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Die Erfindung betrifft eine Vorkammeranordnung mit einer Vorkammer und einer Zündkerze und eine Brennkraftmaschine mit einer solchen Vorkammeranordnung.
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Eine Zündkerze einer Vorkammeranordnung der hier angesprochenen Art weist einen Gehäusekörper mit einer Mittelachse auf, wobei an einer äußeren Umfangsfläche des Gehäusekörpers bereichsweise ein Außengewinde angeordnet ist. Die Zündkerze weist außerdem eine Mittelelektrode und eine die Mittelelektrode in Umfangsrichtung umgreifende Massenelektrode auf.
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Im Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einer Vorkammer und einer solchen Zündkerze droht eine Überhitzung der Zündkerzenelektroden, also der Mittelelektrode und der Massenelektrode, wodurch die Lebensdauer der Zündkerze verkürzt wird.
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Aus
DE 39 13 665 A1 ist eine Vorkammeranordnung mit einer Vorkammer und einer Zündkerze bekannt, wobei die Zündkerze einen Gehäusekörper aufweist, der eine Mittelachse aufweist, wobei an einer äußeren Umfangsfläche des Gehäusekörpers bereichsweise ein Außengewinde angeordnet ist, wobei die Zündkerze eine Mittelelektrode und eine Massenelektrode aufweist, wobei die Zündkerze angeordnet und eingerichtet ist, um ein in der Vorkammer angeordnetes Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch zu entflammen.
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Aus
JP S60- 891 U ist eine Zündkerze mit einer Dichtfläche, die axial vom Außengewinde in Richtung eines Brennraums beanstandet ist, bekannt.
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Aus
DE 11 2013 000 207 T5 ist eine Zündkerze mit einer mittleren Elektrode bekannt, wobei die Elektrode an einer ersten distalen Endfläche endet, die um eine Mittelachse herum definiert ist.
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Aus
DE 10 2015 221 076 A1 ist eine Zuführeinrichtung zum Zuführen eines Brennstoffs in eine Vorkammer einer Brennkraftmaschine mit einer ansteuerbaren Brennstoffzuführeinrichtung bekannt.
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Aus
DE 27 31 021 A1 ist eine Verbrennungskraftmaschine bekannt, die neben der Hauptbrennkammer mit einer Hilfsbrennkammer ausgestattet ist.
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Aus der nachveröffentlichten
EP 3 460 929 A1 ist eine Zündkerze für eine Vorkammeranordnung bekannt, die eine Mittelelektrode sowie eine um die Mittelelektrode angeordnete Isolationsfläche aufweist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorkammeranordnung mit einer Zündkerze und eine Brennkraftmaschine mit einer solchen Vorkammeranordnung zu schaffen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem die vorliegende technische Lehre bereitgestellt wird, insbesondere die technische Lehre der unabhängigen Ansprüche sowie der in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung offenbarten Ausführungsformen.
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Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem eine Vorkammeranordnung geschaffen wird, die eine Vorkammer und eine Zündkerze aufweist, wobei die Zündkerze der hier angesprochenen Art dadurch weitergebildet wird, dass in einem axialen Abstand von dem Außengewinde an der Massenelektrode eine Dichtfläche angeordnet ist, die schräg zu der Mittelachse orientiert ist. Die Dichtfläche ist in axialer Richtung durch einen parallelen Wandabschnitt von dem Außengewinde beabstandet, wobei der Wandabschnitt die erste Mittelachse zylindrisch umgreift und frei ist von dem Außengewinde. Der Wandabschnitt ist radial von der Vorkammerwandung beabstandet. Dabei ist die Zündkerze angeordnet und eingerichtet, um ein in der Vorkammer angeordnetes Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch zu entflammen. Auf diese Weise wird die ansonsten üblicherweise durch einen oberhalb des Außengewindes, durch das Außengewinde von der Massenelektrode beabstandet angeordneten Dichtring bereitgestellte Dichtstelle an die Massenelektrode heran verlagert, wobei zugleich die Dichtwirkung nicht durch einen Dichtring oder dergleichen, sondern vielmehr durch die Dichtfläche selbst bereitgestellt wird, sodass die Dichtfläche in engem, insbesondere in thermischem Kontakt mit der Vorkammer ist. Auf diese Weise wird ein Wärmeübergang zwischen den Zündkerzenelektroden und der Vorkammer verbessert, sodass die von der Verbrennung in die Zündkerzenelektroden, hier insbesondere in die Massenelektrode, eingeführte Wärme sehr effizient und lokal direkt am Ort der Eintragung abgeführt werden kann. Auf diese Weise wird zumindest die Massenelektrode thermisch entlastet, und die Lebensdauer der Zündkerze ist erhöht. Durch die Schrägstellung der Dichtfläche relativ zu der Mittelachse wird eine besonders gute Dichtwirkung bei gleichzeitiger radialer Ausrichtung der Zündkerze relativ zu einer sie aufnehmenden Bohrung mit entsprechend schräger Gegendichtfläche erreicht.
