DE102018007093A1

DE102018007093A1 - Vorkammerzündkerze für einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102018007093A1
Application number: DE102018007093.0A
Authority: DE
Inventors: Werner Dr. Holly
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2018-09-07
Filing date: 2018-09-07
Publication date: 2020-03-12
Also published as: US20210348544A1; CN112639264A; WO2020048775A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorkammerzündkerze (10) für einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine, mit einer mehrere Öffnungen (16) aufweisenden Vorkammer (12), welche mit dem Brennraum über die Öffnungen (16) fluidisch verbindbar ist, über die ein Kraftstoff-Luft-Gemisch aus dem Brennraum in die Vorkammer (12) einleitbar ist, wobei die Öffnungen (16) dazu ausgebildet sind, eine tumbleförmige Strömung des über die Öffnungen (16) in die Vorkammer (12) einströmenden Kraftstoff-Luft-Gemisches zu bewirken.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorkammerzündkerze für einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Eine solche Vorkammerzündkerze für einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, ist beispielsweise bereits der DE 29 16 285 A1 als bekannt zu entnehmen. Die Vorkammerzündkerze weist eine Vorkammer mit mehreren, als Durchgangsöffnungen ausgebildeten Öffnungen auf, sodass die Vorkammer über die Öffnungen fluidisch mit dem beispielsweise als ein Zylinder ausgebildeten beziehungsweise durch einen Zylinder gebildeten Brennraum verbindbar ist. Über die Öffnungen kann ein Kraftstoff-Luft-Gemisch aus dem Brennraum in die Vorkammer eingeleitet werden, sodass das beispielsweise in die Vorkammer eingeleitete Kraftstoff-Luft-Gemisch in der Vorkammer gezündet werden kann.
Des Weiteren offenbart die JP 2010096089 A eine Zündkerze für eine Verbrennungskraftmaschine.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorkammerzündkerze der eingangs genannten Art zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorkammerzündkerze mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Um eine Vorkammerzündkerze der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art zu verbessern, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Öffnungen dazu ausgebildet sind, eine tumbleförmige Strömung des über die Öffnungen in die Vorkammer einströmenden Kraftstoff-Luft-Gemisches zu bewirken. Mit anderen Worten, bei einem befeuerten Betrieb der Verbrennungskraftmaschine bewirken die Öffnungen beispielsweise durch ihre Anordnung und/oder ihre Anzahl und/oder ihre Geometrie eine tumbleförmige Strömung des einfach auch als Gemisch bezeichneten und die Öffnungen durchströmenden und dadurch aus dem Brennraum in die Vorkammer einströmenden Kraftstoff-Luft-Gemisches. Wieder mit anderen Worten ausgedrückt prägen die beispielsweise als Durchgangsöffnungen ausgebildeten Öffnungen den die Öffnungen durchströmenden und dadurch aus dem Brennraum in die Vorkammer strömenden Gemisch eine auch als Tumbleströmung bezeichnete, zumindest im Wesentlichen tumbleförmige und somit walzenförmige Strömung auf, sodass sich ein besonders vorteilhafter Betrieb der Vorkammerzündkerze und somit der Verbrennungskraftmaschine insgesamt realisieren lässt. Im Gegensatz zu einer drallförmigen Strömung, die sich beispielsweise schraubenartig um eine Hauptachse beziehungsweise um eine Längsachse der Vorkammer erstreckt, ist die tumbleförmige Strömung eine auch als Walzenströmung bezeichnete, walzenförmige Strömung, die sich beispielsweise zumindest teilweise in einer Ebene erstreckt beziehungsweise in einer Ebene verläuft, in der die Hauptachse liegt.
