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Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine mit einer Durchgangsöffnung, in der ein Brennstoffversorgungs- und Zündsystem mit einer aktiven Zündkammer und einer Zündkerze zur Versorgung eines sich an den Zylinderkopf anschließenden, mit der Zündkammer in Verbindung stehenden, im Zylinder der Brennkraftmaschine angeordneten Hauptbrennraumes mit durch die Zündkerze gezündeten reaktiven Gasstrahlen einer gezündeten Zündkammerladung angeordnet ist.
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Die Druckschrift
DE 10 2015 221 076 A1 offenbart eine Zuführeinrichtung zum Zuführen eines Brennstoffs in eine Vorkammer einer Brennkraftmaschine mit einer ansteuerbaren Brennstoffdosiereinrichtung, die von der Vorkammer beabstandet an der Brennkraftmaschine angeordnet ist. Die Brennstoffdosiereinrichtung ist separat von der Vorkammer und außerhalb der Vorkammer angeordnet. Die Zündeinrichtung ist eingerichtet, um ein Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch in der Vorkammer zu entflammen. Die Vorkammer ist über Bohrungen, die auch als Schusskanäle bezeichnet werden, mit einem Hauptbrennraum fluidverbunden. Die Druckschrift erläutert, dass es möglich ist, dass die Brennstoffdosiereinrichtung in einem Zylinderkopf angeordnet ist. Sie kann aber auch außerhalb des Zylinderkopfes, insbesondere an dem Zylinderkopf, angeordnet sein.
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Insbesondere Brenngas, insbesondere Erdgas, als Kraftstoff für eine Gasbrennkraftmaschine rückt derzeit in den Mittelpunkt. Für eine bessere Zündung und zum Schutz von Zündkerzen sind Gasbrennkraftmaschinen mit Vorkammern bekannt, in denen eine Zündkerze abgeschirmt angeordnet ist. Hierbei ist es bekannt, die Vorkammern mit reinem Brennstoff zu spülen und in einer Kompressionsphase der Brennkraftmaschine mit Ladung aus dem Brennraum zu verdünnen, um ein zündfähiges Gemisch zu haben.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2015 210 669 A1 ist ein anderes Verfahren zum Betreiben einer Gasbrennkraftmaschine mit einer Vorkammer, einem zu einem Brennraum führenden Einlasskanal und eine den Einlasskanal und die Vorkammer verbindende Verbindungsleitung bekannt, in welcher ein Absperrelement angeordnet ist, wobei in einer Ansaugphase der Gasbrennkraftmaschine das Absperrelement geöffnet wird, um die Verbindung zwischen dem Einlasskanal und der Vorkammer freizugeben und die Vorkammer mit einem Brenngas-Luft-Gemisch zu spülen. Als Vorteil wird bei diesem Verfahren angesehen, dass die Vorkammer mit einem frischen, homogenen Brenngas-Luft-Gemisch durchspült wird. Ein in der Vorkammer befindliches Restgas (Abgas) aus dem letzten Arbeitstakt kann somit von der Zündquelle in der Vorkammer entfernt werden und wird durch das homogene, vorgemischte Brenngas-Luft-Gemisch ersetzt. Dabei kann das Spülen der Vorkammer schon während einer Ansaugphase der Gasbrennkraftmaschine durchgeführt werden. Ein weiterer Vorteil liegt bei diesem Bekannten darin, dass die Vorkammer auch ohne Nachteile hinsichtlich von Emissionen durch das Brenngas-Luft-Gemisch überspült werden kann, da das gleiche Gemisch auch in den Brennraum eingebracht wird und somit bei einem Ausströmen des Brenngas-Luft-Gemischs beim Überspülen aus der Vorkammer keine signifikante Änderung einer Zusammensetzung eines Gemisches in der Brennkammer erfolgt. Weiterhin wird durch die Spülung der Vorkammer mit dem Brenngas-Luft-Gemisch eine Kühlung der Vorkammer und insbesondere einer Zündquelle, insbesondere Zündkerze, in der Vorkammer ermöglicht. Hierdurch kann eine Lebensdauer der Zündquelle signifikant verlängert werden.
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Als nachteilig wird angesehen, dass der Einlasskanal mit der Vorkammer verbunden ist. Es kann ausschließlich über den Einlasskanal ein Brenngas-Luft-Gemisch angesaugt werden, wobei als Druckgefälle zum Spülen der Vorkammer nur die vorhandene Druckdifferenz zwischen Vorkammer und Einlasskanal des Einlassventils zum Spülen genutzt werden kann.
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Zudem hängt die Zusammensetzung des Luft-Brenngas-Gemisches als Spülmedium von dem Gemisch in dem Einlasskanal des Einlassventils ab und kann somit nicht nach Bedarf geändert werden, das heißt nicht fetter oder magerer sein. Zudem ist eine Spülung der Vorkammer vollkommen ohne Brennstoff nur mit Luft, beziehungsweise mit einem brennstofffreien Fluid, nicht möglich.
