DE102020007673A1

DE102020007673A1 - Motorzündsystem mit turbulentem strahl

Info

Publication number: DE102020007673A1
Application number: DE102020007673.4A
Authority: DE
Inventors: Harold J. Schock; Thomas R. Stuecken
Original assignee: Michigan State University MSU
Current assignee: Michigan State University MSU
Priority date: 2019-12-19
Filing date: 2020-12-15
Publication date: 2021-06-24
Also published as: US11408329B2; US20210189946A1; JP7051149B2; JP2021099102A

Abstract

Ein Motorsystem nutzt eine vormontierte und/oder entfernbare Kartusche. In einem anderen Aspekt sind eine Zündeinrichtung, eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung und ein Lufteinlassventil alle auch nach Montage der Kartusche an einem Motorzylinderkopf von einer Oberseite der Kartusche aus zugänglich. Ein weiterer Aspekt positioniert Mittellinien einer Zündeinrichtung, einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung und eines Lufteinlassventils winkelversetzt zueinander und auch winkelversetzt zu einer Vertikalmittellinie einer Kartusche, an der sie befestigt werden.

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK UND ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Anmeldung betrifft im Allgemeinen Verbrennungsmotoren und insbesondere Verbrennungsmotoren mit Vorraumzündung.
Es ist bekannt, mit Verbrennungsmotoren zu experimentieren, die einen Verbrennungsvorraum aufweisen, der getrennt von einem Hauptverbrennungsraum oder einem Kolbenzylinder ist. Siehe z.B. US-Patentschrift Nr. 10,161,296 mit dem Titel „Internal Combustion Engine", die am 25. Dezember 2018 an den gemeinsamen Erfinder Schock et al. ausgestellt wurde; und die internationale PCT-Patentschrift Nr. WO 2019/027800 mit dem Titel „Diesel Engine with Turbulent Jet Ignition“, die gemeinsam von Schock et al. erfunden wurde. Beide davon sind hierin durch Bezugnahme mit einbezogen. Obgleich diese früheren Konfigurationen zur Zündung mit turbulentem Strahl deutliche Verbesserungen in der Industrie sind, sind zusätzliche Verbesserungen erwünscht, um Montage und Austausch zu erleichtern und die Komponenten präziser zu verpacken, bei gleichzeitigem Erreichen einer verbesserten Kraftstoffeffizienz.
Gemäß der vorliegenden Erfindung nutzt ein Motorzündsystem eine vormontierte und/oder entfernbare Kartusche. In einem anderen Aspekt sind eine Zündeinrichtung, eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung und ein Vorraum-Lufteinlassventil alle auch nach Montage der Kartusche an einem Motorzylinderkopf von einer Oberseite der Kartusche aus zugänglich. Ein weiterer Aspekt positioniert Mittellinien einer Zündeinrichtung, einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung und eines Lufteinlassventils winkelversetzt zueinander und auch winkelversetzt zu einer Vertikalmittellinie einer Kartusche, an der sie befestigt werden.
In einem noch weiteren Aspekt beinhaltet ein Motorzündsystem mit turbulentem Strahl eine vormontierte Kartusche, die eine im Allgemeinen dreieckige Form aus der Draufsicht aufweist. Ein weiterer Aspekt eines Motorzündsystems beinhaltet eine Kartusche, die entfernbar an einem Motor angebracht werden kann, wobei die Kartusche mehrere sich kreuzende Luftdurchgänge aufweist, die vollständig in einem Körper der Kartusche angeordnet sind, gerade sind und winkelversetzt zueinander sind. Darüber hinaus beinhaltet ein Verbrennungsvorraum eine Vorraumöffnung, die einen Versatzwinkel aufweist, der ein Rückströmen von Ladeluft aus dem Hauptkolbenraum während des Verdichtungshubs ermöglicht, um eine Wirbelbewegung in dem Vorraum zu erzeugen, die dabei hilft, eine Restkraftstoffverdampfung in dem Vorraum zu veranlassen, was Rußbildung und andere unerwünschte Probleme der Verbrennungszeiteinteilung vorteilhaft verhindert.
