DE102019122531A1 - Externally ignited reciprocating internal combustion engine with a prechamber ignition system - Google Patents

Externally ignited reciprocating internal combustion engine with a prechamber ignition system Download PDF

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Abstract

Fremd gezündete Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem Vorkammerzündsystem mit einem Gehäuse, welches in einem Zylinderkopf der Hubkolben-Brennkraftmaschine verbaubar ist und in dem eine Zündvorrichtung mit einer Mittelelektrode und einer Masseelektrode angeordnet ist, die in einen Hohlraum in dem Gehäuse ragt, wobei der Hohlraum gegenüber einem Brennraum der Hubkolben-Brennkraftmaschine von einem Deckel des Gehäuses abgedeckt ist, wobei der Deckel zumindest einen Durchbruch aufweist, der den Hohlraum und den Brennraum Gas führend miteinander verbindet, wobei der Deckel eine Gasleitung aufweist, durch die ein Frischluft/Brennstoff-Gemisch bis in den Bereich der Mittelelektrode und der Masseelektrode förderbar ist.Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Vorkammerzündsystems wird die Zündung eines Kraftstoff-/Luftgemisches bei niedriger Last und/oder Drehzahl der Brennkraftmaschine wesentlich verbessert.Externally ignited reciprocating internal combustion engine with a prechamber ignition system with a housing which can be installed in a cylinder head of the reciprocating internal combustion engine and in which an ignition device with a center electrode and a ground electrode is arranged, which protrudes into a cavity in the housing, the cavity opposite a Combustion chamber of the reciprocating internal combustion engine is covered by a cover of the housing, the cover having at least one opening which connects the cavity and the combustion chamber leading to each other, the cover having a gas line through which a fresh air / fuel mixture into the Area of the center electrode and the ground electrode can be conveyed. Due to the inventive design of the prechamber ignition system, the ignition of a fuel / air mixture is significantly improved at low load and / or speed of the internal combustion engine.

Description

Die Erfindung betrifft eine fremd gezündete Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem Vorkammerzündsystem mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to an externally ignited reciprocating internal combustion engine with a prechamber ignition system with the features from the preamble of claim 1.

Zum technischen Umfeld wird beispielsweise auf die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2014 111 897 A1 hingewiesen. Aus dieser ist eine Zündeinrichtung zum Zünden von Brennstoff-Luft-Gemischen in einer Brennkammer eines Verbrennungsmotors mittels einer Corona-Entladung bekannt, mit einer Zündelektrode, einen die Zündelektrode umgebenden Außenleiter, welcher ein vorderes und ein hinteres Ende hat und mit einem zwischen der Zündelektrode und dem Außenleiter angeordneten elektrischen Isolator, aus welchem wenigstens eine Spitze der Zündelektrode herausragt. Die wenigstens eine Spitze der Zündelektrode liegt in einem Raum, der durch eine dem Isolator zugeordnete Kappe abgeschirmt ist, die eine dem Isolator zugewandte Innenseite und eine dem Isolator abgewandte Außenseite sowie eines oder mehrere Löcher hat, durch welche der abgeschirmte Raum mit einem auf der Außenseite der Kappe liegenden Raum, der Brennkammer, in Verbindung steht.For the technical environment, for example, the German Offenlegungsschrift DE 10 2014 111 897 A1 pointed out. From this an ignition device for igniting fuel-air mixtures in a combustion chamber of an internal combustion engine by means of a corona discharge is known, with an ignition electrode, an outer conductor surrounding the ignition electrode, which has a front and a rear end and one between the ignition electrode and the outer conductor arranged electrical insulator, from which at least one tip of the ignition electrode protrudes. The at least one tip of the ignition electrode is in a space which is shielded by a cap assigned to the insulator, which has an inside facing the insulator and an outside facing away from the insulator, as well as one or more holes through which the shielded space and one on the outside the space lying on the cap, the combustion chamber.