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Die Druckschrift
WO 2017/029323 A1 offenbart einen Gasmotor mit einer Brennkammer, in Form einer Vorkammer zum Zünden und einem Zylinder, in dem die Hauptverbrennung stattfindet, ausgeführt. Die Vorkammer ist in bekannter Weise über Strahlkanäle mit dem Zylinder verbunden. Im Brennkammerkopf ist beabstandet von der Gewindeöffnung, und damit auch beabstandet von der Zündkerze, eine Ventilausnehmung vorgesehen, in der ein Gasventil angeordnet ist, mit dem der gasförmige Brennstoff zugeführt wird.
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In die Gewindeöffnung ist eine Zündkerze eingeschraubt und im Brennkammerkopf beabstandet von der Gewindeöffnung ist eine Ventilausnehmung vorgesehen, deren axiales Ende über einen Stichkanal mit einem Gasverteilring zwischen der Zündkerze und dem Brennkammerkopf verbunden ist. In der Zündkerze ist auch ein Spülkanal (4) vorgesehen, der die Vorkammer mit einem Stichkanal verbindet. Der Querschnitt des Spülkanals wird dabei so ausgelegt, dass sich ein größtmögliches Druckgefälle zwischen dem Spülkanal mit dem höheren Druck und einem Gasverteilring ergibt. Dazu mündet der Spülkanal in der Vorkammer vorzugsweise in einen Bereich, in dem eine hohe Strömungsgeschwindigkeit herrscht. Der Querschnitt des Spülkanals wird dabei so ausgelegt, dass sich ein größtmögliches Druckgefälle zwischen dem Spülkanal mit dem höheren Druck und dem Gasverteilring ergibt. Dazu mündet der Spülkanal in der Vorkammer vorzugsweise in einen Bereich, in dem eine hohe Strömungsgeschwindigkeit herrscht. Der Druck muss dabei natürlich kleiner bleiben als der Druck des zugeführten gasförmigen Brennstoffes. Damit kann während der Verbrennung in der Vorkammer eine Spülung des Stichkanals, des Gasverteilringes und der Gaskanäle 8 erzielt werden.
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Während der Zuführung des gasförmigen Brennstoffes über das Gasventil wird eine geringe Menge an gasförmigem Brennstoff über den Spülkanal in die Vorkammer strömen. Die Gaskanäle sind vorzugsweise so ausgerichtet, dass der zugeführte gasförmige Brennstoff auf die Zündungszone im Bereich zwischen der Mittenelektrode und der Außenelektrode (mit Zündbügel) gerichtet ist.
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Die Anordnung des Stichkanals, des Spülkanals und des Gasverteilrings in der Zündkerze wird in nachteiliger Weise als aufwändige Konstruktion angesehen. Außerdem gilt analog zu der Druckschrift
DE 10 2015 210 669 A1 weiter in nachteiliger Weise, dass durch die Integration des Stichkanals und des Spülkanals in die Zündkerze nur eine Zuführung des Brennstoff von oben in die Zündungszone im Bereich zwischen der Mittenelektrode und der Außenelektrode
2 (mit Zündbügel) möglich ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffversorgungs- und Zündsystem, insbesondere für ein Gasbrennverfahren, zu schaffen, welches platzsparend, servicefreundlich und insbesondere hinsichtlich der Zündbedingungen optimiert ausgebildet ist.
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Ausgangspunkt der Erfindung ist ein Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine mit einer Durchgangsöffnung, in der ein Brennstoffversorgungs- und Zündsystem zur Versorgung eines sich an den Zylinderkopf anschließenden Hauptbrennraumes oberhalb eines beweglichen Kolbens in einem Zylinders angeordnet ist, wobei das Brennstoffversorgungs- und Zündsystem ein einteiliges oder zweiteiliges Einbauteil und ein Befestigungsteil umfasst, wobei das Befestigungsteil das einteilige oder zweiteilige Einbauteil in dem Zylinderkopf in einer vorgebbaren Position reversibel fixiert, wobei im Einbauteil, insbesondere im unteren Bereich oder im Unterteil (zweiteilige Ausführung), eine zu dem Zündsystem gehörende Zündkammer (Vorkammer) ausgebildet ist, die oberhalb des Hauptbrennraumes (Hauptkammer) der Brennkraftmaschine angeordnet ist, wobei die Zündkammer (=Vorkammer) mit dem Hauptbrennraum in Fluidverbindung steht, und das Oberteil eine zu dem Zündsystem gehörende Zündkerze aufnimmt.
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Es ist vorgesehen, dass nur ein geringer Teil, insbesondere 1 % bis 10 %, bevorzugt 3 %...5 %, der gesamten Energie über die Vorkammer zugeführt wird. Die Hauptmenge des Brennstoffes wird dem Hauptbrennraum über den Einlasskanal oder direkt zugeführt. Insofern erfolgt die Versorgung der Brennkraftmaschine über die Vorkammer und die Hauptkammer.