Das vorliegende System ist vorteilhaft gegenüber anderen herkömmlichen Vorrichtungen. Zum Beispiel ermöglicht die vorliegende Kartusche eine Vormontage von Komponenten an einem anderen Ort als dem, wo die Kartusche an dem Motorzylinderkopf montiert wird. Außerdem erleichtert das vorliegende System einen Komponentenaustausch, da die Komponenten von einer Oberseite der Kartusche aus zugänglich sind. Eine Fixierung der vorliegenden Kartusche ist zudem schneller und leichter zugänglich, und die vorliegende Kartusche lässt sich gleichzeitig wirtschaftlich praktikabler auf verschiedene Motorzylinderkopf-Konfigurationen anpassen. Zusätzliche Vorteile und Merkmale des vorliegenden Systems und Verfahrens werden ersichtlich anhand der folgenden Beschreibung und der beigefügten Ansprüche in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Draufsicht, die das vorliegende Motorzündsystem mit turbulentem Strahl zeigt, das eine Kartusche einsetzt, die an einem Motorzylinderkopf fixiert ist,
2 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie 2-2 aus 1, die das vorliegende System zeigt;
3 ist eine perspektivische Draufsicht, die die Kartusche und die Nockenwellen des vorliegenden Systems mit entferntem Motorzylinderkopf zeigt;
4 ist eine perspektivische Drauf- und Seitenansicht, die die Kartusche des vorliegenden Systems zeigt;
5 ist eine perspektivische Drauf- und Seitenansicht, entgegengesetzt zu der aus 4, die die Kartusche des vorliegenden Systems zeigt;
6 ist eine Aufsicht von der Seite, die die Kartusche des vorliegenden Systems zeigt;
7 ist eine Aufsicht von oben, die die Kartusche des vorliegenden Systems zeigt;
8 ist eine Querschnitts- und Teilansicht der Kartusche des vorliegenden Systems;
9 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht innerhalb von Kreis 9 aus 8, die die Kartusche des vorliegenden Systems zeigt;
10 ist eine Aufsicht von oben, die eine Abwandlung der Kartusche des vorliegenden Systems zeigt, wobei eine Luftansaugleitung und Stiftlöcher weggelassen sind;
11 ist eine perspektivische Ansicht von unten, die die Kartusche des vorliegenden Systems zeigt;
12 ist eine perspektivische Querschnittsansicht entlang der Linie 12-12 aus 1, die die Kartusche und den Motorzylinderkopf des vorliegenden Systems zeigt;
13 ist eine perspektivische Querschnittsansicht, entgegengesetzt zu der aus 12, die die Kartusche und den Motorzylinderkopf des vorliegenden Systems zeigt;
14 ist Querschnitts- und Teilansicht, entgegengesetzt zu der aus 8, die die Kartusche und den Motorzylinderkopf des vorliegenden Systems zeigt;
15 ist eine perspektivische Drauf- und Seitenansicht, die eine andere Abwandlung der Kartusche des vorliegenden Systems zeigt;
16 ist eine perspektivische Querschnittsansicht entlang der Linie 16-16 aus 15, die die Abwandlung der Kartusche des vorliegenden Systems aus 15 zeigt; und
17 ist eine perspektivische Querschnittsansicht wie die aus 16, jedoch von einer noch anderen Abwandlung der Kartusche des vorliegenden Systems.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Unter Bezugnahme auf 1-3 beinhaltet ein Verbrennungsmotor 21 eines Kraftfahrzeugs einen Motorblock 24 und einen daran befestigten Zylinderkopf 23. Ein Hauptantriebskolben 27 bewegt sich in einem Zylinderhohlraum 29 betriebsmäßig vor und zurück, um eine Pleuelstange 31 anzutreiben, die sich zwischen einem Bolzen 33 von Kolben 27 und einer Kurbelwelle 35 erstreckt. Außerdem beinhaltet der Zylinderkopf 23 einen Ansaugkanal 37, einen Abgaskanal 39 und eine Kartusche 41 eines Zündsystems mit turbulentem Strahl. Ein Hauptbrennraum 43 ist oberhalb eines Hauptkolbens 27, teilweise in Zylinderhohlraum 29 und Zylinderkopf 23, direkt unterhalb der Kartusche 41 zur Zündung mit turbulentem Strahl angeordnet. Zylinderkopf 23 beinhaltet optional entfernbare Abdeckungen 45, und Nockenwellen 47 sind drehbar in dem Zylinderkopf angeordnet. Dennoch kann, bei einigen Konfigurationen, die Nockenwelle in einem Zylinderblock angeordnet sein. Eine Kraftstoffeinspritzung in den Verteiler oder den Kanal 37 ist gezeigt, jedoch kann alternativ eine direkte Kraftstoffeinspritzung in den Hauptkolbenzylinder 43 eingesetzt werden.
Unter Bezugnahme auf 3-14 beinhaltet eine Kartusche 41 zur Zündung mit turbulentem Strahl einen Körper 51 und ein becherförmiges Vorraumgehäuse 53, das den Vorverbrennungsraum 55 innerlich darin definiert. Die Kartusche 41 weist auch einen seitlich vorstehenden Flansch 149 auf, der an oberen Flächen von Zylinderkopf 25 über Befestigungselemente 59 mit Gewinde, optional Spannstifte 61, und eine seitlich verlängerte Strebe 63 fixiert wird. Mindestens eine und bevorzugter drei bis zehn längliche Öffnungen 71 sind immer offen und verbinden den Vorraum 55 mit dem Hauptbrennraum 43. Jede Öffnung weist einen Durchmesser von ungefähr 1 mm auf. In dem in 8, 9 und 11 gezeigten Beispiel ist eine Länge einer zentralen Öffnung 71 an einer Längs- und Vertikalmittellinie 73 von Vorraumgehäuse 53 und Körper 51 ausgerichtet. 14 zeigt eine Ausführung mit nur diagonal ausgerichteten Öffnungen 75, die so konfiguriert ist, dass sie in dem Vorraum während der Verdichtung eine wirbelnde Strömung entwickelt und vermittelt.
