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Die Erfindung betrifft eine Zündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine, eine Vorkammeranordnung mit einer solchen Zündeinrichtung, und eine Brennkraftmaschine mit einer solchen Vorkammeranordnung.
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Aus dem US-Patent
US 9,151,212 B2 ist eine Zündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine bekannt, die eingerichtet ist, um ein Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch in einer Vorkammer der Brennkraftmaschine zu entflammen. Die Zündeinrichtung weist dabei eine bestimmungsgemäß in Richtung eines Vorkammervolumens der Vorkammer weisende und die Vorkammer bereichsweise begrenzende Stirnseite auf. Von der Stirnseite - in Axialrichtung der Zündeinrichtung gesehen - beabstandet mündet ein Zuführkanal in die Vorkammer, über den der Vorkammer ein Brennstoff zuführbar ist. Dabei ist gemäß einer Ausgestaltung eine zusätzliche Mündungsbohrung vorgesehen, die einen Teilstrom des Brennstoffs in Richtung einer Elektrode der Zündeinrichtung austreten lässt, wobei gemäß einer anderen Ausgestaltung auf eine solche zusätzliche Mündungsbohrung verzichtet werden kann, da ein entsprechender Teilstrom durch ein unterhalb einer Mündung in der Vorkammer angeordnetes Leitelement in Richtung der Elektrode umgeleitet wird, indem der aus der Mündung austretende Brennstoffstrom auf das Leitelement auftrifft und von diesem in zwei Teilströme aufgespalten und umgelenkt wird. Die Zusatzbohrung einerseits und das Leitelement andererseits sind Bestandteile der Vorkammer. Die Stirnseite der Zündeinrichtung ist in Axialrichtung so weit von der Mündung des Zuführkanals beabstandet, dass sie nicht zum Strömungsverhalten des durch den Zuführkanal einströmenden Brennstoffs beitragen kann. Mit dieser Ausgestaltung kann nicht unter allen Umständen - insbesondere nicht bei niedrigen Lasten mit geringen Spülgasmassen, die der Vorkammer über den Zuführkanal zugeführt werden - gewährleistet werden, dass hinreichend viel Brennstoff an einen Zündort der Zündeinrichtung, hier insbesondere in einen Elektrodenspalt, geleitet werden. Somit drohen insbesondere bei niedrigen Lasten Zündaussetzer. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass bei elektrischen Funkenzündkerzen typischerweise die Lage eines Zündhakens relativ zu der Mündung des Zuführkanals einen großen Einfluss auf die Spülung der Vorkammer hat. Es ist jedoch aufwändig und häufig nur schwer reproduzierbar möglich, den Zündhaken stets in einer optimalen Position relativ zu der Mündung zu positionieren. Insgesamt erweist es sich bei bekannten Zündeinrichtungen als schwierig, eine Brennstoffmasse präzise und mit hinreichend definierter Verteilung in die Vorkammer einzubringen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine, eine Vorkammeranordnung für eine Brennkraftmaschine mit einer solchen Zündeinrichtung und eine Brennkraftmaschine mit einer solchen Vorkammeranordnung zu schaffen, wobei die genannten Nachteile vermieden werden.
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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 Zündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine derart weitergebildet wird, dass an der Stirnseite außermittig entlang einer gedachten Umfangslinie zumindest bereichsweise eine in Axialrichtung vorspringende, konvexe Strömungsleitstruktur angeordnet ist. Auf diese Weise kann die Stirnseite der Zündeinrichtung die Strömung des in die Vorkammer eingebrachten Brennstoffs aktiv beeinflussen und insbesondere - selbst bei geringen Brennstoffmassen unter niedriger Last - einen ausreichenden Anteil des Brennstoffmassenstroms an einen Zündort der Zündeinrichtung leiten, sodass eine sichere Zündung und eine hohe Stabilität gegen insbesondere zyklische Schwankungen im Zündverhalten der Zündeinrichtung erreicht wird. Dabei ist die konvexe Strömungsleitstruktur so ausgebildet, dass der durch den Zuführkanal zuströmende Brennstoffmassenstrom der Kontur der Strömungsleitstruktur folgt und somit in Richtung des Zündorts gelenkt wird. Dabei wird insbesondere der sogenannte Coanda-Effekt ausgenutzt, aufgrund dessen sich ein Gasstrahl an eine Kontur anlegt und ihr bis zu einem bestimmten Punkt folgt, an dem die Strömung abreißt. Auf diese Weise kann der Brennstoffmassenstrom mittels der an der Stirnseite der Zündeinrichtung vorgesehenen, konvexen Strömungsleitstruktur effizienter in den Bereich des Zündorts geleitet werden, als dies mit einer Zusatzbohrung oder einem unterhalb oder stromabwärts der Mündung des Zuführkanals angeordneten Leitelement möglich ist.