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Nachfolgend wird zur Erläuterung der bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung von einer zweiteiligen Ausgestaltung des Einbauteiles ausgegangen, wenn somit das Oberteil oder das Unterteil genannt ist, so ist damit analog ein oberer Bereich oder ein unterer Bereich des einteiligen Einbauteiles gemeint.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Unterteil zur Versorgung der Zündkammer mit einem Brennstoff über ein Brennstoffzuführungselement in Fluidverbindung steht, wobei das Brennstoffzuführungselement ein Zuführungskanal ist, der durch den Zylinderkopf und eine Wandung des Unterteiles zur Zündkammer geführt ist, so dass eine Austrittsöffnung des Brennstoffzuführungselementes in der Wandung der Zündkammer ausgebildet ist.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass das durch den Zylinderkopf und die Wandung des Unterteiles des Brennstoffversorgungs- und Zündsystems zur Zündkammer geführte Brennstoffzuführungselement derart ausgerichtet ist, dass die Austrittsöffnung auf den offenen Bereich zwischen den Elektroden der Zündkerze ausgerichtet ist, wodurch die Zündbedingungen in der Vorkammer verbessert werden.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Oberteil und das Unterteil sowie dessen Austrittsöffnung in einer einteiligen Ausgestaltung oder durch einen vorherigen Zusammenbau in einer zweiteiligen Ausgestaltung in dem Zylinderkopf durch ein dem Oberteil zugeordnetes Positionierelement, insbesondere eine Nase, positioniert werden, welche/s in eine Führung, insbesondere eine nutartige Führung, an oder in der Innenfläche der Durchgangsbohrung des Zylinderkopfes eingreift, insbesondere eingeschoben ist. In vorteilhafter Weise kann dadurch die Position des Brennstoffversorgungs- und Zündsystems innerhalb der Durchgangsöffnung im Zusammenbauzustand exakt vorgegeben werden, so dass im Zusammenbauzustand auch exakt vorgebbar ist, in welcher Position die Austrittsöffnung des Brennstoffzuführungselementes in der Wandung der Zündkammer angeordnet ist.
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Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass das Oberteil ein Innengewinde aufweist, in welches die ein Außengewinde aufweisende Zündkerze einschraubbar ist, wobei Innengewinde und Außengewinde durch den Gewindeschnitt der Gewinde derart aufeinander abgestimmt sind, dass eine Austrittsöffnung des die Wandung des Unterteiles durchgreifenden Abschnittes des Brennstoffzuführungselementes auf die Öffnung zwischen den Elektroden gerichtet ist.
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In vorteilhafter Weise kann dadurch im Zusammenbauzustand die Position der Öffnung zwischen den Elektroden der Zündkerze exakt vorgegeben werden, so dass im Zusammenbauzustand in vorteilhafter Weise die Position der Öffnung zwischen den Elektroden der Zündkerze und die Position der Austrittsöffnung des Brennstoffzuführungselementes in der Wandung der Zündkammer aufeinander abgestimmt werden kann.
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Hinzu kommt in vorteilhafter Weise, dass dadurch eine Ausrichtung der Kraftstoff-Übertrittsbohrungen zwischen der Vorkammer und dem Hauptbrennraum, die in der nachfolgenden Beschreibung als Schusskanäle bezeichnet werden, durch Winkelpositionierung des Einbauteiles innerhalb des Zylinderkopfes vorgebbar ausgerichtet werden können. Dadurch können unsymmetrische oder symmetrische Lochbilder mit gezielter Ausrichtung einzelner Schusskanäle, mithin der erzeugten Kraftstoff-Strahlen, insbesondere Gasstrahlen, erzeugt werden.
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In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Austrittsöffnung des die Wandung des Unterteiles durchgreifenden kanalartigen Abschnittes des Brennstoffzuführungselementes bezogen auf die Längserstreckung der Zündkerze in radialer Richtung quer zur Längserstreckung der Zündkerze auf die Öffnung zwischen den Elektroden ausgerichtet ist.
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In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Austrittsöffnung des die Wandung des Unterteiles durchgreifenden kanalartigen Abschnittes des Brennstoffzuführungselementes bezogen auf die Längserstreckung der Zündkerze schräg zur Längserstreckung der Zündkerze auf die Öffnung zwischen den Elektroden ausgerichtet ist.
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Vorgesehen ist ferner bevorzugt, dass der Außendurchmesser des die Wandung des Unterteiles durchgreifenden kanalartigen Abschnittes des Brennstoffzuführungselementes kleiner ist als der Außendurchmesser des kanalartigen Abschnittes des Brennstoffzuführungselementes, der durch den Zylinderkopf geführt ist. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise in dem kanalartigen Abschnitt im Zylinderkopf ein Rückschlagventil angeordnet werden, während im kanalartigen Abschnitt in der Wandung des Unterteiles ein geringer Durchmesser zu einer besseren Fokussierung des gerichtet einzubringenden Kraftstoff/Luft-Gemisches dient.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Abschnitte des Brennstoffzuführungselementes gerade oder zueinander abgewinkelt angeordnet. In vorteilhafter Weise kann die Führung des kanalartigen Abschnitts im Zylinderkopf an die Platzverhältnisse im Zylinderkopf angepasst werden, so dass der kanalartige Abschnitt in der Wandung des Unterteiles gegebenenfalls nicht geradlinig an den kanalartigen Abschnitt im Zylinderkopf anschließt. Die Ausrichtung des kanalartigen Abschnitts in der Wandung des Unterteiles wird somit an die jeweiligen Randbedingungen zur Zuführung des Kraftstoff/Luft-Gemisches über den kanalartigen Abschnitt im Zylinderkopf und die Zündbedingungen angepasst, so dass eine Vorkammerladung und optimale Zündung sowie eine Restgasspülung der vorhergehenden Vorkammerladung aus seitlicher radialer Richtung oder seitlicher Richtung schräg von unten jeweils in den offenen Bereich zwischen den Elektroden der Zündkerze in optimierter aufeinander abgestimmter Weise möglich ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der zugehörigen Zeichnung, die einen schematisierten Schnitt durch einen Zylinderkopf und einen Zylinder mit Kolben einer Brennkraftmaschine mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffversorgungs- und Zündsystem zeigt, näher erläutert.