Weiter ist aus der internationalen Patentanmeldung mit der internationalen Veröffentlichungsnummer WO 2008/031482 A2 eine Zündkerze zum Zünden eines brennbaren Gasgemisches beim Verbrennungsmotor bekannt, umfassend:

  • eine Zündelektrode,
  • eine elektrische Versorgungsleitung, an welche die Zündelektrode angeschlossen ist,
  • einen Isolatorkörper, durch den die Versorgungsleitung hindurchgeführt ist,
  • ein Gehäusekopf, der dichtend auf dem Isolatorkörper sitzt und ein Außengewinde zum Einschrauben in einen Verbrennungsmotor,
  • ein Rohrgehäuse, das an dem Gehäusekopf befestigt ist, den Isolatorkörper umgibt und einen Sechskant trägt,
  • wobei das Rohrgehäuse eine Isolatorkörper-Halterung umgibt, die über eine Schweißnaht mit dem Gehäusekopf verschweißt ist und den Isolatorkörper mit einer Vorspannung gegen den Gehäusekopf presst.
Next is from the international patent application with the international publication number WO 2008/031482 A2 a spark plug for igniting a combustible gas mixture in an internal combustion engine is known, comprising:
  • an ignition electrode,
  • an electrical supply line to which the ignition electrode is connected,
  • an insulator body through which the supply line is passed,
  • a housing head that sits sealingly on the insulator body and an external thread for screwing into an internal combustion engine,
  • a tubular housing which is attached to the housing head, surrounds the insulator body and carries a hexagon,
  • wherein the tubular housing surrounds an insulator body holder which is welded to the housing head via a weld seam and presses the insulator body against the housing head with a prestress.

Zum weiteren technischen Umfeld wird ferner auf die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2016 120 984 A1 hingewiesen. Aus dieser Offenlegungsschrift ist eine Vorkammerzündkerze für eine mit Gas betriebene Brennkraftmaschine und ein Verfahren zu deren Herstellung bekannt.For further technical information, please refer to the German Offenlegungsschrift DE 10 2016 120 984 A1 pointed out. A prechamber spark plug for a gas-operated internal combustion engine and a method for its production are known from this laid-open specification.

Weiter ist aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2016 206 992 A1 , von der die vorliegende Erfindung ausgeht, eine Zündkerze bekannt. Bei der Zündkerze handelt es sich insbesondere um eine Vorkammerzündkerze, mit einem Gehäuse, einer Zündelektrode und einer Masseelektrode, wobei die Zündelektrode über eine Versorgungsleitung mit einer elektrischen Spannung beaufschlagbar ist und wobei die Versorgungsleitung zumindest teilweise innerhalb eines Isolators verläuft, wobei zumindest ein Ableitungsbereich des Gehäuses aus einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von über 150 W/mK hergestellt ist.Further is from the German Offenlegungsschrift DE 10 2016 206 992 A1 , from which the present invention is based, a spark plug is known. The spark plug is in particular a prechamber spark plug with a housing, an ignition electrode and a ground electrode, the ignition electrode being able to be subjected to an electrical voltage via a supply line and the supply line running at least partially within an insulator, with at least one discharge area of the housing is made of a material with a thermal conductivity of over 150 W / mK.

Nachteilig an diesen bekannten Vorkammerzündsystemen ist, dass im niedrigen Last- und/oder Drehzahlbereich einer Brennkraftmaschine kein oder kaum ein ausreichender Gasaustauch innerhalb des Vorkammerzündsystems stattfindet, sodass in diesen Last-und/oder Drehzahlbereichen eine sichere Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches nicht immer gewährleistet ist.The disadvantage of these known prechamber ignition systems is that in the low load and / or speed range of an internal combustion engine there is little or no gas exchange within the prechamber ignition system, so that reliable ignition of the fuel-air mixture is not always guaranteed in these load and / or speed ranges is.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Maßnahme aufzuzeigen, mit der die Zündfähigkeit eines Vorkammerzündsystems in einem niedrigen Last- und/oder Drehzahlbereich einer Brennkraftmaschine sichergestellt werden kann.The object of the present invention is to provide a measure with which the ignitability of a prechamber ignition system can be ensured in a low load and / or speed range of an internal combustion engine.

Diese Aufgabe wird durch das Merkmal im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.This object is achieved by the feature in the characterizing part of claim 1.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.Advantageous further developments of the invention are described in the subclaims.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Vorkammerzündsystems wird bei einem Ladungswechsel beim Betrieb der Brennkraftmaschine ein Frischluft/Kraftstoff-Gemisch durch die Gasleitung direkt in den Bereich von Mittel- und Masseelektrode der Zündvorrichtung gefördert und Restgas verdrängt. Somit liegt insbesondere bei niedrigen Last- und/oder Drehzahlbereichen der Brennkraftmaschine immer ein zündfähiges Frischluft/Kraftstoff-Gemisch im Zündbereich der Zündvorrichtung vor. Ein sicheres Zünden ist somit immer gewährleistet.Due to the inventive design of the prechamber ignition system, a fresh air / fuel mixture is conveyed through the gas line directly into the area of the central and ground electrodes of the ignition device and residual gas is displaced during a charge change during operation of the internal combustion engine. Thus, especially at low load and / or speed ranges of the internal combustion engine, there is always an ignitable fresh air / fuel mixture in the ignition range of the ignition device. Safe ignition is therefore always guaranteed.

