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Die Erfindung betrifft ein Vorkammersystem für einen Verbrennungsmotor, mit einer Vorkammerwandung, die eine Vorkammer begrenzt, und einer Zündeinrichtung, die in zumindest einem Betriebsmodus zur direkten Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in der Vorkammer vorgesehen ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Verbrennungsmotor mit einem solchen Vorkammersystem sowie ein Verfahren zur Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in einem bei unterschiedlichen Motorlasten betreibbaren Verbrennungsmotor mittels eines Vorkammersystems.
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Im Stand der Technik sind unterschiedlichste Varianten von Vorkammer-Zündsystemen, auch kurz Vorkammersysteme genannt, bekannt, welche im Bereich der Hubkolben-Brennkraftmaschinen angewendet werden. Diese Vorkammersysteme zeichnen sich durch eine vom Brennraum getrennte Vorkammer aus, in welcher ein Kraftsoff-Luft-Gemisch durch eine herkömmliche Zündkerze gezündet wird. Die Vorkammer ist hierbei durch Bohrungen, auch als Düsen bezeichnet, welche in der Regel in der Deckwand der Vorkammer angeordnet sind, mit dem Hauptbrennraum verbunden. Die einsetzende Verbrennung innerhalb der Vorkammer und die damit verbundene Druckerhöhung führt zum Übertritt der Flammen, bzw. der teiloxidierten Produkte aus der Vorkammer in den Hauptbrennraum, welche wiederrum dort das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Hauptbrennraum zünden. Der Vorteil dieses Zündkonzeptes ist ein sehr geringer Zündverzug des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Hauptbrennraum und eine sehr schnelle Verbrennung mit geringerer Klopfneigung, da durch die Zündstrahlen der Vorkammer im Vergleich zur Zündkerze gleichzeitig große Kraftstoff-Luft-Gemischbereiche im Hauptbrennraum erfasst werden und somit die Flammenwege erheblich verkürzt und die Flammenfrontoberfläche erheblich vergrößert wird. Es handelt sich hierbei um eine raumgreifende oder großräumige Zündung.
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Eine passive, d.h. nicht aktiv Gemisch-kontrollierte, Vorkammerzündung ist vor allem im klopfbeschränkten Bereich des Kennfeldes von Nutzen, während sie im Teillastbereich einer konventionellen Funkenzündung in der Regel unterlegen ist. Die Kombination einer konventionellen Funkenzündung und einer passiven Vorkammerkerze erfordert aufgrund der notwendigen zwei Zündsysteme in der Regel einen nicht unerheblichen Kompromiss zwischen einer üblicherweise bevorzugten Zentrallage und einer eher benachteiligten Seitenlage des Zündsystems. Zudem bedeutet die Verwendung zweier unabhängiger Zündsysteme in der Regel eine erhebliche baulich-integrative Herausforderungen und Kompromisse. Zudem sind bei der Auslegung der Vorkammer das Vorkammervolumen und die Düsengeometrie der Vorkammer entscheidende Auslegungsparameter. Allerdings sind konventionelle Systeme dadurch begrenzt, dass aus thermomechanischen und feldbegrenzenden Gründen die FunkenZündung in der Regel an der dem Hauptbrennraum abgewandten Seite der Vorkammer erfolgen muss. Dies bedeutet aber zum einen eine schlechte Spülung/Gemischbildungsbedingung an dieser Stelle der Zündung, zum anderen aber auch längere Flammenwege innerhalb der Vorkammer. Durch den dadurch bedingten langsameren Druckaufbau innerhalb der Vorkammer entwickeln sich die resultierenden Fackelstrahlen, welche den Hauptbrennraum zünden, in ungünstiger Weise. Dieser verlangsamte Druckaufbau ist zum einen durch einen längeren Brennverzug verursacht, bedingt durch eine höhere Restgasrate und eine geringere Turbulenz am Ort der Zündung, zum anderen durch die oben genannten längeren Flammenwege innerhalb der Vorkammer.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Vorkammersystem mit einer verbesserten Vorkammerkonstruktion bereitzustellen. Aufgabe der Erfindung ist es ferner, ein Verfahren zur Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches mittels eines derartigen Vorkammersystems bereitzustellen.
