-25 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Passive Vorkammerzündkerze und Fahrzeugmotor
US11815005B2 (en) 2020-02-11 2023-11-14 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Passive prechamber spark plug
DE102020106398A1 (de) 2020-03-10 2021-09-16 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Fremd gezündete Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem Vorkammerzündsystem
DE102020107368A1 (de) 2020-03-18 2021-09-23 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Fremd gezündete Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem Vorkammerzündsystem
DE102020107841A1 (de) 2020-03-23 2021-09-23 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Fremd gezündete Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem Vorkammerzündsystem
DE102020107953A1 (de) 2020-03-23 2021-09-23 Volkswagen Aktiengesellschaft Brennkraftmaschine mit motorperipherer Verbindung einer einem Hauptbrennraum zugeordneten Zündkammer
DE102020108564A1 (de) 2020-03-27 2021-09-30 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Fremd gezündete Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem Vorkammerzündsystem
DE102020109161A1 (de) 2020-04-02 2021-10-07 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Verfahren zum Betreiben einer fremd gezündeten Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem Vorkammerzündsystem
DE102020115359A1 (de) 2020-06-09 2021-12-09 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Brennkraftmaschine mit einer Vorkammerzündung mit Spülkanal
DE102020115359B4 (de) 2020-06-09 2022-12-08 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Brennkraftmaschine mit einer Vorkammerzündung mit Spülkanal

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