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1 zeigt einen schematisierten Schnitt durch einen Zylinderkopf ZK (ohne Zylinderkopfhaube) und einen Zylinder Z einer Brennkraftmaschine 100 mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffversorgungs- und Zündsystem.
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Das Brennstoffversorgungs- und Zündsystem umfasst eine bevorzugt rotationssymmetrische Zündkammer 1, die durch ihre Rotationssymmetrie für Drallströmungen eines gasförmigen Fluids geeignet ist.
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Das Brennstoffversorgungs- und Zündsystem und insbesondere die Zündkammer 1 weisen einen kompakten Durchmesser auf, der so bemessen ist, dass das Brennstoffversorgungs- und Zündsystem sowohl in Zylinderköpfen ZK mit senkrecht stehenden zur Zylinderlängsachse parallelen Ein- und Auslassventilen (nicht dargestellt) als auch in Zylinderköpfen ZK mit Dachbrennraum, bei denen die Ein- und Auslassventile zur Zylinderlängsachse geneigt angeordnet sind, eingesetzt werden kann.
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Der kompakte Durchmesser des Brennstoffversorgungs- und Zündsystems ermöglicht es auch in vorteilhafter Weise, dass bei eng stehenden Nockenwellen und somit geringem zur Verfügung stehenden Bauraum eine Anordnung des Brennstoffversorgungs- und Zündsystems trotzdem möglich ist. Mit anderen Worten, das Brennstoffversorgungs- und Zündsystem kann zwischen den Nockenwellen und den Ein- und Auslassventilen im Zylinderkopf ZK angeordnet werden.
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Das Zündsystem des Brennstoffversorgungs- und Zündsystems umfasst neben der Zündkammer 1 eine Zündquelle 2A, 2B, insbesondere eine Zündkerze 2A beispielsweise mit Stabzündspule 2B und zugehörigem Zündkabel 2C.
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Die Zylinderkopföffnung ZK.1 ist als Durchgangsbohrung ausgebildet, die als in der Zylinderlängsachse verlaufender Schacht oder Kanal ausgebildet ist, der sich von der Oberseite des Zylinderkopfes ZK beziehungsweise der nicht dargestellten Zylinderkopfhaube des Zylinderkopfes ZK bis zu einem Hauptbrennraum B erstreckt, der sich an eine Unterseite des Zylinderkopfes ZK anschließt. Der Hauptbrennraum B wird durch die Kolbenmulde KM des Zylinderkolbens K gebildet, der unterhalb des Zylinderkopfes ZK in bekannter Weise beweglich in einem Zylinder Z angeordnet ist.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Zündsystem 1, 2 in einer Ausführungsform ein einteiliges Einbauteil I, II oder in einer anderen Ausführungsform ein zweiteiliges Einbauteil I, II aus einem Unterteil I und einem Oberteil II und stets ein Befestigungsteil III umfasst.
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Nachfolgend wird die zweiteilige Ausführungsform erläutert. Wenn somit das Oberteil II oder das Unterteil I genannt ist, so ist damit analog ein oberer Bereich oder ein unterer Bereich des einteiligen Einbauteiles I, II gemeint.
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Die Erfindung zeichnet sich bevorzugt dadurch aus, dass ein Teil (in 1 nicht gezeigt) des Brennstoffzufuhrsystems 3 für die Brennstoffversorgung des Hauptbrennraumes B (vergleiche 1) des Brennstoffversorgungs- und Zündsystems 1, 2, 3, bevorzugt im Oberteil II des Einbauteiles I, II, in dem auch die Zündkerze 2A des Zündsystems 2 verbaut ist, angeordnet und ausgebildet ist, während der andere Teil des Brennstoffzufuhrsystems 3 für die Brennstoffversorgung der Vorkammer/Zündkammer 1 (vergleiche 1) des Brennstoffversorgungs- und Zündsystems 1, 2, 3, bevorzugt im Unterteil I des Einbauteiles I, II und im Zylinderkopf ZK angeordnet und ausgebildet ist.
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Das Zündsystem 1, 2 kann in vorteilhafter Weise servicefreundlich über den Kanal/Schacht ZK.1 ein- und ausgebaut werden. Das Zündsystem 1, 2 wird in vorteilhafter Weise von oben in den dafür vorgesehenen Kanal gesteckt, wie noch näher erläutert wird.