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Unter einer Vorkammer wird hier insbesondere ein von einem Hauptbrennraum durch eine Vorkammerwandung abgegrenztes Brennraumvolumen, auch als Vorkammervolumen bezeichnet, verstanden, wobei das Vorkammervolumen mit einem Hauptbrennraumvolumen des Hauptbrennraums über wenigstens eine in der Vorkammerwandung ausgebildete Übertrittsbohrung, insbesondere wenigstens zwei Übertrittsbohrungen, vorzugsweise eine Mehrzahl von Übertrittsbohrungen größer als 2, strömungstechnische in Verbindung ist. Ein Brennraum der Brennkraftmaschine ist somit unterteilt in den Hauptbrennraum einerseits und das Vorkammervolumen andererseits. Eine solche Vorkammer dient der Zündverstärkung zur Entflammung eines Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemischs in dem Hauptbrennraum, insbesondere einer Entflammung eines mageren Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemischs. Dabei wird lokal in der Vorkammer ein typischerweise im Vergleich zu dem Hauptbrennraum mit Brennstoff angereichertes Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch entflammt, wobei Zündstrahlen dieses entflammten Gemischs durch die wenigstens eine Übertrittsbohrung in den Hauptbrennraum übertreten und das dort angeordnete, magerere Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch entflammen.
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Die Vorkammer kann als sogenannte gespülte Vorkammer ausgebildet sein, wobei ihr in diesem Fall eine separate Brennstoff-Zuführung zugeordnet ist, die zusätzlich zu und getrennt von einer Brennstoffzuführung zur Zuführung von Brennstoff in den Hauptbrennraum angeordnet und ausgebildet ist. Auf diese Weise ist es einfach und definiert möglich, in der Vorkammer ein mit Brennstoff angereichertes Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch im Vergleich zu einem in dem Hauptbrennraum vorliegenden Gemischs zu erzeugen. Die Vorkammer kann aber auch als ungespülte Vorkammer ausgebildet sein, wobei in diesem Fall Brennstoff oder ein Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch lediglich in einem Kompressionstakt des Brennraums aus dem Hauptbrennraum über die wenigstens eine Übertrittsbohrung in das Vorkammervolumen eingebracht wird.
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Vorzugsweise ist die Vorkammer bereichsweise durch ein Kerzenrohr begrenzt, wobei die Zündkerze mit dem Außengewinde in das Kerzenrohr einschraubbar ist. Alternativ oder zusätzlich ist die Vorkammer bevorzugt zumindest bereichsweise durch einen Zylinderkopf der Brennkraftmaschine begrenzt, wobei es möglich ist, dass die Zündkerze mit dem Außengewinde in ein Innengewinde des Zylinderkopfs einschraubbar ist. Es ist auch möglich, dass die Vorkammer bereichsweise durch den Zylinderkopf und bereichsweise durch ein Kerzenrohr begrenzt ist.
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Die Mittelachse ist hier insbesondere eine Längsachse des Gehäusekörpers, insbesondere eine Achse längster Erstreckung des Gehäusekörpers und/oder eine Symmetrieachse des Gehäusekörpers. Eine Axialrichtung erstreckt sich parallel zu der Mittelachse, eine Umfangsrichtung umgreift die Mittelachse konzentrisch, und eine radiale Richtung steht senkrecht auf der Mittelachse.
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Das Außengewinde ist insbesondere in einem axialen Gewindeabschnitt der äußeren Umfangsfläche des Gehäusekörpers vorgesehen. In zumindest einem anderen axialen Abschnitt ist die äußere Umfangsfläche frei von dem Außengewinde.
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Dass die Dichtfläche von dem Außengewinde in Axialrichtung beabstandet ist, bedeutet insbesondere, dass zwischen der Dichtfläche und dem Außengewinde ein axialer Abschnitt der äußeren Umfangsfläche angeordnet ist, der frei von dem Außengewinde ist. Die Dichtfläche schließt sich also nicht unmittelbar an das Außengewinde an und ist insbesondere nicht Teil des Außengewindes.
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Dass die Dichtfläche schräg zu der Mittelachse orientiert ist, bedeutet insbesondere, dass ein Normalenvektor der Dichtfläche mit der Mittelachse einen Winkel einschließt, der sowohl von 0° als auch von 90° verschieden, insbesondere größer als 0° und kleiner als 90° ist. Bevorzugt ist entsprechend auch die Dichtfläche selbst in einem Winkel zu der Mittelachse angeordnet, der größer als 0° und kleiner als 90° ist.