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Zur Lösung der Aufgabe ist ein Vorkammersystem für einen bei unterschiedlichen Motorlasten betreibbaren Verbrennungsmotor vorgesehen, mit einer Vorkammerwandung, die eine Vorkammer begrenzt, und einer Zündeinrichtung, die in zumindest einem Betriebsmodus zur direkten Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in der Vorkammer eingerichtet ist. Die Vorkammerwandung weist eine Basis und eine Deckwand auf, die in axialer Richtung von der Basis mit einer axialen Höhe beabstandet ist. Die Zündeinrichtung hat eine Mittelelektrode und einen Isolator, durch den sich die Mittelelektrode zumindest abschnittsweise erstreckt. Das Vorkammersystem ist ferner derart ausgebildet, dass mittels der Zündeinrichtung an einer ersten Stelle über eine Funkenstrecke Luftfunken für eine Luftfunkenzündung und an einer zweiten Stelle über einen Spalt Teilentladungsfunken für eine Teilentladungszündung bereitgestellt werden können. Die Funkenstrecke für die Luftfunken wird dabei zwischen der Mittelelektrode und einer Massenelektrode des Vorkammersystems gebildet. Des Weiteren ist die Massenelektrode an der Vorkammerwandung vorgesehen, so dass ein elektrischer Strom durch die Vorkammerwandung fließt, wenn ein Luftfunke erzeugt wird.
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Im Sinne der Erfindung ist eine Luftfunkenzündung eine Zündung, bei der eine so große Spannung zwischen zwei Elektroden des Vorkammersystems anliegt, dass die Luftverbindung zwischen den beiden Elektroden niederohmig wird, wobei sich ein Plasma zwischen den Elektroden bildet, das diese leitend verbindet. Dabei entsteht ein heißer Luftfunke auf dem direkten Weg zwischen beiden Elektroden, der sogenannten Funkenstrecke, der das Kraftstoff-Luft-Gemisch entzündet, das sich zwischen den Elektroden befindet.
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Eine Funkenzündung hat den Vorteil, dass mit dieser das Kraftstoff-Luft-Gemisch zuverlässig gezündet werden kann, insbesondere bei niedriger Motorlast mit hohem Restgasanteil im Kraftstoff-Luft-Gemisch.
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Im Sinne der Erfindung ist eine Teilentladung eine elektrische Entladung ohne vollständigen Funkendurchbruch. Es entsteht also im Unterschied zum Luftfunken kein vollständiger Plasmakanal, welcher zwei Elektroden niederohmig verbindet, das bedeutet, es fließt im Vergleich zur Funkenentladung kein nennenswerter Strom zwischen den Elektroden. Es fließt, wenn überhaupt, nur ein äußerst geringer Teil der Ladung, beispielsweise über „schnelle“ Elektronen, von der einen Elektrode über die andere Elektrode ab. Bei Wechselspannungsanregung ist die Anbindung meist nahezu vollständig kapazitiv. Beispiele für Teilentladungen sind Korona-Entladungen oder sogenannte dielektrisch-behinderte Entladungen an einem Dielektrikum, wie dem Isolator der Zündeinrichtung, bei der beispielsweise ein Teil der Strecke durch einen Funkenkanal überbrückt ist, aber aufgrund der isolierenden Wirkung des Isolators keine niederohmige Ankopplung auf Masse erfolgen und somit kein hoher Strom fließen kann. Solche in der Regel kurzzeitig auftretenden Teilentladungen sind bei ausreichend hohem Druck zündfähig, ohne dass es hierzu eines vollständig niederohmig leitenden und damit heißen Luftfunkendurchschlages bedarf.
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Der Vorteil der Zündung über eine Teilentladung ist, dass bei hohem Druck und damit hoher Motorlast der Zündspannungsbedarf für eine Zündung über eine Teilentladung geringer ist als der Zündspannungsbedarf für eine Zündung über einen Luftfunken. Hierdurch reduzieren sich die Kosten für die Zündanlage, die Komponenten wie eine Zündspule umfasst und dazu eingerichtet ist, die Zündspannung bereitzustellen. So ist beispielsweise bei getesteten konventionellen Zündkerzen bei hoher Motorlast ab ca. 31 kV ein Zünden über einen Teilentladungsfunken möglich, ohne dass es hierzu eines sehr geringen Elektrodenabstands bedarf.