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Die Zündeinrichtung kann grundsätzlich auf verschiedene Weise ausgebildet sein, insbesondere als elektrische Funkenzündkerze, aber auch als Plasma-Zündkerze, als Laser-Zündkerze, als Corona-Zündkerze, als Glühkerze oder Glühstift, oder auch in anderer geeigneter Weise, sodass ein Entflammen eines Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemischs in der Vorkammer mittels der Zündeinrichtung möglich ist. Jede der hier genannten Zündeinrichtungen besitzt einen bestimmten räumlichen Bereich, in dem die initiale Entflammung des Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemischs zumindest hauptsächlich oder ausschließlich stattfindet, wobei dieser Bereich hier als „Zündort“ bezeichnet wird. Um eine stabile Zündung des Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemischs auch bei niedriger Last und somit geringer Brennstoffmasse zu ermöglichen, ist es wichtig, dass ein hinreichender Anteil der Brennstoffmasse, welche der Vorkammer insgesamt zugeführt wird, oder eine hinreichende absolute Brennstoffmasse, im Bereich des Zündorts angeordnet wird. Insbesondere dies kann mittels der hier vorgeschlagenen konvexen Strömungsleitstruktur gewährleistet werden.
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Unter einer Axialrichtung der Zündeinrichtung wird eine Richtung verstanden, die sich entlang einer Längsachse der Zündeinrichtung erstreckt. Die Längsrichtung entspricht dabei insbesondere einer Richtung der längsten Erstreckung der Zündeinrichtung, und/oder einer Richtung einer Symmetrieachse der zumindest im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildeten Zündeinrichtung. Eine radiale Richtung steht senkrecht auf der Axialrichtung. Eine Umfangsrichtung umgreift die Axialrichtung konzentrisch.
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Dass die konvexe Strömungsleitstruktur an der Stirnseite außermittig angeordnet ist, bedeutet insbesondere, dass die konvexe Strömungsleitstruktur aus einem Zentrum der Zündeinrichtung in radialer Richtung nach außen heraus versetzt, mithin in einem endlichen radialen Abstand zu dem Zentrum angeordnet ist. Entsprechend erstreckt sich auch die gedachte Umfangslinie in einem endlichen radialen Abstand zu dem Zentrum um die Längs- und/oder Symmetrieachse der Zündeinrichtung herum. Das Zentrum der Zündeinrichtung ist durch die Lage der Längs- und/oder Symmetrieachse definiert.
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Dass die Strömungsleitstruktur konvex ausgebildet ist, bedeutet insbesondere, dass sie von der Stirnseite ausgehend in Richtung des Vorkammervolumens gewölbt ist. Es handelt sich geometrisch also insbesondere um eine Ausbuchtung der Stirnseite in das Vorkammervolumen hinein.
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Es ist möglich, dass die Zündeinrichtung als Vorkammer-Zündkerze ausgebildet ist, wobei die Vorkammer mit der Zündeinrichtung integral ausgebildet ist, oder wobei die Vorkammer Teil der Zündeinrichtung ist. Eine solche Vorkammer-Zündkerze ist dann insbesondere eingerichtet, um an einem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine angeordnet zu werden, der selbst keine Vorkammer aufweist. Die Vorkammer wird also durch die Zündeinrichtung bereitgestellt. Besonders bevorzugt ist die hier vorgeschlagene Zündeinrichtung allerdings eingerichtet, um in einer unabhängig von der Zündeinrichtung bereitgestellten Vorkammer angeordnet zu werden. Besonders bevorzugt ist die Zündeinrichtung eingerichtet, um in eine solche Vorkammer eingeschraubt zu werden. In diesem Fall wird die Vorkammer bevorzugt durch einen Zylinderkopf der Brennkraftmaschine bereitgestellt oder ist in dem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine ausgebildet. Bei einer solchen Konstruktion ist es in besonders einfacher Weise möglich, den Zuführkanal zum Zuführen von Brennstoff in die Vorkammer bereitzustellen.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die konvexe Strömungsleitstruktur in einer Längsschnittebene, in der die Längsachse der Zündeinrichtung liegt, eine gekrümmte Außenlinie aufweist. Die Außenlinie der konvexen Strömungsleitstruktur ist dabei die Begrenzungslinie, welche die konvexe Strömungsleitstruktur in Richtung des Vorkammervolumens begrenzt. Mittels einer solchen gekrümmten Außenlinie lässt sich in besonders vorteilhafter Weise ein Anlegen des Brennstoffmassenstroms an die konvexe Strömungsleitstruktur erreichen.