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Nachfolgend werden die Komponenten Zündsystem 1, 2, insbesondere das Unterteil I, das Oberteil II und das Befestigungsteil III und die Verbindung zu dem Zylinderkopf ZK erläutert.
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Das Unterteil I umfasst die Zündkammer 1, die mit Schusskanälen S versehen ist.
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Die Brennkraftmaschine 100 umfasst den in einem Zylinder Z ausgebildeten Hauptbrennraum B, der oberhalb eines beweglichen Kolbens K ausgebildet ist, der wie üblich in dem Zylinder Z angeordnet ist.
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Der Hauptbrennraum B wird aus dem Zündkammerraum der Zündkammer 1, die auch als Vorkammer bezeichnet wird, und die mit einem Brennstoffzufuhrsystem 3 verbunden ist, mit einer Zünd(vor)kammerladung gasförmigen Kraftstoffs versorgt, wobei dem wenigstens einen Hauptbrennraum B zudem eine Hauptbrennraumladung gasförmigen oder flüssigen Kraftstoffs zugeführt wird.
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Der Vorkammer 1 ist die Zündquelle 2A, 2B, 2C zugeordnet ist, die den gasförmigen Brennstoff in der Vorkammer 1 zu einem vorgebbaren Zeitpunkt zündet, wodurch gezündete reaktive Gasstrahlen in den Hauptbrennraum B schießen und im Hauptbrennraum B unter Zündung der Hauptbrennraumladung gemeinsam mit der Zündkammerladung verbrennen, wonach das Abgas aus dem mindestens einen Hauptbrennraum B abgeführt wird.
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Die Vorkammer 1 weist die Schusskanäle S für die in der Vorkammer 1 gezündeten reaktiven Gasstrahlen zur gerichteten Einbringung der gezündeten reaktiven Gasstrahlen in den Hauptbrennraum B auf, wobei der Hauptbrennraum B von einem Hauptbrennraumdach des Zylinderkopfes ZK und einer in dem beweglichen Kolben K ausgebildeten Kolbenmulde KM begrenzt ist.
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Zur Verbesserung des Wärmeübergangs von der Zündkammer 1 zu einem Kühlsystem 200, welches mit einem flüssigen Fluid, insbesondere Kühlwasser, betrieben wird, weist (als optionale Ausgestaltung der Erfindung) das Unterteil I mit innenliegender Vorkammer an seiner äußeren Mantelfläche mindestens eine Kühlrippe 1.1, insbesondere mehrere Kühlrippen 1.1, auf. Bevorzugt wird das Kühlsystem 200 des bereits vorhandenen Kühlkreislaufs des Zylinderkopfes ZK verwendet.
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Die Mantelfläche des Unterteils I mit integrierter Vorkammer 1 wird mit dem Kühlwasser umspült und durch die Kühlrippen 1.1 wird der Wärmeübergang verbessert. Hinzu kommt, dass die Kühlrippen 1.1 gleichzeitig die mechanische Stabilität des Unterteiles I verbessern.
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Die Mantelfläche des Unterteiles I weist unterhalb mindestens eines Kanals des Kühlsystems 200 eine Vertiefung auf, in der eine umlaufende Dichtung I.3 angeordnet ist, welche eine Abdichtung des Unterteiles I gegenüber dem Zylinderkopf ZK herstellt und somit den Hauptbrennraum B gegenüber dem Brennstoffversorgungs- und Zündsystem 1, 2 ,3 nach unten abdichtet.
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Zudem ist eine weitere umlaufende Dichtung ZK.5 oberhalb des Kühlsystems 200 angeordnet.
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Die Mantelfläche des Unterteiles I weist oberhalb des mindestens einen Kanals des Kühlsystems 200 eine weitere Vertiefung auf, in der eine umlaufende Dichtung I.3 angeordnet ist, welche eine Abdichtung des Unterteiles I gegenüber dem Zylinderkopf ZK herstellt und den mindestens einen Kanal des Kühlsystems 200 gegenüber dem Brennstoffversorgungs- und Zündsystem 1, 2, 3 nach oben abdichtet.
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Das Oberteil II des zweiteiligen Einbauteiles I, II weist in der zweiteiligen Ausführungsform eine umlaufende untere Stirnfläche auf, die gegenüber der oberen Oberfläche des Unterteiles I eine Flächendichtung zwischen Oberteil II und Unterteil I bildet. Es ist eine Materialpaarung von Oberteil II und Unterteil I hart-weich oder weich-hart vorgesehen, wodurch eine Verbesserung der Abdichtung zwischen Ober- und Unterteil II, I ohne zusätzliche Dichtung möglich ist. Gemäß der Darstellung kann eine Dichtung II.6 zwischen den zueinander zugewandten Flächen angeordnet werden.
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Ein Brennstoffzuführungselement 3AB des Brennstoffzufuhrsystems 3 durchgreift als Bohrung den Zylinderkopf ZK und die Wandung der Vorkammer 1 im Unterteil I.
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In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist in dem Brennstoffzuführungselement 3AB, welches im Ausführungsbeispiel zwei Abschnitte 3A und 3B aufweist, ein Rückschlagventil 3.1 integriert angeordnet, welches zwischen Vorkammer 1 und der Brennstoffzuführungsleitung (nicht näher dargestellt) des Brennstoffzuführungselementes 3AB angeordnet ist. Das Rückschlagventil 3.1 ist im ersten Abschnitt 3A angeordnet.