Die Kartusche 41 zur Zündung mit turbulentem Strahl beinhaltet eine Zündeinrichtung 81, wie eine Zündkerze, Glühkerze oder dergleichen. Die Zündeinrichtung 81 weist einen Mittelteil, der entfernbar in einer länglichen Öffnung 83 von Körper 51 fixiert ist, und ein in Vorraum 55 angeordnetes distales Ende 85 zum Bereitstellen eines Funkens oder einer anderen Wärmezündquelle für ein kraftstoffreiches Kraftstoff-Luft-Gemisch in Vorraum 55 auf. Ein optionaler Vorraum-Druckwandler oder -anzeiger kann Teil von Zündeinrichtung 81 sein. Es ist auch vorgesehen, dass eine optionale elektrische Widerstandsheizeinrichtung 90 innenliegend in Vorraum 53 angeordnet werden kann.
Eine in Längsrichtung verlängerte und im Allgemeinen zylindrische Kraftstoffeinspritzeinrichtung 91 weist einen Mittelteil auf, der derart entfernbar in einer anderen länglichen Öffnung 93 durch Körper 51 hindurch angeordnet ist, dass sich ein distales Ende 95 der Kraftstoffeinspritzeinrichtung in dem Vorraum 55 befindet. Darüber hinaus veranschaulicht die beispielhafte Ausführungsform ein oberstes proximales Ende 97 der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 91, das an Querstrebe 63 gekoppelt ist, die wiederum mittels Bolzenbefestigungselementen 99 entfernbar an den Abdeckungen 45 von Zylinderkopf 23 fixiert ist. Alternativ kann die Kraftstoffeinspritzeinrichtung stromaufwärts von dem Vorraum-Luftansaugventil angeordnet sein und/oder beide können miteinander kombiniert sein.
Ein Vorraum-Lufteinlassventil 101 weist einen Mittelteil auf, der innerhalb einer anderen länglichen Öffnung 103 durch Körper 51 hindurch angeordnet ist, wobei ein Luftventilsitz 105 an einem distalen Ende davon in Vorraum 55 angeordnet ist, und wobei ein proximaler Endteil 107 innerhalb eines im Allgemeinen zylindrischen Kragens 109 angeordnet ist, der einstückig von dem Körper 51 hochsteht. Das Lufteinlassventil 101 beinhaltet eine schraubenförmig gewickelte Feder 111 und eine Sicherungskappe 113, die die Feder an einer in Längsrichtung verlängerten Welle 115 hält. Das Lufteinlassventil 101 ist vorzugsweise eine Art Tellerventil, das durch einen Kipphebel 121 bewegt wird, der durch Nockenwelle 47 angetrieben wird. Das Vorraum-Lufteinlassventil 101 ist von einem Hauptkolbenraum-Luftansaugventil getrennt. Alternativ kann das Tellerventil stattdessen auch ein Stift- oder Drehventil sein.
Ein Frischluftkanal 131 ist mittels eines Gewindeanschlussstücks 135 außen mit einer oberen Fläche 133 der Kartusche 41 verbunden. Eine Inline-Heizeinrichtung 137 ist benachbart zu dem Luftkanal 131 positioniert. Die Heizeinrichtung 137 kann eine vorrangig äußere Heizeinrichtung (wie in 4 gezeigt) oder eine vorrangig innere Heizeinrichtung sein. In einer Ausführung ist vorgesehen, dass eine Heizeinrichtung einen oder mehrere elektrisch widerstandsfähige Drähte oder Spulen beinhaltet, die in Kontakt mit Aluminium-Metallrippen oder daraus hervorstehenden Strukturen stehen und diese erwärmen, welche in Kontakt mit einem Kanal 131 und/oder der Frischluft, die durch diesen hindurchströmt, stehen. Bei der Ausführung mit innerer Heizeinrichtung ist zum Beispiel ein offenzelliger Metallschaum, mit stark vernetzten Porositäts- und Umlaufwegen, im Inneren des vergrößerten Zylinders koaxial zu Kanal 131 ausgerichtet, wobei die Schaumstruktur durch die widerstandsfähigen Spulen erwärmt wird. Ein solcher wärmeübertragender Schaum ist in US-Patentschrift Nr. 2005/0092181 mit dem Titel „Active Filtration of Airborne Contaminants Employing Heated Porous Resistance-Heated Filters“ an Shih et al. offenbart, die hierin durch Bezugnahme mit einbezogen ist. Die vorliegende Kombination aus Heizeinrichtung 137 und Vorraum erwärmt die eingehende Frischluft während eines anfänglichen Anlassens des Motors und eines anfänglichen Aufwärmens; danach wird die Heizeinrichtung deaktiviert. Alternativ kann ein separater paralleler Bypass-Luftkanal direkt zu dem Körper und dem Luftansaugventil speisen, wobei ein Luftstromventil abhängig davon, ob eine Erwärmung gewünscht ist oder nicht, zwischen den zwei Luftkanälen umschaltet, automatisch gesteuert durch eine programmierbare Vorraum- oder Motorsteuerung. Alternativ kann die Heizeinrichtung anstelle eines Drahts oder einer Spule Widerstandsfolien in seinem Körper oder Luftkanal verwenden. Das vorliegende Heizeinrichtung- und Vorraumsystem ist vorteilhafterweise einfacher zu installieren, leichter zu verpacken und effizienter und effektiver beim Erwärmen von Frischluft vor einer Verbrennung, als es eine Heizeinrichtung wäre, die nur mit dem Hauptkolbenzylinder verbunden ist.