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Vorzugsweise ist die Krümmung der gekrümmten Außenlinie in einem radial inneren Bereich der Strömungsleitstruktur größer als in einem radial äußeren Bereich der Strömungsleitstruktur. Unter einem radial inneren Bereich wird dabei ein Bereich verstanden, der - in radialer Richtung - näher an dem Zentrum der Zündeinrichtung angeordnet ist, als ein radial äußerer Bereich, wobei der radial äußere Bereich - in radialer Richtung - weiter von dem Zentrum entfernt angeordnet ist als der radial innere Bereich. Ist die Krümmung der Außenlinie in dem radial inneren Bereich größer als in dem radial äußeren Bereich, ermöglicht dies in vorteilhafter Weise ein Anlegen des Brennstoffmassenstroms an die konvexe Strömungsleitstruktur in dem radial äußeren Bereich, und einen definierten Strömungsabriss im Bereich der vergrößerten Krümmung in dem radial inneren Bereich, sodass der Brenngasmassenstrom effizient an den Zündort geführt werden kann.
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Es ist erfindungsgemäß bevorzugt möglich, dass sich die Krümmung der Außenlinie von dem radial äußeren Bereich in den radial inneren Bereich stetig oder kontinuierlich vergrößert. Es ist aber auch erfindungsgemäß bevorzugt möglich, dass sich die Krümmung diskret, insbesondere in wenigstens einer Stufe, verändert. Besonders bevorzugt ist genau eine diskrete oder diskontinuierliche Änderung der Krümmung an einem bestimmten Punkt der gekrümmten Außenlinie zwischen dem radial äußeren Bereich und dem radial inneren Bereich vorgesehen.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die gekrümmte Außenlinie wenigstens zwei Kreisbogenlinien umfasst oder aus wenigstens zwei Kreisbogenlinien besteht. Die wenigstens zwei Kreisbogenlinien schließen vorzugsweise - insbesondere unmittelbar - aneinander an. Besonders bevorzugt besteht die gekrümmte Außenlinie aus genau zwei unmittelbar aneinander anschließenden Kreisbogenlinien. Dies stellt eine besonders einfache und einfach zu fertigende Ausgestaltung der konvexen Strömungsleitstruktur dar.
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Vorzugsweise weist eine erste, radial äußere Kreisbogenlinie der mindestens zwei Kreisbogenlinien einen ersten Radius auf, wobei eine zweite, radial innere Kreisbogenlinie der wenigstens zwei Kreisbogenlinien einen zweiten, von dem ersten Radius verschiedenen Radius aufweist. Der jeweilige Radius der Kreisbogenlinie ist insbesondere ein Krümmungsradius der Außenlinie in dem Bereich der jeweiligen Kreisbogenlinie. Auf diese Weise kann in besonders einfacher und zugleich effektiver Weise eine verschiedene Krümmung der Außenlinie einerseits in dem radial inneren Bereich und andererseits in dem radial äußeren Bereich gewährleistet werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Radius der ersten, radial äußeren Kreisbogenlinie größer ist als der zweite Radius der zweiten, radial inneren Kreisbogenlinie. Somit ist die Krümmung der Außenlinie in dem radial inneren Bereich größer als in dem radial äußeren Bereich.
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Unter einer „größeren Krümmung“ wird ein kleinerer Krümmungsradius verstanden. Entsprechend wird unter einer „kleineren Krümmung“ oder „geringeren Krümmung“ ein größerer Krümmungsradius verstanden. Die Krümmung ist also umso stärker ausgeprägt, mithin umso größer, je kleiner der Krümmungsradius ist.
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Besonders bevorzugt beträgt ein erster Radienquotient, der gebildet ist aus dem zweiten Radius dividiert durch den ersten Radius, von mindestens 0,3 bis höchstens 0,36, vorzugsweise 0,33, vorzugsweise 1/3. Diese Wahl des ersten Radienquotienten hat sich als besonders günstig und wirksam in Hinblick auf den zu erzielenden Coanda-Effekt erwiesen. Dabei legt sich die Brennstoffströmung in dem radial äußeren Bereich sicher an die konvexe Strömungsleitstruktur an, während sie in dem radial inneren Bereich sicher abgelöst wird und so zu dem Zündort gelangt.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass sich die konvexe Strömungsleitstruktur entlang einer in Umfangsrichtung verlaufenden, gedachten Umfangs-Kreisbogenlinie erstreckt, wobei ein stirnseitiger Endpunkt der ersten Kreisbogenlinie der gekrümmten Außenlinie auf der gedachten Umfangs-Kreisbogenlinie angeordnet ist, und wobei ein zweiter Radienquotient, der gebildet ist aus dem ersten Radius der ersten, radial äußeren Kreisbogenlinie dividiert durch einen Radius der gedachten Umfangs-Kreisbogenlinie, von mindestens 0,4 bis höchstens 0,6, vorzugsweise 0,5, vorzugsweise 5/9 beträgt. Auch dies hat sich als besonders günstig in Hinblick auf den zu erzielenden Coanda-Effekt erwiesen.