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Die spezifische Ausgestaltung des Brennstoffzuführungselementes 3AB im Zylinderkopf ZK und der Wandung der Vorkammer 1 des Unterteiles I wird noch näher erläutert.
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In vorteilhafter Weise steht in dem Abschnitt 3A im Zylinderkopf ZK so viel Bauraum zur Verfügung, dass das Rückschlagventil 3.1 im Brennstoffversorgungs- und Zündsystem integriert angeordnet werden kann.
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Es versteht sich, dass das Rückschlagventil 3.1 prinzipiell auch außerhalb des Zylinderkopfes ZK anordenbar ist.
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Das Oberteil II weist ein Innengewinde auf, in welches die ein Außengewinde aufweisende Zündkerze 2A einschraubbar ist, wobei Innengewinde und Außengewinde durch den Gewindeschnitt der Gewinde derart aufeinander abgestimmt sind, wobei der Mittelpunkt der Austrittsöffnung beziehungsweise die Längsachse des Zuführungskanals 3B des die Wandung des Unterteiles I durchgreifenden Abschnittes 3B im Wesentlichen aus radialer Richtung oder schräg (bezogen auf die Längserstreckung der Zündkerze 2A) zwischen die Elektroden 2D in den offenen Bereich zwischen den Elektroden 2D gerichtet ist, wodurch im Betrieb optimale Zündverhältnisse bewirkt werden, wie noch erläutert wird.
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Zudem wird das Oberteil II und das Unterteil I gemeinsam in einer einteiligen oder durch einen vorherigen Zusammenbau zweiteiligen Ausgestaltung beim Einbau in den Zylinderkopf gegenüber dem Zylinderkopf ZK durch ein Positionierelement II.7 positioniert.
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Dazu ist in der Wandung des Oberteiles II als Positionierelement II.7 eine Nase angeordnet, welche in eine Führung, insbesondere eine nutartige Führung ZK.11 an oder in der Innenfläche der Durchgangsbohrung ZK.1 des Zylinderkopfes ZK ausgebildet ist.
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Das Positionierelement II.7 greift beim Einführen des Unterteiles I und des Oberteiles II in den Kanal ZK.1 in die dafür vorgesehene, nicht näher dargestellte nutartige Führung ZK.11 ein, die so genannte Führungsaussparung, die im Kanal ZK.1 in Längserstreckung L des Kanals ZK.1 ausgebildet und angeordnet ist.
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Durch das Positionierelement Il.7 in der Führungsaussparung beziehungsweise durch die dadurch eingenommene vorgebbare Position des Unterteiles I gegenüber der Bohrungsöffnung des zweiten Abschnittes 3B des Brennstoffzuführungselementes 3AB ist sichergestellt, dass sich das Unterteil I und das Oberteil II nach dem Einführen nicht mehr verdrehen kann, sobald das Positionierelement Il.7 in der Führungsaussparung des Kanals ZK.1 angeordnet ist.
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Wie bereits erläutert ist die Führungsaussparung in vorteilhafter Weise in dem Kanal ZK.1 derart angeordnet, dass die Bohrungsöffnung des zweiten Abschnittes 3B des Brennstoffzuführungselementes 3AB in abgeschlossenem Zusammenbauzustand exakt zu dem offenen Bereich der Massenelektrode der Zündkerze 2A ausgerichtet ist.
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Mit anderen Worten, durch das Positionierelement Il.7 in der Führungsaussparung und der - wie oben erläuterten - Positionierung beziehungsweise Ausrichtung der Zündkerze 2A beziehungsweise des offenen Bereichs der Massenelektrode der Zündkerze 2A innerhalb des Oberteiles II ist erstens ein drehrichtungsorientierter und zweitens ein verdrehsicherer Einbau des Zündsystems 1, 2 gegenüber der Bohrungsöffnung des zweiten Abschnittes 3B des Brennstoffzuführungselementes 3AB in der Wandung des Unterteiles I möglich.
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Das Zündsystem umfasst ein Befestigungselement III in der Art einer Einschraubhülse. Der Zylinderkopf ZK weist in der Zylinderkopföffnung ZK.1 zumindest im unteren Bereich der Einschraubhülse III ein Innengewinde (nicht näher dargestellt) auf. Die Einschraubhülse III weist ein Außengewinde (nicht näher dargestellt) auf.
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Nachdem die Komponenten I und II in den Kanal ZK.1 eingebracht worden sind, wird die Einschraubhülse III in den Schacht ZK.1 eingesetzt und im Zylinderkopf ZK verschraubt, wodurch die Einschraubhülse III mit ihrer Stirnfläche auf die Stirnfläche des Oberteiles II aufsetzt und das Oberteil II sowie das Unterteil I in Richtung Hauptbrennraum B drückt und an der Stufe des Zylinderkopfes ZK oberhalb des Unterteiles I beziehungsweise unterhalb des Oberteiles II, welches einen größeren Außendurchmesser als das Unterteil I aufweist, in Längserstreckung des Zylinderkopfes ZK im Zylinderkopf ZK positioniert.