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Die Dichtfläche ist vorzugsweise in Umfangsrichtung vollständig umlaufend an der äußeren Umfangsfläche des Grundkörpers ausgebildet.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Dichtfläche konisch ausgebildet ist. Insbesondere ist die Dichtfläche bevorzugt als Mantelfläche eines Kegelstumpfs ausgebildet. Dabei verwirklichen sich in besonderer Weise die bereits erwähnten Vorteile.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Zündkerze als elektrische Funkenzündkerze ausgebildet ist. Dabei ist an die elektrisch durch einen Isolatorkörper von der Massenelektrode isolierte Mittelelektrode eine Hochspannung anlegbar, aufgrund derer ein Funkenüberschlag zu der Massenelektrode erzeugbar ist. Dabei verwirklichen sich in besonderer Weise die bereits beschriebenen Vorteile.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Außenkante der Dichtfläche relativ zu einer gedachten Umfangslinie des Außengewindes in radialer Richtung zurückgesetzt ist. Unter einer Außenkante der Dichtfläche wird dabei eine äußere Begrenzungslinie der Dichtfläche, insbesondere eine Umfangslinie verstanden, die von der Mittelachse aus gesehen radial am weitesten von der Mittelachse entfernt an der Dichtfläche angeordnet ist. Im Bereich der Außenkante weist also die Dichtfläche ihren größten Durchmesser auf. Dieser größte Durchmesser der Dichtfläche ist kleiner als der größte Durchmesser des Außengewindes. Die gedachte Umfangslinie des Außengewindes ist somit insbesondere eine größte gedachte Umfangslinie, relativ zu der die Außenkante der Dichtfläche in radialer Richtung zurückgesetzt ist.
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Erfindungsgemäß ist die Dichtfläche von dem Außengewinde in axialer Richtung gesehen durch einen parallelen Wandabschnitt der äußeren Umfangsfläche beabstandet, wobei der parallele Wandabschnitt parallel zu der Mittelachse orientiert ist, wobei er die Mittelachse zylindrisch umgreift. Der parallele Wandabschnitt ist dabei bevorzugt ein Wandabschnitt der Massenelektrode. Auch dieser parallele Wandabschnitt springt bevorzugt relativ zu der gedachten Umfangslinie des Außengewindes, insbesondere der größten gedachten Umfangslinie des Außengewindes, radial zurück. Der parallele Wandabschnitt ist - in radialer Richtung gesehen - von der Vorkammerwandung beabstandet. Insbesondere ist im Bereich des parallelen Wandabschnitts bevorzugt weder eine Dichtwirkung noch ein thermischer Wärmeübergang vorgesehen.
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Der Durchmesser der Massenelektrode verringert sich ausgehend von dem Außengewinde bis hin zu einem in die Vorkammer hineinragenden oder die Vorkammer begrenzenden Ende der Zündkerze, wobei die Massenelektrode aufgrund der Schrägstellung der Dichtfläche an ihrem äußersten Ende, welches vorzugsweise axial über die Dichtfläche übersteht, einen nochmals kleineren Durchmesser aufweist. Somit benötigt die hier vorgeschlagene Zündkerze im Bereich ihres Kontakts mit dem Vorkammervolumen, insbesondere ihres Durchbruchs in die Vorkammer, besonders wenig Bauraum, wobei sich insbesondere ein sehr viel geringerer Bauraum ergibt, als wenn das Außengewinde bis zu dem Vorkammervolumen durchgeführt wird. Insbesondere bei bekannten Vorkammeranordnungen erstreckt sich typischerweise eine Innengewindebohrung, die zur Aufnahme des Außengewindes eingerichtet ist, bis zu einer Begrenzung der Vorkammer oder in das Vorkammervolumen hinein, sodass entsprechend die Bohrung zur Aufnahme der Zündkerze im Bereich des Durchbruchs in das Vorkammervolumen deutlich größer ausgebildet sein muss als bei der hier vorgeschlagenen Zündkerze. Daher sind üblicherweise bekannte Zündkerzen an der Vorkammer mittig angeordnet, was die Freiheit für die Wahl eines Entflammungsorts in der Vorkammer stark einschränkt und gegebenenfalls zu Wirkungsgradeinbußen führt. Durch das hier vorteilhaft verkleinerte, dem Vorkammervolumen zugewandte Ende der Zündkerze kann diese mit größerer Freiheit insbesondere auch außermittig an der Vorkammer angeordnet werden, sodass der Entflammungsort frei gewählt und damit insbesondere in Hinblick auf einen Wirkungsgrad optimiert werden kann.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Massenelektrode im Bereich eines brennraumzugewandten Endes der Massenelektrode eine Kontaktfläche zur Anlage an einer Vorkammerwandung der Vorkammer aufweist. Diese Kontaktfläche ist insbesondere zusätzlich zu der axial von dem Außengewinde beabstandeten und schräg zu der Mittelachse orientierten Dichtfläche vorgesehen. Über die Kontaktfläche kann ein zusätzlicher thermischer Kontakt mit der Vorkammer bereitgestellt werden, über den in das brennraumzugewandte Ende eingetragene Wärme in unmittelbarer Nähe zum Ort des Wärmeeintrags an die Vorkammerwandung abgeführt werden kann, sodass der Wärmeübergang zwischen der Massenelektrode und der Vorkammer weiter verbessert ist.
