DE102019131360B4

DE102019131360B4 - Zylinderkopf für eine fremd gezündete Hubkolben-Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102019131360B4
Application number: DE102019131360.0A
Authority: DE
Inventors: Dirk Christian Leinhos; Laura Baumgartner
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2019-11-20
Filing date: 2019-11-20
Publication date: 2024-05-02
Anticipated expiration: 2039-11-21
Also published as: DE102019131360A1; CN114423934B; US20220403771A1; CN114423934A; WO2021099053A1; US11852069B2

Abstract

Zylinderkopf für eine fremd gezündete Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem Vorkammerzündsystem (1) mit einem Hohlraum, in dem eine Zündvorrichtung anordenbar ist, wobei der Hohlraum mit einem Deckel (2) gegenüber einem Brennraum (3) der Hubkolben-Brennkraftmaschine abgedeckt ist, wobei der Deckel (2) zumindest zwei Durchbrüche (4) aufweist, die den Hohlraum und den Brennraum (3) Gas führend miteinander verbinden, wobei der Hohlraum von einer Trennwand (5) in eine erste Zündkammer (6) und eine zweite Zündkammer (7) aufgeteilt ist, wobei jeder Zündkammer (6, 7) ein Durchbruch (4) zugeordnet ist dadurch gekennzeichnet, dass die erste Zündkammer (6) ein größeres Volumen aufweist als die zweite Zündkammer (7).

Description

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für eine fremd gezündete Hubkolben-Brennkraftmaschine mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 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.
Aus der DE 24 08 128 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit einem Zylinder, einem Kolben, einem Zylinderkopf, der mit dem Zylinder und dem Kolben unter Bildung einer Hauptkammer für die Verbrennung eines mageren Gemisches zusammenarbeitet, einem Einlassventil mit einem Ventilstößel und einem daran angeschlossenen Ventilkopf, eine Ansaugöffnung für das hauptsächliche Einführen von Luft oder mageren Gemisches, und eine Auffangkammer für die Aufnahme des fetten Gemisches, die wenigstens einen Saugspalt aufweist, durch den das fette Gemisch in die Auffangkammer eingeführt wird, wenn das Einlassventil geöffnet ist bekannt. Die Auffangkammer weist ferner wenigstens einen Ablassspalt auf, der die Auffangkammer mit der Hauptkammer verbindet. In der Auffangkammer ist eine Zündkerze untergebracht. Zudem ist eine Brennstoffeinspritzdüse vorgesehen, mit der bei geöffnetem Einlassventil Brennstoff unter einem gegenüber dem atmosphärischen Druck höheren Druck einspritzbar ist, sodass dem Saugspalt ein fettes Gemisch zugeführt wird. Weiterhin ist eine zwischen den Saugspalt und dem Ablassspalt in der Auffangkammer vorgesehene Trennwand vorgesehen.
Ein weiteres Bespiel für einen Verbrennungsmotor, welcher eine Hauptbrennkammer und eine Hilfsbrennkammer aufweist, ist der DE 26 04 442 A1 als bekannt zu entnehmen.
Weiter ist aus der internationalen Patentanmeldung mit der internationalen Veröffentlichungsnummer WO 2008 / 031 482 A1 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,