Daneben kreuzt ein vertikal verlängerter Luftdurchgang 139 einen horizontal verlängerten Luftdurchgang 140 im Inneren des Körpers 51 der Kartusche. Ein oberes Ende von Durchgang 139 ist an einen Luftkanal 131 gekoppelt, und ein innerstes Ende von Durchgang 140 kreuzt die Öffnung 103, in der sich das Lufteinlassventil 101 bewegt. Die Durchgänge 139 und 140 sind vorzugsweise gerade, und eine Mehrheit dieser Eingangsluftdurchgänge sind seitlich überhängend und weiter von der Längsmittellinie 73 des Vorraumgehäuses 53 beabstandet von einer seitlichen Außenfläche 123 des Vorraumgehäuses 53 (wie in 6 und 14 am besten beobachtet werden kann). Alternativ ist vorgesehen, dass zusätzliche gerade oder gekrümmte Luftdurchtritte im Inneren des Kartuschenkörpers bereitgestellt werden können.
Das Lufteinlassventil 101 dient vorteilhafterweise einem zweifachen synergetischen Zweck: Zuführen von Luft in den Vorraum zur Verbrennung darin, und Bereitstellen auch eines zusätzlichen Luftstroms in den Vorraum vor und/oder nach der Verbrennung darin, um Verbrennungsrückstände auszuspülen. Darüber hinaus tritt eine Hauptrichtung der Hauptraumluft während der Kolbenverdichtung durch eine oder mehrere Öffnungen 71 hindurch, die in Bezug auf die Mittellinie 73 dreidimensional entlang einer Länge davon angewinkelt sind, zurück in den Vorraum ein. Dies geschieht, wenn der Kolben 27 einen Hub nach oben in Richtung des Vorraums 53 ausführt, sodass ein Teil einer verdichteten Verbrennungsladung durch die Öffnungen 71 hindurch zurückgedrängt wird. Der bzw. die Versatzwinkel der Öffnungen veranlassen als Wirkung eine Fluidwirbelströmung in dem Vorraum, die ein Verdampfen von Kraftstoffresten, die sich nach der Verbrennung darin in den Ecken des Vorraums befinden, vorteilhaft unterstützt, wodurch eine Rußbildung in dem Vorraum und andere unerwünschte Eigenschaften reduziert werden.
Die proximalen oberen Enden von Zündeinrichtung 81, Kraftstoffeinspritzeinrichtung 91 und Lufteinlassventil 101 sind alle von einer oberen Oberseitenfläche 133 der Kartusche 41 aus zugänglich. Außerdem ist eine Längsmittellinie 141 der Zündeinrichtung 81 um einen Winkel von ungefähr 13° gegenüber der Längs- und Vertikalmittellinie 73 des Vorraumgehäuses 53 versetzt. Darüber hinaus ist eine Längsmittellinie 143 des Lufteinlassventils 101 um einen Winkel von ungefähr 15° in Bezug auf die Längs- und Vertikalmittellinie 73 des Vorraumgehäuses 53 versetzt. Gleichermaßen ist eine Längsmittellinie 145 der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 91 um einen Winkel von ungefähr 5° in Bezug auf die Längs- und Vertikalmittellinie 73 des Vorraums versetzt. Somit sind auch die Mittellinien 141, 143 und 145 um einen Winkel voneinander versetzt und definieren eine dreieckig ausgerichtete Beziehung zwischen Löchern 147, die Befestigungselemente 59 aufnehmen. Darüber hinaus weist der Befestigungsflansch 149 von Kartusche 41, der Löcher 147 beinhaltet, die sich durch diesen hindurch erstrecken, eine im Allgemeinen dreieckige Form aus der Draufsicht (wie in 7 und 10 beobachtet werden kann) mit optional bogenförmig gekrümmten peripheren Ecken 151 und/oder gekrümmten peripheren Zwischenflächen 154 zwischen den Ecken auf.