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Es wurde erkannt, dass mit dieser Gestaltung des erfindungsgemäßen Vorkammersystems mit einer einzelnen Zündeinrichtung, die insbesondere nur eine Mittelelektrode umfasst, zwei verschiedene Zündorte bereitgestellt werden können, um das Kraftstoff-Luft-Gemisch an zwei voneinander getrennten Stellen mit verschiedenen Zündkonzepten zu entzünden, nämlich mit einer Luftfunkenzündung an der ersten Stelle und/oder einer Teilentladungszündung an der zweiten Stelle. Hierdurch weist das Vorkammersystem mehr Freiheitsgrade zur Auslegung des Vorkammersystems auf. Ferner kann auf diese Weise die Stelle bzw. die Stellen, an denen das Kraftstoff-Luft-Gemisch gezündet wird, von unterschiedlichen Rahmenbedingungen abhängig sein, um eine möglichst optimale Verbrennung zu gewährleisten.
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Für die Teilentladungszündung ist zudem eine geringere Zündspannung erforderlich, so dass in einem Betriebsmodus mit einer entsprechend niedrigen Zündspannung das Kraftstoff-Luft-Gemisch an der zweiten Stelle mittels der Teilentladungszündung gezündet werden kann, während an der ersten Stelle keine Luftfunkenzündung erfolgt, da hierzu die Zündspannung für das entsprechende Kraftstoff-Luft-Gemisch zu niedrig ist.
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Somit kann das Vorkammersystem einen sehr kompakten Aufbau aufweisen sowie brennverfahrenstechnisch besonders günstig gestaltet sein.
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In einer Ausführungsform weist die Zündeinrichtung eine Schutzummantelung für den Isolator aufweist. Die Schutzummantelung schützt dabei den Isolator vor einer zu hohen Wärmeexposition und gewährleistet somit eine hohe Zuverlässigkeit sowie Lebensdauer der Zündeinrichtung.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass die Massenelektrode an der Deckwand und/oder an einer Seitenwandung der Vorkammerwandung vorgesehen ist. Indem die Massenelektrode an der Deckwand vorgesehen ist, kann die Funkenstrecke und damit der Zündort an der ersten Stelle besonders nah an der Deckwand angeordnet werden, wodurch Luftfunken oberflächennah an der Deckwand strömungsexponiert sowie mit hoher Funkenlänge erzeugt werden können.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Vorkammersystem derart gestaltet, dass die Teilentladungsfunken mittels des Isolators bereitgestellt werden. Hierdurch kann das Vorkammersystem besonders kompakt gestaltet sein.
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Hierbei kann der Spalt für die Teilentladungsfunken zwischen dem Isolator und einer Gegenelektrode des Vorkammersystems gebildet sein, die Teil der Schutzummantelung ist. Auf diese Weise kann der Spalt für die Teilentladungsfunken mit geringem Aufwand hergestellt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform erstreckt sich die Mittelelektrode in axialer Richtung vollständig durch die Vorkammer, so dass die erste Stelle für die Luftfunkenzündung in einer beliebigen Höhe gegenüber dem Ort, von dem sich die Mittelelektrode aus in die Vorkammer erstreckt, angeordnet sein kann.
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Insbesondere weist dabei die Deckwand eine Durchführung für die Mittelelektrode auf, wobei die Mittelelektrode in axialer Richtung über die Deckwand hinaus in einen entsprechenden Hauptbrennraum des Verbrennungsmotors hineinragt. Somit kann die erste Stelle für die Luftfunkenzündung außerhalb der Vorkammer und damit innerhalb des Hauptbrennraums vorgesehen sein.
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In einer Ausführungsform ist die erste Stelle innerhalb der Vorkammer angeordnet. Auf diese Weise kann die Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemischs innerhalb der Vorkammer auf zwei verschiedene Weisen erfolgen. Mittels einer im Vergleich zum Funken-Zündspannungsbedarf ausreichend hohen Zündspannung kann das Kraftstoff-Luft-Gemisch an der ersten Stelle mittels einer Luftfunkenzündung und an der zweiten Stelle mittels einer Teilentladungszündung gezündet werden, während bei einer entsprechend niedrigen Zündspannung (bezogen auf den Funken-Zündspannungsbedarf) das Kraftstoff-Luft-Gemisch nur an der zweiten Stelle mittels einer Teilentladungszündung gezündet werden kann. Durch diese beiden Betriebsmodi kann das Vorkammersystem zum einen energieeffizient und materialschonend mit einer geringeren Spannung betrieben werden. Zum anderen kann die Luftfunkenzündung eingesetzt werden, um die Teillastfähigkeit der Vorkammerzündung zu verbessern.