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Unter einem brennraumzugewandten Ende der Massenelektrode wird dabei ein Ende der Massenelektrode verstanden, das dem Vorkammervolumen und damit zugleich dem Brennraum zugewandt ist, wenn die Zündkerze bestimmungsgemäß an einer Vorkammer einer Brennkraftmaschine angeordnet ist.
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Die Kontaktfläche ist vorzugsweise an einem äußeren Umfang der Massenelektrode ausgebildet. Sie erstreckt sich vorzugsweise bis zu dem brennraumzugewandten Ende. Bevorzugt ist die Kontaktfläche an dem äußeren Umfang der Massenelektrode entlang einer Umfangslinie geschlossen ausgebildet, sie ist also vollumfänglich an der Massenelektrode ausgebildet. So wird ein besonders guter Wärmeübergang in die Vorkammerwandung ermöglicht. Besonders bevorzugt ist die Kontaktfläche zylindrisch, insbesondere kreiszylindrisch, ausgebildet.
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Die Dichtfläche ist vorzugsweise von dem brennraumzugewandten Ende aus gesehen in Axialrichtung zurückgesetzt.
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Die Massenelektrode weist bevorzugt von dem brennraumzugewandten Ende aus gesehen zunächst in größerer Nähe zu dem brennraumzugewandten Ende, insbesondere an dieses angrenzend, die Kontaktfläche, und dann, in größerem axialen Abstand zu dem brennraumzugewandten Ende, hinter der Kontaktfläche, die Dichtfläche auf. Dabei ist es möglich, dass die Kontaktfläche in die Dichtfläche übergeht. Es ist aber auch möglich, dass die Dichtfläche von der Kontaktfläche beabstandet ist.
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Die Zündkerze ist an der Vorkammer und/oder relativ zu der Vorkammer so angeordnet und eingerichtet, dass durch sie ein in der Vorkammer angeordnetes Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch entflammt werden kann.
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In bevorzugter Ausgestaltung ragt die Zündkerze mit der Massenelektrode und der Mittelelektrode in die Vorkammer, insbesondere in ein Vorkammervolumen der Vorkammer, hinein.
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Bevorzugt ist an einer Vorkammerwandung der Vorkammer eine Gegendichtfläche angeordnet, die ausgebildet und eingerichtet ist, um in montiertem Zustand der Zündkerze an der Vorkammer mit der Dichtfläche dichtend zusammenzuwirken, um das Vorkammervolumen abzudichten. Dabei liegen in montiertem Zustand die Dichtfläche und die Gegendichtfläche flächig, vorzugsweise vollflächig, unmittelbar aneinander. Insbesondere ist zwischen der Dichtfläche und der Gegendichtfläche kein Dichtelement, insbesondere kein Dichtring, angeordnet. Durch die unmittelbare und insbesondere vollflächige Berührung der Dichtfläche und der Gegendichtfläche wird ein verbesserter Wärmeübergang unmittelbar von der Massenelektrode in die Vorkammerwandung bereitgestellt. Die Gegendichtfläche kann insbesondere an einem Kerzenrohr oder an einem Zylinderkopf angeordnet sein.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Vorkammeranordnung ein Kerzenrohr aufweist, das eingerichtet ist zur Aufnahme der Zündkerze. Dabei ist die Zündkerze bevorzugt in das Kerzenrohr eingeschraubt. Insbesondere weist das Kerzenrohr bevorzugt ein Innengewinde auf, das eingerichtet ist, um mit dem Außengewinde der Zündkerze zusammenzuwirken, sodass die Zündkerze in das Kerzenrohr eingeschraubt werden kann. Vorzugsweise weist das Kerzenrohr auch die Gegendichtfläche auf, insbesondere in einem axialen Abstand zu dem Innengewinde.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Vorkammer als gespülte Vorkammer ausgebildet ist. Der Vorkammer ist also - wie bereits ausgeführt - eine von einer Brennstoffzufuhr in einen Hauptbrennraum getrennte, zusätzliche Brennstoffversorgung zugeordnet, durch welche dem Vorkammervolumen Brennstoff zugeführt werden kann. Insbesondere in diesem Fall verwirklichen sich die zuvor bereits genannten Vorteile in besonderer Weise, da bei gespülten Vorkammern eine besonders hohe thermische Belastung der Zündkerzenelektroden auftritt.