Vorzugsweise weist die Gasleitung gem. Anspruch 2 einen Querschnitt zwischen 0,5 mm2 und 3 mm2 auf. In diesem Querschittbereich wird für eine sichere Zündung ausreichend Frischluft/Kraftstoff-Gemisch zur Zündvorrichtung gefördert.According to claim 2, the gas line preferably has a cross-section between 0.5 mm 2 and 3 mm 2 . In this cross-section area, sufficient fresh air / fuel mixture is conveyed to the ignition device for reliable ignition.

Das gleiche gilt gem. Anspruch 3, wenn die Gasleitung zwischen 1 mm und 5 mm bis an die Mittelelektrode ragt.The same applies in accordance with claim 3 if the gas line extends between 1 mm and 5 mm to the center electrode.

Die Ausgestaltung gem. Anspruch 4, dass die Gasleitung einstückig und materialeinheitlich mit dem Deckel ist, ist ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel.The embodiment according to claim 4, that the gas line is in one piece and of the same material with the Lid is a first preferred embodiment.

Die Ausgestaltung gem. Anspruch 5, dass die Gasleitung ein separates Bauteil ist, welches mit dem Deckel verbindbar ist, ist ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel.The configuration according to claim 5, that the gas line is a separate component which can be connected to the cover, is a second preferred embodiment.

Die Ausgestaltungen gem. den Ansprüchen 6 und 7, dass der Deckel und das Gehäuse separate, miteinander verbindbare Bauteile sind oder dass der Deckel und das Gehäuse einstückig und materialeinheitlich sind, sind weitere bevorzugte Ausführungsbeispiele.The configurations according to claims 6 and 7, that the cover and the housing are separate components that can be connected to one another, or that the cover and the housing are one-piece and of the same material, are further preferred exemplary embodiments.

Im Folgenden ist die Erfindung anhand einer einzigen Figur näher erläutert.

  • 1 zeigt einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Vorkammerzündsystem.
  • 1 zeigt einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Vorkammerzündsystem 1.
The invention is explained in more detail below with reference to a single figure.
  • 1 shows a section through an antechamber ignition system according to the invention.
  • 1 shows a section through an antechamber ignition system according to the invention 1 .

Das Vorkammerzündsystem 1 ist für eine fremd gezündete Hubkolben-Brennkraftmaschine vorgesehen, beispielsweise für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug oder einem Einspurfahrzeug.The pre-chamber ignition system 1 is intended for an externally ignited reciprocating internal combustion engine, for example for use in a motor vehicle or a single-track vehicle.

Das Vorkammerzündsystem 1 weist ein Gehäuse 2 auf, in das eine Zündvorrichtung 4 mit einer Mittelelektrode 5 und eine Masseelektrode 6 eingebracht ist. Von einem Zündende der Zündvorrichtung 4 und dem Gehäuse 2 ist ein Hohlraum 7 eingeschlossen. Das Vorkammerzündsystem 1 wird in einen nicht näher dargestellten Zylinderkopf der Hubkolben-Brennkraftmaschine eingebracht, bis ein der Zündvorrichtung 4 abgewandter Teil des Gehäuses 2 mit seinem nicht bezifferten Deckel in einen Brennraum der Hubkolben-Brennkraftmaschine ragt.The pre-chamber ignition system 1 has a housing 2 on, in which an ignition device 4th with a center electrode 5 and a ground electrode 6th is introduced. From an ignition end of the igniter 4th and the case 2 is a cavity 7th locked in. The pre-chamber ignition system 1 is introduced into a cylinder head, not shown in detail, of the reciprocating internal combustion engine until one of the ignition device 4th remote part of the housing 2 protrudes with its non-numbered cover into a combustion chamber of the reciprocating internal combustion engine.