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In einer alternativen Ausführungsform ist die erste Stelle außerhalb der Vorkammer angeordnet. Auf diese Weise kann das Kraftstoff-Luft-Gemisch mittels einer ausreichend hohen Zündspannung an der ersten Stelle durch eine Luftfunkenzündung außerhalb der Vorkammer gezündet werden, wobei auch Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisch innerhalb der Vorkammer durch eine Teilentladungszündung an der zweiten Stelle erfolgen kann. Ferner kann bei einer entsprechend niedrigen Zündspannung (bezogen auf den Funken-Zündspannungsbedarf) das Kraftstoff-Luft-Gemisch nur an der zweiten Stelle innerhalb der Vorkammer mittels einer Teilentladungszündung gezündet werden kann. Hierdurch wird der Anwendungsbereich des Vorkammersystems erheblich erweitert. Ferner kann der Zündort in Abhängigkeit verschiedener Rahmenbedingungen, wie der Motorlast, gewählt werden, um eine kennfeldoptimierte Zündung bereitzustellen.
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Eine frei im Hauptbrennraum lokalisierte Funkenzündung hat den Vorteil, dass mit dieser aufgrund der guten Gemisch und Ladungsbewegungszugänglichkeit das Kraftstoff-Luft-Gemisch zuverlässig gezündet werden kann, insbesondere bei niedriger Motorlast mit hohem Restgasanteil im Kraftstoff-Luft-Gemisch.
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Zusätzlich oder alternativ kann in beiden Ausführungsformen die Zündeinrichtung mit einer maximalen Zündspannung betrieben werden, die abhängig von der Dichte des Kraftstoff-Luft-Gemischs für eine Luftfunkenzündung ausreicht oder nicht, so dass je nach Zündspannungsbedarf des Kraftstoff-Luft-Gemisches zum Zündzeitpunkt die Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemischs innerhalb der Vorkammer auf eine der beiden oben genannten Weisen erfolgt.
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Aktuelle Vorkammerkonzepte gehen bei der Einbringung der Zündeinrichtung in die Vorkammer in der Regel wie bei der Einbringung in einen klassischen Motor vor. Hierbei ist der Zündort an der brennraumabgewandten Seite der Vorkammer, das heißt an der Basis, vorgesehen, um eine zu hohe Wärmeexposition des Isolators der Zündeinrichtung zu vermeiden. Da es sich bei der Vorkammer aber um einen isochoren Brennraum ohne mechanisch bewegte Teile handelt, lassen sich der baulich bedingte Wärmewert der Zündeinrichtung und die Positionierung des Zündortes in der Vorkammer parametrisch entkoppeln.
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Um den Zündort, insbesondere die zweite Stelle, weiter von der Basis entfernt in der Vorkammer anzuordnen, kann der Isolator über mindestens 30% der axialen Höhe in die Vorkammer hineinragen.
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Die Schutzummantelung schützt dabei den Isolator vor einer zu hohen Wärmeexposition und gewährleistet somit eine hohe Zuverlässigkeit sowie Lebensdauer der Zündeinrichtung.
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Somit ist die Zündposition nicht auf einen Ort in der Nähe der Basis begrenzt. Auf diese Weise weist das Vorkammersystem mehr Freiheitsgrade für die Gestaltung der Vorkammer auf und der vorgesehene Zündort kann in einem vergleichsweise großen Bereich in der Vorkammer positioniert werden, um eine möglichst optimale Verbrennung zu gewährleisten.
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In einer Ausführungsform erstreckt sich der Isolator von der Basis in axialer Richtung über mindestens 50%, insbesondere über mindestens 75% der axialen Höhe in die Vorkammer hinein. Hierdurch kann der Zündort, insbesondere die zweite Stelle, näher an der Deckwand und damit näher am Hauptbrennraum angeordnet werden, so dass die Flammenwege innerhalb der Vorkammer verkürzt sind. Ferner wird hierdurch der in der Vorkammer freiliegende Abschnitt der Mittelelektrode verkürzt, so dass diese besser geschützt ist.
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Die Schutzummantelung kann aus Metall gebildet sein, das eine vergleichsweise hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Somit kann das Vorkammersystem möglichst kalt auslegt werden, selbst wenn es im Betrieb zu Wandwärmeübergängen mit hoher Energie kommt.