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Vorzugsweise ist die Zündkerze mit ihrer Mittelachse radial versetzt zu einer Mittelachse der Vorkammer angeordnet. Die Zündkerze ist also bevorzugt außermittig an der Vorkammer angeordnet. Auf diese Weise kann die Lage des Entflammungsorts in Hinblick auf einen Wirkungsgrad einer mit der Vorkammeranordnung ausgerüsteten Brennkraftmaschine optimiert werden. Die außermittige Anordnung der Zündkerze wird dabei insbesondere dadurch ermöglicht, dass die Außenkante der Dichtfläche relativ zu der gedachten Umfangslinie des Außengewindes in radialer Richtung zurückgesetzt ist.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Vorkammerwandung der Vorkammer die bereits zuvor beschriebene Gegendichtfläche aufweist, an der die Dichtfläche dichtend anliegt. Die Gegendichtfläche ist bevorzugt so ausgebildet und wirkt derart mit der Dichtfläche zusammen, wie dies bereits zuvor beschrieben wurde.
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Alternativ oder zusätzlich weist die Vorkammerwandung bevorzugt eine Gegenkontaktfläche auf, an der die Kontaktfläche berührend anliegt. Durch die berührende Anlage der Kontaktfläche an der Gegenkontaktfläche wird insbesondere ein zusätzlicher thermischer Kontakt zwischen der Vorkammerwandung und der Massenelektrode hergestellt, und so ein effizienter Wärmeübertrag von der Massenelektrode in die Vorkammerwandung zusätzlich zu dem Wärmeübergang im Bereich der Dichtfläche und der Gegendichtfläche ermöglicht, wobei die in das brennraumzugewandte Ende der Massenelektrode eingetragene Wärme unmittelbar am Ort ihrer Eintragung in die Vorkammerwandung abgeführt werden kann. Die Gegenkontaktfläche liegt vorzugsweise vollflächig an der Kontaktfläche an. Vorzugsweise umgreift die Gegenkontaktfläche die Kontaktfläche in Umfangsrichtung gesehen vollständig, insbesondere entlang einer geschlossenen Umfangslinie. Vorzugsweise ist die Gegenkontaktfläche zylindrisch, insbesondere kreiszylindrisch ausgebildet. Besonders bevorzugt sind die Gegenkontaktfläche und die Kontaktfläche komplementär zueinander ausgestaltet, insbesondere beide zylindrisch, vorzugsweise kreiszylindrisch, wobei sie passgenau vollflächig aneinander anliegen, um einen besonders guten thermischen Kontakt zu gewährleisten.
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Somit existiert im Bereich des brennraumzugewandten Endes der Massenelektrode insbesondere kein Spalt zwischen dieser und der Vorkammerwandung, vielmehr ist ein solcher Spalt hier bevorzugt auf Null reduziert, um den Wärmeübergang zwischen der Massenelektrode und der Vorkammerwandung insbesondere im Bereich des Wärmeeintrags in die Massenelektrode zu optimieren.
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Die Aufgabe wird schließlich auch gelöst, indem eine Brennkraftmaschine geschaffen wird, die wenigstens einen Brennraum aufweist, wobei dem wenigstens einen Brennraum eine erfindungsgemäße Vorkammeranordnung oder eine Vorkammeranordnung gemäß einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele zugeordnet ist, um ein Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch in dem Hauptbrennraum zu entflammen. In Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine verwirklichen sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit der Vorkammeranordnung erläutert wurden.
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Der Hauptbrennraum bildet dabei zusammen mit dem Vorkammervolumen der Vorkammeranordnung insgesamt einen Brennraum, der in zwei Teil-Kompartimente unterteilt ist, nämlich die Vorkammer einerseits und den Hauptbrennraum andererseits.
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Die Brennkraftmaschine weist vorzugsweise eine Mehrzahl solcher Brennräume auf, die besonders bevorzugt identisch zueinander ausgebildet sind. Insbesondere kann die Brennkraftmaschine vier, sechs, acht, zehn, zwölf, vierzehn, sechzehn, achtzehn oder zwanzig Brennräume aufweisen. Auch eine andere, kleinere oder größere Anzahl von Brennräumen ist möglich. Vorzugsweise ist die Brennkraftmaschine als Hubkolbenmotor ausgebildet.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Durchmesser des wenigstens einen Hauptbrennraums, insbesondere ein Bohrungsdurchmesser oder Zylinderdurchmesser, von mindestens 130 mm bis höchstens 1000 mm, vorzugsweise von mindestens 170 mm bis höchstens 900 mm, vorzugsweise von mindestens 200 mm bis höchstens 800 mm, vorzugsweise von mindestens 300 mm bis höchstens 700 mm, vorzugsweise von mindestens 400 mm bis höchstens 600 mm, vorzugsweise 500 mm, beträgt. Bei den hier genannten Bohrungsdurchmessern verwirklichen sich in besonderer Weise die genannten Vorteile. Insbesondere ist bei kleineren Brennräumen teilweise der Wärmeeintrag in die Zündkerzenelektroden - insbesondere mit Blick auf Auslastung und Standzeit von Motoren, die derart kleine Brennräume aufweisen - nicht so problematisch, dass hier Verbesserungsbedarf bestehen würde. Vielmehr kann häufig die Wärme in ausreichender Weise über das Außengewinde abgegeben werden. Bei den hier genannten Bohrungsgrößen reicht dieser Weg für die Wärmeübertragung in der Regel aber nicht aus, woraus verkürzte Lebensdauern für die Zündkerzen und ein erhöhter Wartungsbedarf resultieren.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Mittelachse der Zündkerze relativ zu einer Mittelachse der Vorkammer und/oder relativ zu einer Mittelachse des Hauptbrennraums radial versetzt angeordnet ist. Wie bereits ausgeführt, kann auf diese Weise der Entflammungsort mit Blick auf einen Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine optimiert werden.