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Die gedachte Umfangs-Kreisbogenlinie erstreckt sich dabei in einer gedachten Ebene, die parallel zu der Stirnseite oder an der Stirnseite der Zündeinrichtung angeordnet ist, wobei sie insbesondere mit der Stirnseite zusammenfallen kann. Die erste Kreisbogenlinie erstreckt sich demgegenüber in der bereits erwähnten Längsschnittebene, also in einer Ebene, die senkrecht zu der Stirnseite und somit auch senkrecht zu der Ebene orientiert ist, in der sich die gedachte Umfangs- Kreisbogenlinie erstreckt. Entsprechend werden auch der erste Radius einerseits und der Radius der gedachten Umfangs-Kreisbogenlinie andererseits in verschiedenen, insbesondere aufeinander senkrecht stehenden Ebenen gemessen.
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Unter einem stirnseitigen Endpunkt der ersten Kreisbogenlinie wird ein Punkt verstanden, an dem die erste Kreisbogenlinie an der Stirnseite oder im Bereich der Stirnseite, insbesondere axial relativ zu der Stirnseite versetzt, beginnt, wobei die erste Kreisbogenlinie durch einen weiteren, der Stirnseite abgewandten Endpunkt begrenzt ist, in dem die erste Kreisbogenlinie in die zweite Kreisbogenlinie übergeht, beziehungsweise an dem die erste Kreisbogenlinie und die zweite Kreisbogenlinie aneinandergrenzen. Dieser weitere Endpunkt ist insbesondere derjenige Punkt, an dem sich die Krümmung der Außenlinie, also deren zweite Ableitung, unstetig ändert. Die erste Kreisbogenlinie weist zwischen dem stirnseitigen Endpunkt einerseits und dem weiteren Endpunkt andererseits einen konstanten Krümmungsradius, nämlich den ersten Radius auf.
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Es ist möglich, dass der stirnseitige Endpunkt der ersten Kreisbogenlinie genau auf der Stirnseite liegt. Es ist aber auch möglich, dass er von der Stirnseite beabstandet ist. In diesem Fall weist die Außenlinie vorzugsweise einen weiteren Außenlinienabschnitt auf, der die Stirnseite mit dem stirnseitigen Endpunkt der ersten Kreisbogenlinie verbindet. Dieser kann eine endliche, von der Krümmung der ersten Kreisbogenlinie verschiedene Krümmung aufweisen, oder aber auch gerade, das heißt mit verschwindender Krümmung, verlaufen. In jedem Fall schließt er aber vorzugsweise stetig - und bevorzugt auch differenzierbar - in dem stirnseitigen Endpunkt an die erste Kreisbogenlinie an.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass sich die Strömungsleitstruktur entlang einer geschlossenen Umfangslinie an der Stirnseite erstreckt. Dies bedeutet insbesondere, dass die Strömungsleitstruktur die Längs- und/oder Symmetrieachse der Zündeinrichtung an der Stirnseite entlang des gesamten Umfangs umgreift. Besonders bevorzugt ist die Strömungsleitstruktur rotationssymmetrisch um die Längs- und/oder Symmetrieachse der Zündeinrichtung ausgebildet. Dies ist besonders vorteilhaft, weil so eine Drehlage der Zündeinrichtung um die Längs- und/oder Symmetrieachse relativ zu der Vorkammer und insbesondere relativ zu dem Zuführkanal irrelevant ist, sodass die Zündeinrichtung besonders einfach und sicher montiert werden kann, ohne dass negative Auswirkungen auf das Zündverhalten in der Vorkammer zu befürchten sind.