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Insbesondere kann die Schutzummantelung einen Kupferkern haben, wodurch die Wärmeleitfähigkeit der Schutzummantelung weiter verbessert werden kann.
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In einer weiteren Ausführungsform erstreckt sich die Schutzummantelung von der Basis in axialer Richtung über mindestens 25%, bevorzugt über mindestens 45%, insbesondere über mindestens 70% der axialen Höhe in die Vorkammer hinein. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass der Isolator und/oder die Mittelelektrode zuverlässig und effektiv durch die Schutzummantelung gegenüber der heißen Atmosphäre geschützt sind, die bei Verbrennungen in der Vorkammer herrscht. Zwar steigt bei der Auslegung des Vorkammersystems auf diese Weise die exponierte Fläche der Schutzummantelung in der Vorkammer, nicht jedoch die exponierte Fläche des Isolators, wodurch sich das Vorkammervolumen und die Lage des Zündortes in der Vorkammer besser parametrisieren lassen.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Zündeinrichtung eine Kupferdichtung aufweist, die zwischen einer axialen Stirnseite des Isolators und einer axialen Stirnseite der Schutzummantelung vorgesehen ist. Die Kupferdichtung stellt hierbei einen Schutz für den Teil des Isolators bereit, der sich von der Stirnseite des Isolators entgegengesetzt zur Kupferdichtung weg erstreckt, und bildet einen wichtigen Wärmeleitpfad.
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Dabei ist es von Vorteil, wenn sich der Isolator von der Basis bis zu der axialen Stirnseite des Isolators in axialer Richtung über mindestens 25%, bevorzugt über mindestens 45%, insbesondere über mindestens 70% der axialen Höhe in die Vorkammer hinein erstreckt. Dadurch ist die Kupferdichtung sehr nahe an dem in die Vorkammer hineinragenden Ende des Isolators vorgesehen, so dass die Wärmeaufnahme des Isolators besonders gering gehalten werden kann, was für Vorkammeranwendungen vorteilhaft ist.
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Zusätzlich oder alternativ kann der Isolator zwischen der Kupferdichtung und einer brennraumabgewandten inneren Dichtung radial außenseitig eine elektrisch leitende Beschichtung aufweisen. Hierdurch kann das elektrische Feld im Isolator harmonisiert werden und parasitäre Corona-Entladungen in eventuell vorhandenen kleinen Spaltmaßen verhindert werden. Somit kann das Risiko von Funkendurchbrüchen durch den Isolator und der Keramikalterung gesenkt werden.
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Insbesondere ist die elektrisch leitende Beschichtung eine metallische Beschichtung, die eine vergleichsweise hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist.
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Ferner kann die Mittelelektrode mit dem Isolator zumindest abschnittsweise mittels eines leitfähigen Klebstoffs direkt verbunden sein, um Feldüberhöhungen und Funkendurchschläge durch den Isolator zu vermeiden.
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Zusätzlich oder alternativ kann die Mittelelektrode mit dem Isolator zumindest abschnittsweise mittels einer leitfähigen Verglasung direkt verbunden sein bzw. kann der Isolator diese aufweisen.
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Zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit kann die Mittelelektrode in Teilen einen Kupferkern aufweisen.
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Erfindungsgemäß ist zur Lösung der oben genannten Aufgabe auch ein Verbrennungsmotor mit einer Zündanlage und einem erfindungsgemäßen Vorkammersystem vorgesehen, bei dem die erste Stelle außerhalb der Vorkammer angeordnet ist. Die Zündanlage ist hierbei derart eingerichtet, dass das Kraftstoff-Luft-Gemisch in dem Verbrennungsmotor in einem ersten Motorlastbereich mit im Vergleich zu einem zweiten Motorlastbereich niedrigerer Motorlast durch einen von der Zündeinrichtung erzeugten niederohmigen Luftfunken gezündet wird, wobei der Luftfunke außerhalb der Vorkammer erzeugt wird, und das Kraftstoff-Luft-Gemisch in dem Verbrennungsmotor in dem zweiten Motorlastbereich mit im Vergleich zu dem ersten Motorlastbereich höherer Motorlast durch einen von der Zündeinrichtung erzeugten Teilentladungsfunken und nicht über einen niederohmigen Luftfunken gezündet wird, wobei der Teilentladungsfunken innerhalb der Vorkammer erzeugt wird.