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Zum Einbau und Ausbau, insbesondere der Servicefreundlichkeit nach dem erfolgten Einbau, wird nachfolgend noch einmal detailliert ausgeführt.
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Bei einem ersten Einbau werden das Unterteil I und das Oberteil II in den dafür im Zylinderkopf ZK vorgesehenen Kanal ZK.1 gesteckt, wobei die Nase II.7 in der Führungsaussparung für die bereits beschriebene Drehrichtungsorientierung von Oberteil II und Unterteil I gegenüber dem Zylinderkopf ZK und die Verdrehsicherung sorgen.
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Anschließend wird die Einschraubhülse III, wie bereits erläutert, in den Kanal ZK.1 eingeführt und entsprechend über das Außengewinde der Einschraubhülse III und das Innengewinde des Zylinderkopfes ZK eingeschraubt, wodurch gemäß der obigen Beschreibung eine Abdichtung (über II.6) zwischen Oberteil II und dem angrenzenden Zylinderkopf ZK erfolgt.
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Letztlich oder vor dem Einschrauben der Einschraubhülse III wird die Zündkerze 2A, wie bereits oben erläutert, in das Oberteil II eingeschraubt und aufgrund des Gewindeschnittes der aufeinander abgestimmten Gewinde zwischen Zündkerze 2A und Oberteil II vorgebbar positioniert. Danach wird die Zündspule 2B in herkömmlicher Weise auf die Zündkerze 2A gesteckt.
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Bei einem benötigten Service ist es somit in vorteilhafter Weise möglich, durch Ziehen der Zündspule 2B einen Wechsel der Zündkerze 2A vorzunehmen, ohne dass das Unterteil I und das Oberteil II oder das Befestigungsteil III ausgebaut werden müssen.
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Nur in dem Fall, in dem ein Service im Bereich der Vorkammer und/oder der Brennstoffzuführungsleitung 3AB durchgeführt werden soll, können das Oberteil II und das Unterteil I gemeinsam nach entsprechendem Lösen der Einschraubhülse III aus dem Kanal/Schacht ZK.1 gezogen werden.
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Das Brennstoffversorgungs- und Zündsystem wird insbesondere in Kombination mit einem Otto-Brennverfahren eingesetzt, welches eine erhöhte Magerlauffähigkeit aufweist, wobei Otto-Kraftstoffe (Erdgas und Benzin) in flüssiger und gasförmiger Form gemeint sind, wobei der Vorkammer 1 bevorzugt gasförmiger Brennstoff, wie zum Beispiel verdampftes Benzin oder beim Gasmotor Erdgas als Otto-Kraftstoff zugeführt wird. Dem Hauptbrennraum B wird bevorzugt Erdgas oder Benzin in flüssiger Form oder LGP (Liquefied Petroleum Gas) in flüssiger Form zugeführt.
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Das Otto-Brennverfahren ist in einer Patentanmeldung der Anmelderin mit dem Aktenzeichen
DE 10 2018 116 348.7 detailliert erläutert. Unter Verwendung des Brennstoffversorgungs- und Zündsystems kommt es durch den geteilten Brennraum (Vorkammer
1 und Hauptbrennraum
B) zur Vermeidung von erhöhten HC-Emissionen, die bisher bei ungeteiltem Brennraum bedingt durch schlechte Zünd- und Durchbrandfähigkeit entstehen.
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Das Brennstoffversorgungs- und Zündsystem
1,
2,
3 und das zugehörige Otto-Brennverfahren zeichnen sich durch eine erhöhte Leistungsfähigkeit des Gesamtzündsystems, insbesondere durch höhere Zündenergie durch Zündstrahlen in den Schusskanälen
S der Zündkammer aus, die reaktiv in den Hauptbrennraum
B einschießen. Es werden bei diesem Gasbrennverfahren unter Verwendung des erläuterten Brennstoffversorgungs- und Zündsystems verbesserte Bedingungen für die Primärzündung durch den Zündfunken der Zündkerze
2A in der Zündkammer
1 durch die in der Zündkammer
1 erzeugte Gemischzusammensetzung und Ladungsbewegung bewirkt, wie in der Druckschrift mit dem Aktenzeichen
DE 10 2018 116 348.7 detailliert erläutert ist.
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Eine weitere Verbesserung der Zündbedingungen in der Vorkammer 1 wird dadurch erreicht, dass das Kraftstoff/Luft-Gemisch seitlich - aus radialer Richtung - in Bezug auf die Längserstreckung der Vorkammer 1 zugeführt wird.
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Vorgesehen ist eine seitliche Zuführung des Kraftstoff-Luftgemisches über eine Brennstoffzuführungsleitung, insbesondere einen Zuführungskanal 3AB, der im Ausführungsbeispiel die erläuterten Abschnitte 3A und 3B aufweist.
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Der Abschnitt 3A ist der Bereich des Kanals, der im Zylinderkopf ZK ausgebildet ist, der im Wesentlichen radial zur Längserstreckung der Vorkammer 1 orientiert ist.