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Dabei ist es möglich, dass die Rotationssymmetrie der Zündeinrichtung bereichsweise durch einen Zündhaken gebrochen wird. Ein in die Strömungsleitstruktur übergehendes Fußende des Zündhakens ist aber bevorzugt so ausgebildet, dass der Zündhaken quasi bündig oder nahtlos - insbesondere entlang einer stetigen und vorzugsweise differenzierbaren Kontur - in die Strömungsleitstruktur übergeht, sodass zumindest die Außenlinie der Strömungsleitstruktur auch im Bereich des Zündhakens so ausgebildet ist wie überall sonst entlang der geschlossenen Umfangslinie, sodass insoweit eine Rotationssymmetrie trotz des Zündhakens besteht. Dies gewährleistet zudem, dass auch der Zündhaken in günstiger Weise von einem durch den Zuführkanal zuströmenden Brennstoffmassenstrom umströmt wird, sodass der Brennstoffmassenstrom an den Zündort geleitet wird, selbst wenn der Zündhaken im Bereich der Mündung des Zuführkanals angeordnet sein sollte.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Zündeinrichtung als elektrische Funkenzündkerze ausgebildet ist, wobei die Strömungsleitstruktur durch eine Massenelektrode der Zündeinrichtung gebildet ist. Besonders bevorzugt ist die Massenelektrode die Strömungsleitstruktur, oder die Strömungsleitstruktur ist die Massenelektrode der Zündeinrichtung. Dies stellt eine besonders einfache und zugleich effektive Ausgestaltung der Zündeinrichtung und der Strömungsleitstruktur dar.
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Vorzugsweise erstreckt sich wenigstens ein Zündhaken ausgehend von der Strömungsleitstruktur in radialer Richtung in das Zentrum der Zündeinrichtung. Der Zündhaken ist dabei insbesondere Teil der Massenelektrode der Zündeinrichtung. Bevorzugt ist der wenigstens eine Zündhaken so ausgebildet, wie dies zuvor in Zusammenhang mit der sich entlang der geschlossenen Umfangslinie, insbesondere rotationssymmetrisch, erstreckenden Strömungsleitstruktur erläutert wurde.
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Es ist möglich, dass die Zündeinrichtung mehr als einen Zündhaken aufweist. Insbesondere können bevorzugt mehrere Zündhaken in gleichen Winkelabständen voneinander, das heißt mit n-zähliger Drehsymmetrie, entlang einer Umfangslinie, entlang derer sich die Strömungsleitstruktur erstreckt, angeordnet sein.
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Die Aufgabe wird auch gelöst, indem eine Vorkammeranordnung für eine Brennkraftmaschine geschaffen wird, welche eine erfindungsgemäße Zündeinrichtung oder eine Zündeinrichtung nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele aufweist. Einer Vorkammer der Vorkammeranordnung ist ein Zuführkanal zugeordnet, durch den der Vorkammer ein Brennstoff zugeführt werden kann. Die Strömungsleitstruktur der Zündeinrichtung ist dabei im Bereich einer Mündung des Zuführkanals in die Vorkammer angeordnet. Auf diese Weise kann eine effiziente Strömungsleitung eines durch den Zuführkanal einströmenden Brennstoffmassenstroms mittels der Strömungsleitstruktur in den Bereich eines Zündorts der Zündeinrichtung gewährleistet werden. In Zusammenhang mit der Vorkammeranordnung ergeben sich im Übrigen insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit der Zündeinrichtung erläutert wurden.
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Der Zuführkanal ist insbesondere von einem Hauptbrennraum der Brennkraftmaschine strömungstechnisch beabstandet, insbesondere von dem Hauptbrennraum durch die Vorkammer strömungstechnisch getrennt. Bei dem Zuführkanal handelt es sich also insbesondere nicht um eine Übertrittsbohrung von der Vorkammer in den Hauptbrennraum, sondern vielmehr um einen Spülkanal, mittels dessen eine separate Brennstoffversorgung für die Vorkammer realisiert werden kann, wobei diese separate Brennstoffversorgung insbesondere unabhängig von einer Brennstoffversorgung für den Hauptbrennraum ist. Bei der Vorkammer handelt es sich entsprechend insbesondere um eine gespülte Vorkammer.
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Es ist möglich, dass der Vorkammer durch den Zuführkanal ein reiner Brennstoff, insbesondere ein reines Brenngas, zuführbar ist. Alternativ ist es aber auch möglich, dass der Vorkammer über den Zuführkanal ein Brennstoff-Verbrennungsluft-Gemisch, insbesondere ein Brenngas-Verbrennungsluft-Gemisch, zuführbar ist. In letzterem Fall handelt es sich bei der Vorkammer um eine gemischgespülte Vorkammer. Unter einem Brenngas wird ein brennbarer Stoff oder ein brennbares Stoffgemisch verstanden, der/das unter Normalbedingungen, das heißt insbesondere bei 25 °C und 1013 mbar, gasförmig ist. Bei dem Brenngas kann es sich insbesondere um ein methanhaltiges Brenngas, beispielsweise um Methan, um Erdgas, CNG (Compressed Natural Gas), LNG (Liquefied Natural Gas), Biogas, Deponiegas, Kokereigas, Schwachgas, ein Sondergas, oder ein anderes geeignetes Gas handeln.