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Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Gasmotor ausgebildet, das heißt eingerichtet zum Betrieb mit einem Brenngas. Unter einem Brenngas wird dabei ein brennbares Gas oder ein brennbares Gasgemisch verstanden, welches unter Normalbedingungen, insbesondere bei 25 °C und 1013 mbar, gasförmig ist. Als Brenngas für die Brennkraftmaschine kommt insbesondere ein methanhaltiges oder wasserstoffhaltiges Brenngas, insbesondere auch Methan oder Wasserstoff, infrage. Mögliche Brenngase sind auch Erdgas, komprimiertes Erdgas (Compressed Natural Gas - GNG), verflüssigtes Erdgas (Liquefied Natural Gas - LNG), Biogas, Deponiegas, Sondergase, Rohstoffbegleitgase, Prozessgase der chemischen Industrie, der Stahlindustrie oder dem Hüttenwesen, eine Vielzahl anderer geeigneter Gase, sowie Kombinationen von solchen Gasen.
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Vorzugsweise ist die Vorkammer der Vorkammeranordnung als brenngasgespülte Vorkammer ausgebildet. Dem Vorkammervolumen ist somit separat von dem Hauptbrennraum Brenngas zuführbar.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine mit einer Vorkammeranordnung und einer Zündkerze;
- 2 eine Detaildarstellung des ersten Ausführungsbeispiels gemäß 1, und
- 3 eine Detaildarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Brennkraftmaschine mit Vorkammeranordnung und Zündkerze.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine 1, mit einem Brennraum 3, der in einen Hauptbrennraum 5 und ein Vorkammervolumen 7 einer Vorkammer 9 unterteilt ist. In dem Hauptbrennraum 5 ist bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ein in 1 nicht dargestellter Kolben hubbeweglich angeordnet. Die Brennkraftmaschine 1 ist hier also als Hubkolbenmotor ausgebildet. Die Brennkraftmaschine 1 kann aber auch als Wankelmotor ausgebildet ist. Es ist möglich, dass die Brennkraftmaschine 1 als Zweitaktmotor oder als Viertaktmotor ausgebildet ist.
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Die Vorkammer 9 ist Teil einer Vorkammeranordnung 11, die dem Hauptbrennraum 5 zugeordnet ist, und die zusätzlich zu der Vorkammer 9 eine Zündkerze 13 aufweist. Die Zündkerze 13 ist dabei angeordnet und eingerichtet, um ein in der Vorkammer 9 angeordnetes Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch zu entflammen.
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Die Zündkerze 13 weist einen Gehäusekörper 15 auf, der seinerseits eine erste Mittelachse M1 sowie eine äußere Umfangsfläche 17 aufweist. An der äußeren Umfangsfläche 17 ist bereichsweise - in einem axialen Gewindeabschnitt - ein Außengewinde 19 angeordnet.
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Die Zündkerze 13 weist außerdem eine Mittelelektrode 21 und eine die Mittelelektrode 21 in Umfangsrichtung umgreifende Massenelektrode 23 auf. An der Massenelektrode 23 ist axial von dem Außengewinde 19 beabstandet eine Dichtfläche 25 angeordnet, die schräg zu der ersten Mittelachse M1 orientiert ist, wobei die Dichtfläche 25 insbesondere mit der ersten Mittelachse M1 einen Winkel einschließt, der größer ist als 0° und kleiner als 90°.
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Im Gegensatz zu herkömmlichen Zündkerzen, bei denen ein Dichtelement, insbesondere ein Dichtring, in einem Bereich 27 auf einer der Massenelektrode 23 abgewandten Seite - in Richtung der ersten Mittelachse M1 gesehen - des Außengewindes 19 angeordnet ist, ist bei der hier vorgeschlagenen Zündkerze 13 der Dichtbereich zu der Massenelektrode 23 hin verlagert, wobei die schräge Dichtfläche 25 zum einen eine sehr gute Dichtwirkung und zum anderen eine verbesserte Wärmeabfuhr von der Massenelektrode 23 ermöglicht, sodass die Temperaturbelastung der Zündkerze 13 bei verbesserter Dichtwirkung vermindert und damit die Lebensdauer der Zündkerze 13 erhöht wird.