Der Deckel weist zumindest einen Durchbruch 8 auf, im vorliegenden Ausführungsbeispiel vier, von denen in 1 nur zwei erkennbar sind, die den Hohlraum 7 und den Brennraum Gas führend verbinden. Beim Betrieb der Hubkolben-Brennkraftmaschine wird ein Kraftstoff/Luft-Gemisch in dem Hohlraum 7 gezündet, wobei anschließend aufgrund der Verbrennung in dem Hohlraum 7 „Feuerfackeln“ durch die Durchbrüche 8 hindurch in den Brennraum schießen und das Haupt-Kraftstoff/Luft-Gemisch in dem Brennraum entzünden.The cover has at least one opening 8th on, in the present embodiment four, of which in 1 only two can be seen that form the cavity 7th and connect the combustion chamber with gas. When the reciprocating internal combustion engine is operating, a fuel / air mixture is created in the cavity 7th ignited, then due to the combustion in the cavity 7th "Fire torches" through the openings 8th shoot through into the combustion chamber and ignite the main fuel / air mixture in the combustion chamber.

Erfindungsgemäß weist der Deckel eine Gasleitung 9 auf durch die ein Frischluft/Brennstoff-Gemisch bis in den Bereich der Mittelelektrode und der Masseelektrode förderbar ist und somit ungewünschtes Restgas, welches eine sichere Zündung verhindert, verdrängt.According to the invention, the cover has a gas line 9 through which a fresh air / fuel mixture can be conveyed into the area of the center electrode and the ground electrode and thus displaces undesired residual gas, which prevents reliable ignition.

Die Gasleitung weist bevorzugt einen Querschnitt zwischen 0,5 mm2 und 3 mm2 aufweist und ragt bevorzugt zwischen 1 mm und 5 mm bis an die Mittelelektrode 5 der Zündvorrichtung 4 heran. In einem ersten Ausführungsbeispiel ist die Gasleitung 9 einstückig und materialeinheitlich mit dem Deckel, in einem zweiten Ausführungsbeispiel ist die Gasleitung 9 ein separates Bauteil ist, welches mit dem Deckel verbindbar ist. Dies kann beispielsweise durch Löten oder Schweißen, wie z. B. Laserstrahlschweißen erfolgen.The gas line preferably has a cross section between 0.5 mm 2 and 3 mm 2 and preferably projects between 1 mm and 5 mm up to the center electrode 5 the ignition device 4th approach. In a first embodiment the gas line is 9 in one piece and of the same material with the cover, in a second embodiment the gas line is 9 is a separate component which can be connected to the cover. This can, for example, by soldering or welding, such as. B. laser beam welding.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel können der Deckel und das Gehäuse 2 einstückig und materialeinheitlich sein oder als separate, miteinander verbindbare Bauteile ausgeführt sein. Die Verbindung kann wiederum beispielsweise durch Löten oder Schweißen, wie z. B. Laserstrahlschweißen erfolgen.In a further exemplary embodiment, the cover and the housing 2 be in one piece and made of the same material or be designed as separate, interconnectable components. The connection can in turn, for example, by soldering or welding, such as. B. laser beam welding.

Auch ist es denkbar, dass die Gasleitung 9 nicht gerade in den Hohlraum 7 ragt, sondern gewendelt, sodass eine Drallströmung in dem Hohlraum 7 erzeugt wird, für eine nochmals bessere Verdrängung des Restgases, wodurch die Zündung nochmals verbessert wird.It is also conceivable that the gas line 9 not straight into the cavity 7th protrudes, but coiled, so that a swirl flow in the cavity 7th is generated, for an even better displacement of the residual gas, whereby the ignition is further improved.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Vorkammerzündsystems 1 wird bei einem Ladungswechsel beim Betrieb der Brennkraftmaschine ein Frischluft/Kraftstoff-Gemisch durch die Gasleitung 9 direkt in den Bereich von Mittel- und Masseelektrode 5, 6 der Zündvorrichtung 4 gefördert und Restgas verdrängt. Somit liegt insbesondere bei niedrigen Last- und/oder Drehzahlbereichen der Hubkolben-Brennkraftmaschine immer ein zündfähiges Frischluft/Kraftstoff-Gemisch im Zündbereich der Zündvorrichtung 4 vor. Ein sicheres Zünden ist somit immer gewährleistet.Due to the design of the prechamber ignition system according to the invention 1 a fresh air / fuel mixture through the gas line is generated during a gas exchange during operation of the internal combustion engine 9 directly in the area of the center and ground electrode 5 , 6th the ignition device 4th promoted and residual gas displaced. Thus, particularly at low load and / or speed ranges of the reciprocating piston internal combustion engine, there is always an ignitable fresh air / fuel mixture in the ignition range of the ignition device 4th in front. Safe ignition is therefore always guaranteed.