Bemerkenswert ist, dass der Körper 51 der Kartusche 41 eine seitliche Abmessung 151 (siehe 6) aufweist, die größer ist als ein Außendurchmesser von Vorraum 53 und auch größer als eine Breite von Körper 51 in einer Richtung senkrecht zu der in 6 gezeigten. Außerdem ist eine Längenabmessung 153 in s Längsrichtung von Körper 51 größer als eine Längenabmessung 155 in Längsrichtung von Vorraum 53. Diese Abmessungs- und Formbeziehungen ermöglichen eine kompaktere Aufmachung und stellen dennoch eine Zugangsmöglichkeit zum Austausch durch den Benutzer von oben bereit, sodass die vormontierte Kartusche 41 leicht eingesetzt und von innerhalb eines Tals 161, das zwischen einem Paar gegenüberliegend aufsteigender Schultern von Zylinderkopf 23, bei einem V-förmigen Motor, erzeugt wird, entfernt werden kann. Die Drehachsen 163 der Nockenwellen 47 sind in dem Zylinderkopf 23 derart gelagert, dass sich die Längs- und Vertikalmittellinie 73 von Vorraumgehäuse 53 und Körper 51 zwischen den Nockenwellenachsen 163 nach oben erstreckt und im Allgemeinen senkrecht dazu ist. Alternativ kann die Vorraumkartusche entfernbar an einem Motor mit Inline-Form angebracht werden.
Die Kartusche 41 wird vorzugsweise unabhängig von Zylinderkopf 23 hergestellt. Eine Außenseite der Kartusche wird maschinell aus Aluminium oder Stahl hergestellt, wobei die Durchgänge innerlich darin ausgefräst sind. Danach wird der Körper der Kartusche ofenhartgelötet oder diffusionsgeschweißt, wenn der Körper als zwei separate Teile gegossen oder maschinell hergestellt wird. Alternativ können der Kartuschenkörper und/oder der Vorraum aus einem Keramik- oder einem anderen Material mit geringerer Wärmeleitfähigkeit hergestellt werden. Eine sich verjüngende und ringförmige Dichtung 200, vorzugsweise aus Kupfer hergestellt, berührt innerlich das Vorraumgehäuse 53 und Dichtungen zwischen ihr und dem Gewindeanschlussstück des unteren Endes von Körper 51, wenn diese zusammengeschraubt sind. Danach werden Zündeinrichtung, Kraftstoffeinspritzeinrichtung und Luftventil an dem Körper montiert, etwa durch gewindemäßiges Einschrauben der Komponenten oder anderweitig fixiert.
15 und 16 veranschaulichen eine alternative Ausführung eines Lufteinlassventils 201, das ansonsten mit der gleichen Kartusche zur Zündung mit turbulentem Strahl, wie vorstehend offenbart, eingesetzt wird. Das vorliegende beispielhafte Lufteinlassventil 201 beinhaltet einen Aktuator 221, der einen Piezostapel 222 in einem Gehäuse 224 aufweist. Wenn der Piezostapel elektrisch betätigt wird, bewegt sich ein Verdrängungsschieber 226, der dann die schraubenförmig gewickelte Feder 211 in Längsrichtung zusammendrückt, um den Ventilschaft 203 und den Ventilsitz 205 relativ zu dem Kartuschenkörper 51 zu bewegen.
17 zeigt noch eine weitere alternative Abwandlung eines Lufteinlassventils 301, das ansonsten mit der gleichen Kartusche 41, wie hierin vorstehend erörtert, genutzt wird. Dieses beispielhafte Lufteinlassventil weist eine elektrisch leitende Drahtspule 332 in ihrem Aktuator 321 auf. Wenn die Spule 332 über elektrische Drähte 334 erregt wird, erzeugt sie ein elektromagnetisches Feld, das einen zentralen Anker 336, der einen Permanentmagneten enthält, antreibt, um die Feder 311 zusammenzudrücken und den Ventilschaft 303 und Ventilsitz 305 relativ zu dem Kartuschenkörper 51 zu bewegen. Alternativ kann ein hydraulisch oder pneumatisch gesteuerter Luftventilaktuator eingesetzt werden, jeweils mit entsprechenden elektrischen Treibern, elektrischen Schaltungen, Luft- und/oder Öl-Fluidzuführungen, Fluidventilen und Fluidleitungen.