Durch die auch als Tumbleströmung bezeichnete, tumbleförmige Strömung wird die Verbrennung in der Vorkammer auf mehreren Wegen positive beeinflusst, wodurch ein besonders großer Arbeitsbereich in der Vorkammer realisiert werden kann. Zum einen ergibt sich eine bessere Spülung des Restgases im Bereich des Zündkerzenspalts, woraus eine stabilere Zündung resultiert. Im Vergleich zu herkömmlichen Zündkerzen ergibt sich eine günstigere Konvektion des anfänglichen Flammenkerns in Richtung der auch als Düsen bezeichneten oder als Düsen ausgebildeten Öffnungen. Durch die bessere Spülung und durch die günstigere Konvektion kann eine verbrennungsgünstigere Gestaltung der Elektrode der Zündkerze erreicht werden, insbesondere im Hinblick auf eine geringere Eindringtiefe der Masseelektrode. Daraus resultiert eine geringere Oberfläche, woraus wiederum geringere Wandwärmeverluste resultieren. Hierdurch kann die Vorentflammungsneigung im Vergleich zu herkömmlichen Vorkammerzündkerzen reduziert werden.
Bei herkömmlichen Vorkammerzündkerzen bewirken die Öffnungen insbesondere aufgrund ihrer symmetrischen beziehungsweise gleichmäßigen Anordnung eine zumindest im Wesentlichen drallförmige Strömung des die Öffnung durchströmenden und dadurch aus dem Brennraum in die Vorkammer einströmenden Gemisches. Nachteilig dabei ist, dass geringere Turbulenzintensitäten der Vorkammer erreicht werden und der anfängliche Flammenkern nicht oder weg von den auch als Vorkammerdüsen bezeichneten Öffnungen konvektiert wird.
Um bei herkömmlichen Vorkammerzündkerzen hinreichend geringe Restgasgehalte im Bereich des Zündkerzenspalts sicherzustellen, muss eine lange Elektrode verwendet werden, die tief in die Vorkammer hinein ragt. Dadurch ergibt sich eine zerklüftete Oberfläche in der Vorkammer und ein großes Schadvolumen. Die zuvor genannten Probleme und Nachteile können bei der erfindungsgemäßen Vorkammerzündkerze vermieden werden.
Die Düsen unterscheiden sich beispielsweise in ihren Durchmessern. Alternativ oder zusätzlich schließen wenigstens zwei der Öffnungen zwei voneinander unterschiedliche Winkel mit der Hauptachse der Vorkammer ein. Insbesondere ist der Winkel ein Winkel zwischen der Hauptachse und einer jeweiligen Achse der Öffnung.
Alternativ oder zusätzlich wird die tumbleförmige Strömung durch eine entsprechende Anzahl der Öffnungen und/oder eine entsprechende Verteilung der Düsen um die Hauptachse realisiert, wobei beispielsweise die Öffnungen um die Hauptachse der Vorkammer ungleichmäßig beziehungsweise unsymmetrisch oder asymmetrisch verteilt angeordnet sind.
Die Verbrennung in der Vorkammer wird durch die Tumbleströmung stabilisiert und verbessert. Dadurch wird das Arbeitsgebiet der Vorkammer vergrößert, sodass eine stabilere Entflammung bei Leerlauf und ein geringeres Vorentflammungsrisiko bei Volllast realisiert werden können. Weiterhin ergibt sich durch die bessere Verbrennung ein größerer Druckanstieg in der Vorkammer und folglich eine tiefere Fackeleindringtiefe in den Brennraum. Dadurch verbessert sich ebenfalls die Verbrennung im Hauptbrennraum. Unter der Fackeleindringtiefe ist eine Strecke oder eine Tiefe zu verstehen, die jeweilige Fackeln in die Vorkammer eindringe. Die jeweilige Fackel resultiert daraus, dass das Gemisch in der Vorkammer gezündet und in der Folge verbrannt wird.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:

1 eine schematische und geschnittene Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorkammerzündkerze für einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs;
2 eine weitere schematische und geschnittene Seitenansicht der Vorkammerzündkerze; und
3 eine schematische Darstellung der Vorkammerzündkerze gemäß einer in 2 mit A bezeichneten Ansicht.

In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 und 2 zeigen jeweils in einer schematischen und geschnittenen Seitenansicht eine Vorkammerzündkerze 10 für einen beispielsweise durch einen Zylinder gebildeten oder als Zylinder ausgebildeten Brennraum einer beispielsweise als Hubkolbenmaschine ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Kraftwagens wie beispielsweise eines Personenkraftwagens. Das Kraftfahrzeug ist mittels der Verbrennungskraftmaschine antreibbar. Die Vorkammerzündkerze 10 weist wenigstens oder genau eine Vorkammer 12 auf, deren Kontur in 1 mit 14 bezeichnet ist. Die Vorkammer 12 weist mehrere, auch als Düsen bezeichnete und als Durchgangsöffnungen ausgebildet Öffnungen 16 auf, über welche die Vorkammer 12 fluidisch mit dem Brennraum verbindbar ist. In ihrem vollständig hergestellten Zustand weist die Verbrennungskraftmaschine den zuvor genannten Brennraum und die Vorkammerzündkerze 10 auf, sodass im vollständig hergestellten Zustand der Verbrennungskraftmaschine die Vorkammerzündkerze 12 über die Öffnungen 16 fluidisch mit dem Brennraum verbunden ist. Hierdurch kann ein Kraftstoff-Luft-Gemisch aus dem Brennraum zumindest teileweise durch die Öffnungen 16 hindurch und dadurch in die Vorkammer 12 strömen, sodass zumindest in Teil des einfach auch als Gemisch bezeichneten Kraftstoff-Luft-Gemisches aus dem Brennraum und die Öffnungen 16 in die Vorkammer 12 einströmt.
Die Vorkammerzündkerze 10 weist dabei wenigstens eine oder mehrere Elektroden auf, wobei in 1 eine mit 18 bezeichnete der Elektroden der Vorkammerzündkerze 10 erkennbar ist. Die Elektrode 18 ist beispielsweise als eine Masseelektrode ausgebildet. Mittels der Elektrode 18 kann wenigstens ein Zündfunke in der Vorkammer 12 bereitgestellt werden. Mittels des Zündfunkens wird das Gemisch, welches über die Öffnungen 16 in die Vorkammer 12 eingeströmt ist, gezündet. Daraus resultieren Fackeln, die die Öffnungen 16 durchströmen und somit über die Öffnungen 16 aus der Vorkammer 12 in die Brennraum strömen. Dadurch wird beispielsweise ein weiterer, im Brennraum verbleibender Teil des Kraftstoff-Luft-Gemisches gezündet.
Um nun einen besonders vorteilhaften Betrieb der Vorkammerzündkerze 10 und somit der Verbrennungskraftmaschine insgesamt realisieren zu können, sind die Öffnungen 16 dazu ausgebildet, eine in 1 durch Pfeile dargestellte und auch als walzenförmige Strömung oder Walzenströmung bezeichnete tumbleförmige Strömung des über die Öffnungen 16 in die Vorkammer 12 einströmenden Gemisches zu bewirken. Insbesondere veranschaulichen die in 1 gezeigten Pfeile eine auch als Strömungskontur bezeichnete Kontur der tumbleförmigen Strömung.
In 2 ist mit 20 eine Hauptachse der Vorkammer 12 bezeichnet. Die Hauptachse 20 verläuft dabei in einer Ebene, um deren Ebenennormale die tumbleförmige Strömung herum verläuft. Durch die tumbelförmige Strömung kann ein auch als Schadvolumen bezeichnetes Volumen V der Vorkammer 12 besonders gering gehalten werden, sodass ein besonders großer Arbeitsbereich der Vorkammer 12 gewährleistet werden kann. In 2 sind jeweilige Achsen der jeweiligen Öffnungen 16 mit 22 bezeichnet. Die jeweilige Achse 22 fällt mit einer Durchtrittsrichtung zusammen, entlang welcher das Gemisch aus dem Brennraum durch die jeweilige Öffnung 16 hindurchströmen und somit in die Vorkammer 12 einströmen kann. Außerdem kann die jeweilige Fackel, welche aus dem Zünden des Teils des Gemisches in der Vorkammer 12 resultiert, durch die jeweilige Öffnung 16 durchströmen und somit aus der Vorkammer 12 in den Brennraum strömen. Aus 2 ist erkennbar, dass die jeweilige Achse 22 und somit die jeweilige Öffnung 16 mit der Hauptachse 20 einen Winkel α1 beziehungsweise α2 einschließt. Um beispielsweise die tumbleförmige Strömung zu bewirken, unterscheiden sich die Winkel α1 und α2.
Außerdem weist beispielsweise eine erste der Öffnungen 16 eine ersten, von dem Gemisch durchströmbaren Durchmesser auf, wobei eine zweite der Öffnungen 16 einen von dem ersten Durchmesser unterschiedlichen zweiten, von dem Gemisch durchströmbaren Durchmesser aufweist. Somit sind beispielsweise unterschiedliche Durchmesser der Düsen und/oder unterschiedliche Winkel α1 und α2 vorgesehen.
Aus 3 ist erkennbar, dass alternativ oder zusätzlich vorgesehen sein kann, dass die Öffnungen 16 um die Hauptachse 20 herum ungleichmäßig beziehungsweise asymmetrisch verteilt angeordnet sein können. Die tumbleförmige Strömung wird somit beispielsweise durch die unterschiedlichen Durchmesser und/oder durch die unterschiedlichen Winkel α1 und α2 und/oder um die Verteilung der Öffnungen 16 um die Hauptachse 20 herum und/oder durch eine entsprechende Anzahl der Öffnungen 16 bewirkt. In 3 ist mit β ein Winkel bezeichnet, den beispielsweise zwei der Achsen 22 miteinander einschließen.
Bezugszeichenliste

10: Vorkammerzündkerze
12: Vorkammer
14: Kontur
16: Öffnungen
18: Elektrode
20: Hauptachse
22: Achse
α1,α2: Winkel
β: Winkel
V: Volumen

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 2916285 A1 [0002]
JP 2010096089 A [0003]

Claims

Vorkammerzündkerze (10) für einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine, mit einer mehrere Öffnungen (16) aufweisenden Vorkammer (12), welche mit dem Brennraum über die Öffnungen (16) fluidisch verbindbar ist, über die ein Kraftstoff-Luft-Gemisch aus dem Brennraum in die Vorkammer (12) einleitbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (16) dazu ausgebildet sind, eine tumbleförmige Strömung des über die Öffnungen (16) in die Vorkammer (12) einströmenden Kraftstoff-Luft-Gemisches zu bewirken.
Vorkammerzündkerze (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei der Öffnungen (16) voneinander unterschiedliche, von dem Kraftstoff-Luft-Gemisch durchströmbare Durchmesser aufweisen.
Vorkammerzündkerze (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei der Öffnungen (16) voneinander unterschiedliche Winkel (α1, α2) mit einer Hauptachse (20) der Vorkammer (12) einschließen.
Vorkammerzündkerze (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (16) der Vorkammer (12) um deren Hauptachse (20) herum asymmetrisch verteilt angeordnet sind.