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.
Weiter ist aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2016 206 992 A1 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.
Nachteilig an den bekannten Vorkammerzündsystemen ist die Tatsache, dass sie entweder nur für hohe Lasten und/oder Drehzahlen oder für niedrige Lasten und/oder Drehzahlen der Brennkraftmaschine optimal ausgelegt werden kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Maßnahme aufzuzeigen, wie ein Vorkammerzündsystem oben genannten Nachteil vermeidet.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Wie bereits erwähnt existieren derzeit keine passive Vorkammerzündsysteme, die im gesamten Kennfeld einer fremd gezündeten Hubkolben-Brennkraftmaschine, also sowohl in der Teillast als auch in der Volllast perfekt funktionieren, sprich zuverlässig zünden und möglichst geringe Rohemissionen erzeugen, als konventionelle Zündsysteme. Man kann somit das Vorkammerzündsystem entweder für die Teillast oder für die Volllast auslegen oder muss einen Kompromiss eingehen, der aber nicht das volle Potential der Hubkolben-Brennkraftmaschine erschließt. Während für den Betrieb in der Teillast ein großes Oberflächen-zu-Vorkammervolumenverhältnis vorteilhaft ist, wird für die Volllast ein kleines Verhältnis benötigt. Mit Oberfläche ist hierbei die durchströmte Fläche der Durchbrüche zwischen Kammer und Brennraum gemeint.
Das Grundprinzip der Erfindung ist, dass ein großes Vorkammerzündvolumen in Teilzündkammern unterteilt wird, um alle Betriebsbereiche optimal abdecken zu können. Durch eine Unterteilung des Vorkammerzündvolumens ergeben sich somit Vorteile im Teillastbetrieb. Die Nachteile der Strömungsbedingungen bzw. der niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten bei geringen Kompressionsdrücken, können durch eine deutliche Verringerung der Einzelvolumina verbessert werden. Der gesamte Impuls der austretenden Zündstrahlen aus den Teilzündvorkammern kann gleichzeitig konstant gehalten werden.
Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Zündkammer ein größeres Volumen aufweist, als die zweite Zündkammer. Dadurch ist es möglich, das Vorkammerzündsystem optimal sowohl an die Teillast als auch an die Volllast der Hubkolben-Brennkraftmaschine anzupassen.
Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 2 ermöglicht, dass nur eine Teilzündkammer mit einer primären Zündquelle gezündet wird und die andere Teilzündkammer durch eine Querverbindung nachzündet.
Mit der Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 3 ist es möglich, jede Zündkammer individuell zu zünden, um sowohl in der Volllast als auch in der Teillast der Hubkolben-Brennkraftmaschine den bestmöglichen Zündzeitpunkt einstellen zu können.
Mit der Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 4 ist es möglich, die Anzahl der austretenden Zündstrahlen an den Betriebspunkt der Hubkolben-Brennkraftmaschine anzupassen.
Mit der Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 5 ist zwar ein aufwändigeres Vorkammerzündsystem dargestellt, welches jedoch in vorteilhafter Weise die besten Zündeigenschaften aufweist.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand von sechs Figuren für sechs Ausführungsbeispiele näher erläutert.

1 zeigt eine erste Variante eines Vorkammerzündsystems.
2 zeigt eine zweite Variante des Vorkammerzündsystems.
3 zeigt eine dritte Variante des Vorkammerzündsystems.
4 zeigt eine vierte Variante des Vorkammerzündsystems.
5 zeigt eine fünfte Variante des Vorkammerzündsystems.
6 zeigt eine sechste Variante des Vorkammerzündsystems.