Obgleich verschiedene Merkmale der vorliegenden Erfindung offenbart wurden, sollte man verstehen, dass andere Abwandlungen eingesetzt werden können. Beispielsweise können unterschiedliche Luftventilaktuator-Konfigurationen und - Positionen genutzt werden, obgleich verschiedene Vorteile des vorliegenden Systems dann womöglich nicht realisiert werden können. Als ein anderes Beispiel kann der Kartuschenflansch einen vertikalen oder diagonalen Teil aufweisen, wobei bestimmte Vorteile womöglich nicht erhalten werden können. Zusätzlich können alternative Kraftstoff-Luft-Durchgänge, -Kanäle, -Öffnungen und -Anschlüsse in der Kartusche bereitgestellt werden, auch wenn einige Vorteile womöglich nicht erzielt werden können. Alternativ können Abwandlungen des Kraftstoff-Luft-Gemischs verwendet werden, aber darunter kann die Leistung leiden. Zum Beispiel können verschiedene alternative flüssige oder gasförmige Kraftstoffe anstelle von Benzin verwendet werden. Darüber hinaus, während die hier veranschaulichte Kartusche am besten für einen Motor mit obenliegender Nockenwelle geeignet ist, können unterschiedlich geformte und bemessene Kartuschen für unterschiedlich konfigurierte Motoren, wie etwa für einen Motor vom Inline-Typ, genutzt werden. In einer anderen Abwandlung können, wenn die Kraftstoffeinspritzeinrichtung und das Vorraum-Lufteinlassventil kombiniert werden, nur zwei Öffnungen (jeweils eine) in der Vorraumkartusche erforderlich sein. Abwandlungen sind nicht als eine Abweichung von der vorliegenden Offenbarung anzusehen, und alle derartigen Modifizierungen sollen innerhalb des Schutzumfangs und Grundgedankens der vorliegenden Erfindung eingeschlossen sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 10161296 [0002]
WO 2019/027800 [0002]
US 2005/0092181 [0011]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Titel „Internal Combustion Engine“, die am 25. Dezember 2018 [0002]

Claims

Motorzündsystem, umfassend: (a) einen Motorzylinderkopf, der eine nach oben weisender Fläche und eine Aufnahme beinhaltet, die so konfiguriert ist, dass sie für einen Kolbenzylinder zugänglich ist; (b) eine vormontierte Kartusche, umfassend: (i) einen Körper, der Öffnungen darin beinhaltet; (ii) einen Vorraum, der an einen unteren Abschnitt des Körpers gekoppelt ist, wobei der Vorraum einen Vorverbrennungshohlraum und mindestens eine Verbrennungsaustrittsöffnung beinhaltet, die so konfiguriert ist, dass sie für den Kolbenzylinder zugänglich ist; (iii) eine Zündeinrichtung, die in einer ersten der Körperöffnungen angeordnet ist, wobei die Zündeinrichtung eine Längsmittellinie und ein distales Ende in oder benachbart zu dem Vorverbrennungshohlraum aufweist; (iv) eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung, die in einer zweiten der Körperöffnungen angeordnet ist, wobei die Kraftstoffeinspritzeinrichtung eine Längsmittellinie und ein distales Ende in oder benachbart zu dem Vorverbrennungshohlraum aufweist; (v) ein Lufteinlassventil, das in einer dritten der Körperöffnungen angeordnet ist, wobei das Lufteinlassventil eine Längsmittellinie und ein distales Ende in oder benachbart zu dem Vorverbrennungshohlraum aufweist; (vi) wobei die Mittellinien der Zündeinrichtung, der Kraftstoffeinspritzeinrichtung und des Lufteinlassventils winkelversetzt zueinander und winkelversetzt zu einer Vertikalmittellinie des Körpers und des Vorraums sind; (vii) wobei die Zündeinrichtung und das Lufteinlassventil in ihren jeweiligen Körperöffnungen fixiert sind und von einer Oberseite des Körpers aus zugänglich sind; (c) ein Befestigungselement, das zumindest einen Abschnitt der Kartusche innerhalb der Aufnahme des Motorzylinderkopfs entfernbar fixiert, und wobei das Befestigungselement entfernbar an der nach oben weisender Fläche des Motorzylinderkopfs fixiert ist.
System nach Anspruch 1, ferner umfassend: einen Eingangsluftkanal, der außen mit der Oberseite des Kartuschenkörpers verbunden ist, wobei der Kartuschenkörper mehrere gerade Luftdurchgänge beinhaltet, die mit der dritten Öffnung des Körpers verbunden sind, um durch das Lufteinlassventil gesteuert zu werden, wobei mindestens zwei der geraden Luftdurchgänge an ihrem Kreuzungspunkt, der sich im Inneren des Körpers zwischen dem Luftkanal und der dritten Öffnung des Körpers befindet, winkelversetzt zueinander sind; und eine Heizeinrichtung, die an den Luftkanal gekoppelt ist.