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Die Dichtfläche 25 liegt in montiertem Zustand dichtend, insbesondere flächig, vorzugsweise vollflächig, an einer Gegendichtfläche 29 an, wobei die Dichtfläche 25 unmittelbar an der Gegendichtfläche 29 anliegt, sodass insbesondere kein Dichtelement, insbesondere kein Dichtring, zwischen der Dichtfläche 25 und der Gegendichtfläche 29 angeordnet ist.
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Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Vorkammeranordnung 11 ein Kerzenrohr 31 auf, in welches die Zündkerze 13 mit dem Außengewinde 19 eingeschraubt ist. Hierzu weist das Kerzenrohr 31 insbesondere ein korrespondierendes Innengewinde 33 auf. Die Gegendichtfläche 29 ist hier ebenfalls - in axialem Abstand zu dem Innengewinde 33 - an dem Kerzenrohr 31 ausgebildet. Das Kerzenrohr 31 bildet darüber hinaus bereichsweise eine Vorkammerwandung 35 der Vorkammer 9 aus. Es ist auch möglich, dass die Gegendichtfläche 29 an einem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine 1 ausgebildet ist, wobei der Zylinderkopf bereichsweise die Vorkammerwandung 35 bilden kann. Auch das Innengewinde 33 kann an dem Zylinderkopf ausgebildet sein.
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Die Vorkammer 9 ist bevorzugt als gespülte Vorkammer ausgebildet, wobei der Vorkammer 9 eine Brennstoffzufuhr 37 zugeordnet ist, die getrennt von und zusätzlich zu einer zum Zuführen von Brennstoff in den Hauptbrennraum 5 vorgesehenen Brennstoffzufuhr vorgesehen ist.
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Ein Durchmesser des Hauptbrennraums 5 beträgt bevorzugt von mindestens 130 mm bis höchstens 1000 mm, vorzugsweise von mindestens 170 mm bis höchstens 900 mm, vorzugsweise von mindestens 200 mm bis höchstens 800 mm, vorzugsweise von mindestens 300 mm bis höchstens 700 mm, vorzugsweise von mindestens 400 mm bis höchstens 600 mm, vorzugsweise 500 mm.
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Anhand von 1 wird deutlich, dass bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel die erste Mittelachse M1 der Zündkerze 13 relativ zu einer zweiten Mittelachse M2 des Hauptbrennraums 5 radial - also senkrecht zu den Mittelachsen M1, M2 - versetzt angeordnet ist. Dies ist - wie im Folgenden noch erläutert - insbesondere aufgrund der Schrägheit der Dichtfläche 25 relativ zu der ersten Mittelachse M1 sowie eines radialen Rücksprungs der Dichtfläche 25 relativ zu dem Außengewinde 19 möglich. Dadurch wird es insbesondere möglich, den Entflammungsort für das in der Vorkammer 9 angeordnete Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch außermittig anzuordnen, also entfernt von der zweiten Mittelachse M2, und so den Entflammungsort in Hinblick auf einen Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine 1 zu optimieren. Die zweite Mittelachse M2 ist hier insbesondere zugleich eine Mittelachse der Vorkammer 9, insbesondere des Vorkammervolumens 7. Somit ist hier auch die erste Mittelachse M1 der Zündkerze 13 relativ zu der Mittelachse der Vorkammer 9 radial versetzt angeordnet.
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2 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines in 1 mit A bezeichneten Detail des ersten Ausführungsbeispiels der Vorkammeranordnung 11. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Die Massenelektrode 23 ist insbesondere vollständig umlaufend - entlang einer geschlossenen Umfangslinie - um die Mittelelektrode 21 angeordnet. Die Dichtfläche 25 ist bevorzugt konisch ausgebildet, wobei sie insbesondere eine Mantelfläche eines Kegelstumpfs ist. In entsprechender Weise ist bevorzugt auch die Gegendichtfläche 29 konisch ausgebildet, insbesondere als Mantelfläche eines Kegelstumpfs, wobei die Dichtfläche 25 und die Gegendichtfläche 29 so aufeinander abgestimmt sind, dass sie dichtend, insbesondere vollflächig, aneinander anliegen können. Dadurch wird eine besonders günstige Dichtwirkung sowie eine optimierte Wärmeabfuhr von der Massenelektrode 23 gewährleistet, wobei ein entsprechender Wärmestrom Q̇ hier schematisch durch einen Pfeil dargestellt ist.
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Die Dichtfläche 25 ist in axialer Richtung durch einen parallelen Wandabschnitt 39 von dem Außengewinde 19 beabstandet, wobei der Wandabschnitt 39 die erste Mittelachse M1 zylindrisch umgreift, und wobei der Wandabschnitt 39 frei ist von dem Außengewinde 19. Dabei springt der Wandabschnitt 39 relativ zu einer gedachten Umfangslinie 41, nämlich einer größten gedachten Umfangslinie 41, die dem größten Außendurchmesser des Außengewindes 19 entspricht, in radialer Richtung zurück. Der Wandabschnitt 39 ist insbesondere radial von der Vorkammerwandung 35 beabstandet. Im Bereich des Wandabschnitts 39 wird somit weder eine Dichtwirkung noch ein thermischer Kontakt verwirklicht.