Im Folgenden sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nur 1 vollständig und 2 ergänzend beziffert. Für die 1 bis 6 gelten jedoch für gleiche Bauelemente die gleichen Bezugsziffern, auch wenn sie nicht beziffert sind.
Vorab sei gesagt, dass die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Vorkammerzündsystems 1 sowohl für passive Vorkammerzündsysteme 1, wie hier teilweise dargestellt, als auch für aktive Vorkammerzündsysteme 1, mit aktiver Einbringung von Kraftstoff, von Kraftstoff/Luft-Gemisch oder von Luft in den Hohlraum des Vorkammerzündsystems 1, eingesetzt werden kann. Die Einbringung von Kraftstoff in eine Zündkammer 6, 7 ist in den 1 bis 6 nicht dargestellt.
1 zeigt eine erste Variante eines Vorkammerzündsystems 1. Das Vorkammerzündsystem 1 ist für einen Zylinderkopf für eine fremd gezündete, nicht dargestellte Hubkolben-Brennkraftmaschine vorgesehen. Das Vorkammerzündsystem 1 kann beispielsweise direkt in den Zylinderkopf der Hubkolben-Brennkraftmaschine eingearbeitet sein, oder, wie in den 1 bis 6 dargestellt, kann das Vorkammerzündsystem 1 auch als ein separates Bauteil ausgeführt sein, welches in den Zylinderkopf der Hubkolben-Brennkraftmaschine einbaubar ist.
Das Vorkammerzündsystem 1 weist einen Hohlraum auf, in dem zumindest eine Zündvorrichtung, wie beispielsweise eine Zündkerze, anordenbar ist. Die Zündvorrichtung ist schematisch durch einen Entflammungsstern dargestellt. Der Hohlraum des Vorkammerzündsystems 1 ist mit einem Deckel 2 gegenüber einem Brennraum 3 der Hubkolben-Brennkraftmaschine abgedeckt. Hierbei weist der Deckel 2 zumindest zwei Durchbrüche 4 auf, die den Hohlraum und den Brennraum 3 Gas führend miteinander verbinden. Beim Betrieb der Hubkolben-Brennkraftmaschine findet eine Zündung in dem Hohlraum des Vorkammerzündsystems 1 statt, und entzündet ein Kraftstoff-Luft-Gemisch in dem Hohlraum. Anschließend tritt eine Zündflamme oder ein Zündstrahl durch die Durchbrüche 4 in den Brennraum 3 über und entzündet ein in dem Brennraum 3 befindliches Kraftstoff-Luft-Gemisch.
Dabei ist der Hohlraum von einer Trennwand 5 in eine erste Zündkammer 6 und in eine zweite Zündkammer 7 aufgeteilt, wobei jeder Zündkammer 6, 7 zumindest ein Durchbruch 4 zugeordnet ist.
Die Anzahl der der Durchbrüche 4 kann für alle Ausführungsvarianten auch deutlich höher als in den dargestellten Varianten sein. Auch die Größe und Form der Durchbrüche 4 kann variieren.
In 1 ist somit ein Einkammerbetrieb dargestellt, der insbesondere für niedrige Drehzahlen und niedrige Lastzustände der Hubkolben-Brennkraftmaschine geeignet ist. Die zweite Zündkammer 7 wird hierbei bevorzugt mit einer aktiven Einbringung von Kraftstoff in die zweite Zündkammer 7 betrieben. Dann entzündet die Hauptverbrennung in dem Brennraum 3 zeitlich verzögert das Kraftstoff-Luft-Gemisch in der zweiten Zündkammer 7, wodurch die Rohemissionen der Hubkolben-Brennkraftmaschine nochmals deutlich gesenkt werden können.
2 zeigt eine zweite Variante des Vorkammerzündsystems 1. In dieser Variante weist die Trennwand 5 eine Öffnung 8 auf. Dies bedeutet, dass beim Betrieb der Hubkolben-Brennkraftmaschine der Zündfunke zuerst die erste Zündkammer 6 entflammt, anschließend der Zündfunke auf die zweite Zündkammer 7 überspringt und anschließend aus beiden Zündkammern 6, 7 die Zündstrahlen aus dem Hohlraum in den Brennraum 3 übertreten. In diesem Fall wird die zweite Zündkammer 7 passiv, d. h. ohne Einbringung von Kraftstoff in die zweite Zündkammer 7 betrieben. In weiteren Varianten können auch mehrere Öffnungen 8 vorgesehen werden. Dies gilt auch für 5.
3 zeigt eine dritte Variante des Vorkammerzündsystems 1, welche für die Erfindung beispielhaft ist. Hierbei weist die erste Zündkammer 6 ein größeres Volumen auf als die zweite Zündkammer 7. Somit ist eine deutliche Anpassung an den Betriebszustand der Hubkolben-Brennkraftmaschine sowohl in der Teillast als auch in der Volllast bzw. bei niedrigen Drehzahlen oder hohen Drehzahlen möglich. Die zweite Zündkammer 7 wird bevorzugt wieder aktiv betrieben.
4 zeigt eine vierte Variante des Vorkammerzündsystems 1. In dieser vierten Variante ist sowohl in der ersten Zündkammer 6 als auch in der zweiten Zündkammer 7 jeweils eine eigene Zündvorrichtung vorgesehen. Mit dieser Ausgestaltung ist es möglich, jede Zündkammer individuell den Betriebsbedingungen der Hubkolben-Brennkraftmaschine anzupassen. Es liegt sozusagen eine Doppelzündung vor.
5 zeigt eine fünfte Variante des Vorkammerzündsystems 1. Auch in dieser fünften Variante sind jeweils für die erste Zündkammer 6 und die zweite Zündkammer 7 jeweils eine eigene Zündvorrichtung vorgesehen, wobei darüber hinaus die Trennwand zumindest eine Öffnung 8 aufweist. Es handelt sich somit um eine geteilte Zündvorkammer mit Durchbrüchen.
6 zeigt eine sechste Variante des Vorkammerzündsystems 1. Mit dieser sechsten Variante liegt ebenso wie in der dritten Variante ein geteiltes Vorkammerzündsystem 1 vor, wobei das erste Volumen der ersten Zündkammer 6 und das zweite Volumen der zweiten Zündkammer 7 unterschiedlich groß sind. Weiter sind in dieser sechsten Variante der ersten Zündkammer 6 zumindest zwei Durchbrüche 4 zugewiesen, während der zweiten Zündkammer 7 zumindest ein Durchbruch 4 in dem Deckel 2 zugewiesen ist. Es handelt sich somit um eine geteilte, asymmetrische Vorkammer.
Es sind somit sechs unterschiedliche Varianten des geteilten Vorkammerzündsystems 1 dargestellt. Die Teilung kann symmetrisch (gleiche Teilvolumina), asymmetrisch (unterschiedlich große Teilvolumina) und/oder mit Öffnungen 8 in der Trennwand 5 ausgeführt sein. Auch bezüglich der Zündquellen sind verschiedene Varianten möglich: die erste und die zweite Zündkammer 6, 7 werden entweder immer gezündet (durch zwei Zündquellen, durch eine Querzündung durch die Öffnung 8 in der Trennwand 5, oder durch einen applizierbaren Funkenüberschlag (Nachzünden einer Zündkammer durch die Verbrennung im Brennraum 3) oder es wird in der Teillast nur eine Zündkammer gezündet.
Bezugszeichenliste