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Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die konvexe Strömungsleitstruktur der Zündeinrichtung an der Mündung des Zuführkanals, insbesondere in Axialrichtung auf Höhe der Mündung des Zuführkanals, angeordnet ist. Insbesondere auf diese Weise lässt sich der zuvor beschriebene Coanda-Effekt sehr effizient erzielen. Die Mündung des Zuführkanals ist bevorzugt radial außerhalb der konvexen Strömungsleitstruktur angeordnet, das heißt in einem größeren radialen Abstand vom Zentrum der Zündeinrichtung als die Strömungsleitstruktur.
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Der Zuführkanal ist bevorzugt als Schrägkanal ausgebildet, der in einer Längsschnittebene einen endlichen, mithin von 0° und bevorzugt auch von 90° verschiedenen, insbesondere spitzen Winkel mit der Längs- und/oder Symmetrieachse der Zündeinrichtung einschließt. Besonders bevorzugt ist der Zuführkanal parallel oder fluchtend zu einem äußeren Bereich der Außenlinie, insbesondere mit der ersten Kreisbogenlinie, der Zündeinrichtung ausgerichtet. Auf diese Weise ist die den Zuführkanal im Bereich der Mündung verlassende Brennstoffströmung optimal in Hinblick auf eine Anlage an die konvexe Strömungsleitstruktur ausgerichtet, sodass der zuvor beschriebene Coanda-Effekt sicher erzielt wird.
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Vorzugsweise weist die Vorkammeranordnung die Zündeinrichtung einerseits und die Vorkammer andererseits separat voneinander auf. Besonders bevorzugt ist die Zündeinrichtung in die Vorkammer eingesetzt, insbesondere in die Vorkammer eingeschraubt. Die Vorkammer selbst kann dabei bevorzugt in einem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine ausgebildet sein.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Zuführkanal als seitlicher Stichkanal, besonders bevorzugt als Flachkanal oder als Bohrung, insbesondere in dem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine, ausgebildet ist. Bevorzugt wird ein Strahlimpuls des durch den Zuführkanal zugeführten Brennstoffmassenstroms nicht zu groß gewählt, sodass sich die Brennstoffmassenströmung nicht zu früh von der konvexen Strömungsleitstruktur ablöst, sondern vielmehr sicher bis zu einem vorbestimmten Ablösepunkt geführt wird und von dort an dem Zündort der Zündeinrichtung gelangt.
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Die Aufgabe wird schließlich auch gelöst, indem eine Brennkraftmaschine geschaffen wird, die wenigstens einen Brennraum aufweist, wobei der wenigstens eine Brennraum einen Hauptbrennraum einerseits und eine Vorkammeranordnung nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele andererseits aufweist. In Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine verwirklichen sich insbesondere die bereits in Zusammenhang mit der Zündeinrichtung einerseits und der Vorkammeranordnung andererseits beschriebenen Vorteile.
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Die Vorkammer der Vorkammeranordnung ist mit dem Hauptbrennraum bevorzugt über wenigstens eine Übertrittsbohrung strömungstechnisch verbunden.
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Besonders bevorzugt weist die Brennkraftmaschine eine Mehrzahl von Brennräumen auf, insbesondere 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18 oder 20 Brennräume. Es sind aber auch andere Anzahlen von Brennräumen möglich. Die Brennräume sind bevorzugt zumindest insoweit identisch ausgebildet, als jedem Brennraum eine entsprechende Vorkammeranordnung der zuvor beschriebenen Art zugeordnet ist.
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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, besonders bevorzugt 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 Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Längsschnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer Vorkammeranordnung;
- 2 eine Detaildarstellung einer stirnseitigen Ansicht einer Zündeinrichtung der Vorkammeranordnung gemäß 1, und
- 3 eine Detail-Längsschnittdarstellung der Zündeinrichtung gemäß 2.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Vorkammeranordnung 1 für eine Brennkraftmaschine 3 im Längsschnitt. Die Vorkammeranordnung 1 weist eine Zündeinrichtung 5 auf. Außerdem ist einer Vorkammer 7 der Vorkammeranordnung 1 ein Zuführkanal 9 zugeordnet, durch den der Vorkammer 7 ein Brennstoff, insbesondere ein Brenngas, gegebenenfalls in Form eines Brennstoff-Verbrennungsluft-Gemischs, zuführbar ist. Der Zuführkanal 9 mündet im Bereich einer Mündung 11 in die Vorkammer 7.