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Entsprechend ist auch eine Außenkante 43 der Dichtfläche 25 relativ zu der gedachten Umfangslinie 41 in radialer Richtung zurückgesetzt. Dadurch, und weiter durch die schräge Ausgestaltung der Dichtfläche 25, verringert sich der Durchmesser der Zündkerze 13 zu deren dem Vorkammervolumen 7 zugewandten Ende 45 hin, sodass die Zündkerze 13 insgesamt in ihrem mit dem Vorkammervolumen 7 in Kontakt stehenden Bereich einen verringerten Bauraumbedarf aufweist. Dies erst ermöglicht eine außermittige Anordnung der Zündkerze 13 an der Vorkammer 9 mit den insoweit bereits erläuterten Vorteilen.
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Die Zündkerze 13 ist bevorzugt als elektrische Funkenzündkerze ausgebildet.
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In 2 sind hier noch im Bereich eines Zündspalts 47 an der Mittelelektrode 21 und der Massenelektrode 23 angeordnete Edelmetalleinsätze 49 dargestellt, die einen Verschleiß der Zündkerze 13 im Bereich des Zündspalts 47 hemmen.
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3 zeigt eine schematische Darstellung des Details A für ein zweites Ausführungsbeispiel der Vorkammeranordnung 11. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind dabei mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird.
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Bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel weist die Massenelektrode 23 der Zündkerze 13 im Bereich eines brennraumzugewandten Endes 51 der Massenelektrode 23 eine Kontaktfläche 53 auf, die eingerichtet ist zur Anlage an der Vorkammerwandung 35, wobei sie in montiertem Zustand - wie in 3 dargestellt - insbesondere an der Vorkammerwandung 35 anliegt. Dabei weist die Vorkammerwandung 35 insbesondere eine Gegenkontaktfläche 55 auf, an der die Kontaktfläche 53 berührend, vorzugsweise flächig, besonders bevorzugt vollflächig, anliegt. Somit wird zusätzlich zu dem thermischen Kontakt im Bereich der Dichtfläche 25 und der Gegendichtfläche 29 ein weiterer thermischer Kontakt durch die Berührung der Kontaktfläche 53 mit der Gegenkontaktfläche 55 geschaffen, sodass in die Massenelektrode 23 im Bereich des brennraumzugewandten Endes 51 eingetragene Wärme direkt in diesem Bereich und somit besonders effizient in die Vorkammerwandung 35 abgeführt werden kann. Dies ist durch einen weiteren Pfeil sowie den entsprechenden Wärmstrom Q̇ dargestellt.
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Es zeigt sich auch, dass die Dichtfläche 25 in Axialrichtung gesehen relativ zu der Kontaktfläche 53 von dem brennraumzugewandten Ende 51 her betrachtet zurückgesetzt ist. Insbesondere ist die Dichtfläche 25 bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel durch eine Freistellung 57 von der Kontaktfläche 53 beabstandet. Es ist aber auch möglich, dass die Dichtfläche 25 in die Kontaktfläche 53 übergeht.
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Die Kontaktfläche 53 ist vorzugsweise vollumfänglich umlaufend, das heißt entlang einer geschlossenen Umfangslinie, an der Massenelektrode 23 angeordnet. Besonders bevorzugt ist sie zylindrisch, insbesondere kreiszylindrisch ausgebildet. Die Gegenkontaktfläche 55 ist bevorzugt komplementär zu der Kontaktfläche 53 ausgebildet, um einen besonders guten, insbesondere vollflächigen thermischen Kontakt zu gewährleisten. Entsprechend liegen die Kontaktfläche 53 und die Gegenkontaktfläche 55 bevorzugt vollumfänglich, das heißt entlang einer geschlossenen Umfangslinie, aneinander an. Besonders bevorzugt ist demnach auch die Gegenkontaktfläche 55 umlaufend, insbesondere vollumfänglich umlaufend, entlang einer geschlossenen Umfangslinie, ausgebildet, bevorzugt zylindrisch, besonders bevorzugt kreiszylindrisch.
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Mit der hier vorgeschlagenen Zündkerze 13, der Vorkammeranordnung 11 und der Brennkraftmaschine 1 ist es möglich, eine mittlere Temperatur der Massenelektrode 23 im Betrieb der Zündkerze 13 abzusenken und so die Lebensdauer der Zündkerze 13 zu verlängern. Außerdem ergibt sich eine verbesserte Dichtwirkung sowie eine erhöhte Gestaltungsfreiheit in Hinblick auf die Wahl eines Entflammungsorts innerhalb der Vorkammer 9.