1: Vorkammerzündsystem
2: Deckel
3: Brennraum
4: Durchbruch
5: Trennwand
6: erste Zündkammer
7: zweite Zündkammer
8: Öffnung

Claims

Zylinderkopf für eine fremd gezündete Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem Vorkammerzündsystem (1) mit einem Hohlraum, in dem eine Zündvorrichtung anordenbar ist, wobei der Hohlraum mit einem Deckel (2) gegenüber einem Brennraum (3) der Hubkolben-Brennkraftmaschine abgedeckt ist, wobei der Deckel (2) zumindest zwei Durchbrüche (4) aufweist, die den Hohlraum und den Brennraum (3) Gas führend miteinander verbinden, wobei der Hohlraum von einer Trennwand (5) in eine erste Zündkammer (6) und eine zweite Zündkammer (7) aufgeteilt ist, wobei jeder Zündkammer (6, 7) ein Durchbruch (4) zugeordnet ist dadurch gekennzeichnet, dass die erste Zündkammer (6) ein größeres Volumen aufweist als die zweite Zündkammer (7).
Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand (5) eine Öffnung (8) aufweist, die die erste Zündkammer (6) und die zweite Zündkammer (7) Gas führend miteinander verbindet.
Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Zündkammer (6, 7) eine Zündvorrichtung zugeordnet ist.
Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der ersten und der zweiten Zündkammer (6, 7) unterschiedlich viele Durchbrüche (4) zugeordnet sind.
Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder die zweite Zündkammer (6, 7) aktiv mit Kraftstoff, mit einem Kraftstoff/Luft-Gemisch oder mit Luft spülbar sind.