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Vorzugsweise ist in dem Zuführkanal 9 eine hier nicht dargestellte Ventileinrichtung angeordnet, durch welche der Zuführkanal 9 einerseits gesperrt und andererseits freigegeben werden kann, sodass der Vorkammer 7 zu bestimmten, definierten Zeitpunkten Brennstoff über den Zuführkanal 9 zugeführt werden kann.
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Die Zündeinrichtung 5 ist eingerichtet zum Entflammen eines Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemischs in einem Vorkammervolumen 13 der Vorkammer 7. Die Zündeinrichtung 5 weist eine in Richtung des Vorkammervolumens 13 weisende und die Vorkammer 7 bereichsweise begrenzende Stirnseite 15 auf. Dabei ist an der Stirnseite 15 außermittig, das heißt radial außerhalb einer Längsachse L der Zündeinrichtung 5, entlang einer gedachten Umfangslinie eine in Axialrichtung, das heißt in Richtung der Längsachse L, vorspringende, konvexe Strömungsleitstruktur 17 angeordnet. Mittels dieser Strömungsleitstruktur 17 ist es möglich, einen durch die Mündung 11 einströmenden Brennstoffmassenstrom zumindest teilweise zu einem Zündort 19 der Zündeinrichtung 5 zu leiten, wobei sich der Brennstoffmassenstrom zumindest teilweise an die konvexe Strömungsleitstruktur 17 - durch den Coanda-Effekt - anlegt, wobei er an einem bestimmten Punkt von der Strömungsleitstruktur 17 abgelöst wird und zu dem Zündort 19 gelangt. Auf diese Weise kann eine sehr robuste und insbesondere gegenüber zyklischen Schwankungen stabile Vorkammerverbrennung gewährleistet werden, wobei insbesondere eine bessere Stabilität bei niedrigen Lasten und damit geringen Brennstoff-Spülmassen in der Vorkammer 7 erreicht wird.
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Die Zündeinrichtung 5 ist hier insbesondere als elektrische Funkenzündkerze ausgebildet, wobei die Strömungsleitstruktur 17 durch eine Massenelektrode 21 der Zündeinrichtung 5 gebildet ist. Die Massenelektrode 21 weist einen Zündhaken 23 auf, der gemeinsam mit einer zentral angeordneten Gegenelektrode 25 einen Zündspalt 27 begrenzt, wobei der Zündort 19 hier durch den Zündspalt 27 gegeben ist.
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Die konvexe Strömungsleitstruktur 17 ist hier insbesondere an der Mündung 11, insbesondere axial auf Höhe der Mündung 11 angeordnet, wobei die Mündung 11 radial außerhalb der Strömungsleitstruktur 17 angeordnet ist.
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Der Zuführkanal 9 ist vorzugsweise als seitlicher Stichkanal, insbesondere als Flachkanal oder als Bohrung, ausgebildet.
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Die Brennkraftmaschine 3 weist insbesondere einen Brennraum 29 auf, wobei der wenigstens eine Brennraum 29 einen Hauptbrennraum 31 einerseits und die Vorkammeranordnung 1 sowie die Vorkammer 7 andererseits aufweist. Die Vorkammer 7 ist über wenigstens eine Übertrittsbohrung 33 mit dem Hauptbrennraum 31 strömungstechnisch verbunden.
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Die Zündeinrichtung 1 ist hier insbesondere separat von der Vorkammer 7 ausgebildet und in diese eingesetzt, insbesondere in die Vorkammer 7 eingeschraubt. Die Vorkammer 7 ist bevorzugt Teil eines hier nicht dargestellten Zylinderkopfs der Brennkraftmaschine 3.
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2 zeigt eine stirnseitige Detailansicht der Zündeinrichtung 1. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Anhand von 2 wird deutlich, dass sich die Strömungsleitstruktur 17 bevorzugt entlang einer in Umfangsrichtung verlaufenden gedachten Umfangs-Kreisbogenlinie, insbesondere entlang einer geschlossenen Umfangslinie, an der Stirnseite 15 erstreckt. Besonders bevorzugt ist sie rotationssymmetrisch um die Längsachse L der Zündeinrichtung 5 ausgebildet - hier bis auf den Zündhaken 23, der die Rotationssymmetrie bereichsweise bricht, jedoch mit einem Fußende 35 bündig, vorzugsweise nahtlos, in die Strömungsleitstruktur 17 übergeht. Der Zündhaken 23 erstreckt sich dabei insbesondere ausgehend von der Strömungsleitstruktur 17 in radialer Richtung in das durch die Längsachse L definierte Zentrum der Zündeinrichtung 1 hinein. Es ist möglich, dass die Zündeinrichtung 1 bei einem hier nicht dargestellten Ausführungsbeispiel eine Mehrzahl solcher Zündhaken 23 aufweist.