System nach Anspruch 1, wobei: das Lufteinlassventil ein Spülventil mit einem Aktuator ist, der einer ist von: (a) einem hydraulischen Aktuator, (b) einem pneumatischen Aktuator, (c) einem Aktuator mit einer elektrischen Spule und einem beweglichen Anker und (d) einem piezoelektrischen Aktuator; ein oberer Abschnitt des Aktuators sich über der Kartusche erstreckt, wenn er daran montiert ist; und ein anderer Abschnitt des Aktuators in einem Kragen angeordnet ist, der von der Oberseite des Körpers nach oben vorsteht.
System nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine metallische, ringförmige und sich verjüngende Dichtung, die benachbart zu einer Übergangsstelle zwischen dem Vorraum und dem Körper angeordnet ist, und wobei der Vorraum mit der Unterseite des Körpers durch zusammenpassende Gewinde in Seitenwänden davon verbunden ist.
System nach Anspruch 1, wobei: die Kartusche in einem Tal des Motorzylinderkopfs zwischen Nockenwellen angeordnet ist, die um parallele Achsen drehbar sind, die im Wesentlichen senkrecht zu der Vertikalmittellinie des Körpers und des Vorraums sind; und mehrere der Befestigungselemente einen seitlich vorstehenden Flansch der Kartusche an dem Motorzylinderkopf seitlich innenliegend zu den Nockenwellenachsen fixieren.
System nach Anspruch 1, wobei: die Kartusche eine im Wesentlichen dreieckige Form aus der Draufsicht mit gekrümmten Ecken aufweist; das Lufteinlassventil benachbart zu einer der Ecken ist; und die Zündeinrichtung, die Kraftstoffeinspritzeinrichtung und das Lufteinlassventil relativ zueinander in einer dreieckigen Ausrichtung aus der Draufsicht angeordnet sind.
System nach Anspruch 1, wobei: der Körper der Kartusche eine größte vertikale Abmessung aufweist, die größer als eine größte vertikale Abmessung des Vorraums ist; und eine größte horizontale Abmessung des Körpers größer als eine größte horizontale Abmessung des Vorraums ist.
Motorzündsystem, das eine Kartusche umfasst, umfassend: (a) einen Körper, der Öffnungen darin beinhaltet; (b) einen Vorraum, der an einen unteren Abschnitt des Körpers gekoppelt ist, wobei der Vorraum einen Vorverbrennungshohlraum und mindestens eine Verbrennungsaustrittsöffnung beinhaltet; (c) eine Zündeinrichtung, die in einer ersten der Körperöffnungen angeordnet ist, wobei die Zündeinrichtung eine Längsmittellinie und ein distales Ende in oder benachbart zu dem Vorverbrennungshohlraum aufweist; (d) eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung, die in einer zweiten der Körperöffnungen angeordnet ist, wobei die Kraftstoffeinspritzeinrichtung eine Längsmittellinie und ein distales Ende in oder benachbart zu dem Vorverbrennungshohlraum aufweist; (e) ein Lufteinlassventil, das in einer dritten der Körperöffnungen angeordnet ist, wobei das Lufteinlassventil eine Längsmittellinie und ein distales Ende in oder benachbart zu dem Vorverbrennungshohlraum aufweist; (f) wobei die Zündeinrichtung, die Kraftstoffeinspritzeinrichtung und das Lufteinlassventil in ihren jeweiligen Öffnungen fixiert sind und von einer Oberseite des Körpers aus zugänglich sind; (g) einen Flansch, der benachbart zu einem oberen Abschnitt des Körpers angeordnet ist und mindestens ein Befestigungsloch durch den Flansch hindurch beinhaltet; und (h) wobei die Kartusche einen Umfang mit einer im Wesentlichen dreieckigen Form aus der Draufsicht und mindestens einem gekrümmten Umfangsteil davon aufweist.
System nach Anspruch 8, wobei: die Mittellinien der Zündeinrichtung, der Kraftstoffeinspritzeinrichtung und des Lufteinlassventils winkelversetzt zueinander und winkelversetzt zu einer Vertikalmittellinie des Körpers und des Vorraums sind; und die Zündeinrichtung, die Kraftstoffeinspritzeinrichtung und das Lufteinlassventil relativ zueinander in einer dreieckigen Ausrichtung aus der Draufsicht angeordnet sind.
System nach Anspruch 8, ferner umfassend: einen Motorzylinderkopf; Nockenwellen; wobei die Kartusche in einem Tal des Motorzylinderkopfs zwischen den Nockenwellen angeordnet ist, die um parallele Achsen drehbar sind, wobei die Achsen im Wesentlichen senkrecht zu einer Vertikalmittellinie des Vorraums sind; wobei Befestigungselemente die Kartusche des Motorzylinderkopfs entfernbar fixieren; und wobei die Zündeinrichtung, die Kraftstoffeinspritzeinrichtung, das Lufteinlassventil und der Vorraum am Körper vormontiert werden, bevor die Kartusche an dem Motorzylinderkopf montiert wird.