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Der Abschnitt 3B ist der Bereich des Kanals, der die Wandung des Unterteiles I durchgreift und der nachfolgend als Schusskanal bezeichnet wird.
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Zumindest dieser, die Wandung des Unterteiles I durchgreifende Abschnitt 3B (Schusskanal) des Zuführungskanals 3AB ist derart orientiert, dass das Kraftstoff/Luft-Gemisch direkt zu dem vorpositionierten offenen Bereich der Elektroden 2D der Zündkerze 2A geführt beziehungsweise durch den kanalartigen Schusskanal 3B schussartig zentriert zugeführt wird.
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Die Zentrierung erfolgt durch die bevorzugt kreiszylindrische Kanalöffnung des Schusskanals 3B, dessen Außendurchmesser kleiner ist als der Außendurchmesser des Abschnittes 3A des Zuführungskanals, in dem bevorzugt das Rückschlagventil 3.1 angeordnet ist. Der kleinere Außendurchmesser der kreiszylindrische Kanalöffnung ist derart gewählt, dass der Kraftstoff/Luft-Gemisch-„Schuss“ der Zünd(vor)kammerladung exakt auf den offenen Bereich zwischen den Elektroden 2D der Zündkerze 2A trifft, wodurch die Zündbedingungen in der Vorkammer 1 verbessert werden.
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Es ergibt sich ferner der Effekt, dass Restgas aus der vorgehenden Zünd(vor)kammerladung im Elektrodenbereich in verbesserter Weise, das heißt wirksamer „vollständiger“ weggespült wird, wodurch bei jeder Zünd(vor)kammerladung erneut ein optimal brennbares Kraftstoff/Luft-Gemisch im Bereich der Elektroden 2D, insbesondere exakt im offenen Bereich zwischen den Elektroden 2D, platziert werden kann.
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Durch das Rückschlagventil 3.1 direkt im Schusskanal 3B werden zudem in vorteilhafter Weise Toträume minimiert, so dass der Vorkammerraum 1 durch den mit der Vorkammer 1 verbundenen Zuführungskanal 3AB räumlich kaum verändert, insbesondere durch gegebenenfalls entstehende Toträume in nachteiliger Weise nicht vergrößert wird. Dazu trägt auch der geringe Außendurchmesser des Schusskanals 3B bei.
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Mit anderen Worten, die Abschnitte 3A, 3B des Zuführungskanals 3AB, insbesondere der Schusskanal 3B, können/kann je nach konstruktiven Randbedingungen in einem Winkel zueinander oder auch als gerade durchlaufender Zuführungskanal 3AB ausgeführt sein.
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Im Ausführungsbeispiel ist der Schusskanal 3B schräg in einem Winkel von circa 30° gegenüber einer gedachten Horizontalen, welche die Vorkammer 1 quer zur Längserstreckung der Vorkammer 1 schneidet, auf den offenen Bereich zwischen den Elektroden 2D der Zündkerze 2A ausgerichtet.
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Insgesamt erlaubt die beschriebene Ausgestaltung eine sehr schlanke Konstruktion des Zündsystems 1, 2 im Bereich des Zündkerzenschachtes ZK.1, da die Kraftstoff/Luft-Gemischzuführung im Wesentlichen - wie erläutert - über den Zuführungskanal 3AB erfolgt, der durch den Zylinderkopf ZK und die Wandung des Unterteiles I des Zündsystems 1, 2 geführt ist, so dass in dem Oberteil II des Zündsystems 1, 2 kein Bauraum für den Zuführungskanal 3AB benötigt wird.
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Bezugszeichenliste
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- ZK
- Zylinderkopf
- ZK.1
- Zylinderkopföffnung / Kanal, Schacht / Durchgangsöffnung
- ZK.11
- Führungselement
- ZK.5
- Dichtung
- Z
- Zylinder
- B
- Hauptbrennraum (Hauptkammer)
- KM
- Kolbenmulde
- K
- Zylinderkolben
- S
- Schusskanal
- L
- Längserstreckung
- 1, 2, 3
- Brennstoffversorgungs- und Zündsystem
- 1
- Zündkammer / Vorkammer
- 2
- Zündsystem
- 2A
- Zündquelle / Zündkerze
- 2B
- Zündquelle / Stabzündspule
- 2C
- Zündkabel
- 2D
- Elektroden
- 3
- Brennstoffzufuhrsystem
- 3A
- Abschnitt (zylinderkopfseitig)
- 3B
- Abschnitt (unterteilseitig)
- 3AB
- Brennstoffzuführungselement zur Vorkammer 1
- 3.1
- Rückschlagventil
- I, II
- Einbauteil
- I
- unterer Bereich, Unterteil
- 1.1
- Kühlrippen
- I.3
- Dichtung
- II
- oberer Bereich, Oberteil
- II.6
- Dichtung
- II.7
- Positionierelement / Nase
- III
- Befestigungsteil / Einschraubhülse
- 100
- Brennkraftmaschine
- 200
- Kühlsystem
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015221076 A1 [0002]
- DE 102015210669 A1 [0004, 0010]
- WO 2017/029323 A1 [0007]
- DE 102018116348 [0069, 0070]