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3 zeigt eine Detail-Längsschnittansicht der Zündeinrichtung 5 gemäß 2. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Anhand von 3 wird deutlich, dass die konvexe Strömungsleitstruktur 17 in der hier dargestellten Längsschnittebene eine gekrümmte Außenlinie 37 aufweist. Dabei ist deren Krümmung in einem radial inneren Bereich 39 größer als in einem radial äußeren Bereich 41.
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Insbesondere weist die Außenlinie 37 bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel zwei unmittelbar aneinander anschließende Kreisbogenlinien auf, nämlich einer ersten, äußeren Kreisbogenlinie 43 und einer zweiten, inneren Kreisbogenlinie 45. Die erste Kreisbogenlinie 43 weist einen ersten Radius R1 auf, und die zweite Kreisbogenlinie 45 weist einen zweiten Radius R2 auf. Dabei ist der erste Radius R1 größer als der zweite Radius R2. Insbesondere beträgt ein erster Radienquotient R2/R1 von mindestens 0,3 bis höchstens 0,36, vorzugsweise 0,33, besonders bevorzugt 1/3.
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Die Strömungsleitstruktur 17 erstreckt sich - wie bereits ausgeführt - entlang einer in Umfangsrichtung verlaufenden, gedachten Umfangs-Kreisbogenlinie, die hier in einer Ebene liegt, die senkrecht auf der Bildebene von 3 steht. Ein stirnseitiger Endpunkt P1 der ersten Kreisbogenlinie 43 ist dabei auf dieser gedachten Umfangskreisbogenlinie angeordnet, wobei die gedachte Umfangs-Kreisbogenlinie einen dritten Radius R3 aufweist. Ein zweiter Radienquotient R1/R3, der also gebildet ist aus dem ersten Radius R1 der ersten Kreisbogenlinie 43 dividiert durch den dritten Radius R3 der gedachten Umfangs-Kreisbogenlinie, beträgt von mindestens 0,4 bis höchstens 0,6, vorzugsweise 0,5, besonders bevorzugt 5/9.
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Die erste Kreisbogenlinie 43 ist einerseits begrenzt durch den stirnseitigen Endpunkt P1 und andererseits durch einen weiteren Endpunkt P2, in dem die erste Kreisbogenlinie 43 und die zweite Kreisbogenlinie 45 aneinander anschließen. In diesem weiteren Endpunkt P2 ändert sich auch der Krümmungsradius der Außenlinie 37 sprunghaft von dem ersten Radius R1 zu dem zweiten Radius R2. Mathematisch formuliert ändert sich demnach der Krümmungsradius in dem weiteren Endpunkt P2 unstetig.
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Der stirnseitige Endpunkt P1 ist bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel axial von der Stirnseite 15 beabstandet, wobei die Außenlinie 37 noch einen weiteren Außenlinienabschnitt 47 aufweist, der die Stirnseite 15 in der Längsschnittebene von 3 mit dem stirnseitigen Endpunkt P1 verbindet. Dabei ist dieser Außenlinienabschnitt 47 hier als Gerade ausgebildet. Er schließt vorzugsweise stetig und besonders bevorzugt auch differenzierbar in dem stirnseitigen Endpunkt P1 an die erste Kreisbogenlinie 43 an.
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In 3 ist außerdem noch schematisch mittels einer gestrichelten Linie 49 ein Strömungsverlauf der durch die Mündung 11 eintretenden Brennstoffmassenströmung dargestellt, wobei deutlich wird, dass sich diese gemäß dem Coanda-Effekt zunächst an die Strömungsleitstruktur 17 insbesondere im Bereich der ersten Kreisbogenlinie 43 anlegt, wobei sie sich im Bereich der zweiten Kreisbogenlinie 45 ablöst und so schließlich in den Bereich des Zündorts 19, hier insbesondere in den Zündspalt 27 gelangt.
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Dadurch, dass der Zündhaken 23 insbesondere in dem Bereich seines Fußendes 35 bündig in die Strömungsleitstruktur 17 übergeht, hat die relative Lage des Zündhakens 23 zu der Mündung 11 keinen großen Einfluss mehr auf die Spülung der Vorkammer 7. So können über einen weiten Bereich einer Drehlage der Zündeinrichtung 1 relativ zu der Mündung 11 gleiche Bedingungen für die Zündung in der Vorkammer hergestellt werden.
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Insgesamt ermöglichen die hier vorgeschlagene Zündeinrichtung, die Vorkammeranordnung und die Brennkraftmaschine eine robustere, stabilere Entflammung in der Vorkammer 7.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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