Abschließend sei noch gesagt, dass die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Vorkammerzündsystems 1 sowohl für passive Vorkammerzündsysteme, wie hier dargestellt, als auch für aktive Vorkammerzündsysteme, mit eigener Einbringung von Kraftstoff in den Hohlraum 2, eingesetzt werden kann.Finally, it should be said that the embodiment of the prechamber ignition system according to the invention 1 both for passive prechamber ignition systems, as shown here, and for active prechamber ignition systems with their own introduction of fuel into the cavity 2 , can be used.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

1.1.
VorkammerzündsystemPre-chamber ignition system
2.2.
Gehäusecasing
3.3.
ZylinderkopfCylinder head
4.4th
ZündvorrichtungIgnition device
5.5.
MittelelektrodeCenter electrode
6.6th
MasseelektrodeGround electrode
7.7th
Hohlraumcavity
8.8th.
Durchbruchbreakthrough
9.9.
GasleitungGas pipe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • DE 102014111897 A1 [0002]DE 102014111897 A1 [0002]
  • WO 2008/031482 A2 [0003]WO 2008/031482 A2 [0003]
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  • DE 102016206992 A1 [0005]DE 102016206992 A1 [0005]

Claims (7)

Fremd gezündete Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem Vorkammerzündsystem (1) mit einem Gehäuse (2), welches in einem Zylinderkopf (3) der Hubkolben-Brennkraftmaschine verbaubar ist und in dem eine Zündvorrichtung (4) mit einer Mittelelektrode (5) und einer Masseelektrode (6) angeordnet ist, die in einen Hohlraum (7) in dem Gehäuse (2) ragt, wobei der Hohlraum (7) gegenüber einem Brennraum der Hubkolben-Brennkraftmaschine von einem Deckel des Gehäuses (2) abgedeckt ist, wobei der Deckel zumindest einen Durchbruch (8) aufweist, der den Hohlraum (7) und den Brennraum Gas führend miteinander verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel eine Gasleitung (9) aufweist, durch die ein Frischluft/Brennstoff-Gemisch bis in den Bereich der Mittelelektrode (5) und der Masseelektrode (6) förderbar ist.Externally ignited reciprocating internal combustion engine with a prechamber ignition system (1) with a housing (2) which can be installed in a cylinder head (3) of the reciprocating internal combustion engine and in which an ignition device (4) with a center electrode (5) and a ground electrode (6 ) is arranged, which protrudes into a cavity (7) in the housing (2), wherein the cavity (7) opposite a combustion chamber of the reciprocating internal combustion engine is covered by a cover of the housing (2), the cover having at least one opening ( 8), which connects the cavity (7) and the combustion chamber leading to each other, characterized in that the cover has a gas line (9) through which a fresh air / fuel mixture into the area of the center electrode (5) and the Ground electrode (6) can be conveyed. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasleitung (9) einen Querschnitt zwischen 0,5 mm2 und 3 mm2 aufweist.Reciprocating internal combustion engine according to Claim 1 , characterized in that the gas line (9) has a cross section between 0.5 mm 2 and 3 mm 2 . Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasleitung (9) zwischen 1 mm und 5 mm bis an die Mittelelektrode (5) ragt.Reciprocating internal combustion engine according to Claim 1 or 2 , characterized in that the gas line (9) extends between 1 mm and 5 mm to the center electrode (5). Hubkolben-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasleitung (9) einstückig und materialeinheitlich mit dem Deckel ist.Reciprocating internal combustion engine according to one of the Claims 1 to 3 , characterized in that the gas line (9) is in one piece and of the same material with the cover. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasleitung (9) ein separates Bauteil ist, welches mit dem Deckel verbindbar ist.Reciprocating internal combustion engine according to one of the Claims 1 to 3 , characterized in that the gas line (9) is a separate component which can be connected to the cover. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel und das Gehäuse (2) einstückig und materialeinheitlich sind.Reciprocating internal combustion engine according to one of the Claims 1 to 5 , characterized in that the cover and the housing (2) are in one piece and of the same material. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel und das Gehäuse (2) separate, miteinander verbindbare Bauteile sind.Reciprocating internal combustion engine according to one of the Claims 1 to 5 , characterized in that the cover and the housing (2) are separate components that can be connected to one another.
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