System nach Anspruch 8, wobei: der Körper der Kartusche eine größte vertikale Abmessung aufweist, die größer als eine größte vertikale Abmessung des Vorraums ist; und eine größte horizontale Abmessung des Körpers größer als eine größte horizontale Abmessung des Vorraums ist.
Motorzündsystem, das eine Kartusche umfasst, umfassend: (a) einen Körper, der Öffnungen darin beinhaltet; (b) einen Vorraum, der an den Körper gekoppelt ist, wobei der Vorraum einen Vorverbrennungshohlraum und mindestens eine Verbrennungsaustrittsöffnung beinhaltet; (c) eine Zündeinrichtung, die in einer ersten der Körperöffnungen angeordnet ist; (d) eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung, die in einer zweiten der Körperöffnungen angeordnet ist; (e) ein Lufteinlassventil, das in einer dritten der Körperöffnungen angeordnet ist; (f) einen Befestigungsflansch, der von dem Körper vorsteht; (g) wobei der Körper der Kartusche eine größte Längsabmessung aufweist, die größer als eine größte Längsabmessung des Vorraums ist; (h) wobei eine größte seitliche Abmessung des Körpers größer als eine größte seitliche Abmessung des Vorraums ist; (i) wobei ein Abschnitt des Körpers, der benachbart zu dem Flansch ist, weiter weg von einer Längsmittellinie des Vorraums seitlich erweitert ist, verglichen mit einer gegenüberliegenden Seite des Körpers.
System nach Anspruch 12, wobei die Mittellinien der Zündeinrichtung, der Kraftstoffeinspritzeinrichtung und des Lufteinlassventils winkelversetzt zueinander und winkelversetzt zu der Längsmittellinie des Vorraums sind.
System nach Anspruch 12, ferner umfassend einen hohlen Kragen, der sich nach oben erstreckt und ein einstückiges einzelnes Teil mit dem Flansch und dem Körper der Kartusche ist, und wobei ein oberer Abschnitt des Lufteinlassventils in dem Kragen angeordnet ist.
System nach Anspruch 12, ferner umfassend: einen Eingangsluftkanal, der außen mit dem gleichen Ende des Kartuschenkörpers verbunden ist wie die Zündeinrichtung, die Kraftstoffeinspritzeinrichtung und das Lufteinlassventil; und eine Heizeinrichtung, die an den Luftkanal gekoppelt ist, wobei sich die Heizeinrichtung außerhalb des Körpers der Kartusche befindet.
Verfahren zur Herstellung mindestens eines Abschnitts eines Motors, umfassend: (a) Erzeugen einer Kartusche, die einen Körper, einen Flansch, der von dem Körper vorsteht, und winkelversetzte Fluidströmungswege im Inneren des Körpers umfasst; (b) Anbringen eines Verbrennungsvorraums an dem Körper, wobei sich mehrere Verbrennungsaustrittsöffnungen von dem Vorraum erstrecken; (c) Vormontieren einer Zündeinrichtung, eines Lufteinlassventils und einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung an dem Körper der Kartusche, wobei die oberen Abschnitte der Zündeinrichtung, des Lufteinlassventils und der Kraftstoffeinspritzeinrichtung von dem gleichen Ende des Körpers aus zugänglich ist; und (d) entfernbares Fixieren des Flanschs der vormontierten Kartusche an einem Motorzylinderkopf nach Schritt (c).
Verfahren nach Anspruch 16, das ferner ein Anordnen der vormontierten Kartusche innerhalb eines Tals des Motorzylinderkopfs zwischen Nockenwellendrehachsen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 16, ferner umfassend: Positionieren des Vorraums benachbart zu einem und zugänglich für einen Hauptverbrennungskolbenzylinder; und wobei das Fixieren an mindestens einer nach oben weisender Fläche des Motorzylinderkopfs erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 16, das ferner ein Ausrichten von Komponentenmittellinien der Zündeinrichtung, der Kraftstoffeinspritzeinrichtung und des Lufteinlassventils winkelversetzt zueinander und winkelversetzt zu einer Längsmittellinie des Vorraums umfasst, und wobei die Komponentenmittellinien in einer Ansicht des oberen Endes dreieckig zueinander ausgerichtet sind.
Verfahren nach Anspruch 16, das ferner umfasst, dass Luft ermöglicht wird, durch die winkelversetzten Fluidströmungswege hindurch zu dem Lufteinlassventil zu strömen, wobei zumindest eine Mehrheit der Strömungswege im Inneren des Körpers an einer seitlichen Außenfläche des Vorraums seitlich außen überhängend ist.