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Hierbei gilt, dass im Bereich der Funkenzündung in Teilen immer auch Teilentladungen im direkten zeitlichen Vorfeld der Funkenbildung entstehen können. Da es sich beim ersten Motorlastbereich aber um einen Teillastbereich handelt, kann von einer Dominanz der Luftfunkenzündung im Entflammungsvorgang ausgegangen werden. Mit zunehmender Last ändert sich dies zugunsten der Teilentladungszündung, bis diese die Luftfunkenzündung ab einem gewissen Bereich vollständig ablöst. Im Übergangsbereich ist also mit einer kombinierten Entflammung aus einer Luftfunkenzündung außerhalb der Vorkammer und einer Teilentladungszündung in der Vorkammer zu rechnen.
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Hierdurch ist der Verbrennungsmotor eingerichtet, lastabhängig und passiv zwischen einer Zündung außerhalb der Vorkammer und einer Zündung innerhalb der Vorkammer umzuschalten.
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Die passive Vorkammerzündung weist hohe Vorteile im Bereich um Lambda=1 auf, indem sie innerhalb der Vorkammer das Kraftstoff-Luft-Gemisch isochor verbrennt und die Energie in Form von Fackelstrahlen das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Hauptbrennraum großflächig entflammt. Dies führt, gemeinsam mit der eingebrachten Turbulenz, zu einer sehr schnellen Umsetzung und einer deutlichen Ausweitung der Klopfgrenze.
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Hierdurch wird auch die Option auf einen Betrieb mit Lambda=1 im gesamten Kennfeld eröffnet, ohne auf aufwendigere Maßnahmen wie ein variables Epsilon oder Wassereinspritzung zurückgreifen zu müssen.
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Die Umschaltbarkeit zwischen den beiden Betriebsmodi bedeutet ferner, dass im kompletten, für eine passive Vorkammer üblicherweise kritischen Teillastbereich die Zündung mittels einer Luftfunkenzündung außerhalb der Vorkammer wie üblich bzw. sogar deutlich verbessert erfolgen kann, während im Hochlastbereich die erheblichen Vorteile der Vorkammerzündung genutzt werden können.
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Zudem lässt sich die maximal notwendige Zündspannung durch diese Gestaltung effektiv begrenzen, wodurch der Isolator und die Zündanlage miniaturisiert werden kann.
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Es kann weiter vorgesehen sein, dass die Zündanlage eine Zündspannungsquelle aufweist, die derart eingerichtet ist, dass die Zündspannung im zweiten Motorlastbereich vom Betrag her unter der Spannung liegt, die zum Erzeugen eines Luftfunkens mittels der Funkenstrecke an diesem Betriebspunkt erforderlich ist. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass im zweiten Motorlastbereich die Zündung nicht mittels einer Luftfunkenzündung im Hauptbrennraum, sondern mittels der Teilentladungsfunken innerhalb der Vorkammer erfolgt.
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Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in einem bei unterschiedlichen Motorlasten betreibbaren Verbrennungsmotor, insbesondere einem erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor, mittels eines Vorkammersystems. Hierbei wird in das Kraftstoff-Luft-Gemisch in dem Verbrennungsmotor in einem ersten Motorlastbereich mit im Vergleich zu einem zweiten Motorlastbereich niedrigerer Motorlast durch einen von einer Zündeinrichtung des Vorkammersystems erzeugten niederohmigen Luftfunken gezündet, der außerhalb der Vorkammer erzeugt wird. Ferner wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch in dem Verbrennungsmotor in dem zweiten Motorlastbereich mit im Vergleich zu dem ersten Motorlastbereich höherer Motorlast durch einen von der Zündeinrichtung erzeugten Teilentladungsfunken gezündet, der innerhalb der Vorkammer erzeugt wird, und nicht über einen niederohmigen Luftfunken. Das Zünden des Kraftstoff-Luft-Gemisches auf diese Weise hat die oben in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor genannten Vorteile.
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Es ist ferner von Vorteil, wenn das Verfahren selbstregelnd abläuft, so dass keine Steuereinheit erforderlich ist, die das Verfahren aktiv regelt.
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Insbesondere läuft das Verfahren aufgrund der konstruktiven Gestaltung des Verbrennungsmotors selbstregelnd ab.
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie aus den beigefügten Zeichnungen. In diesen zeigen:
- - 1 in einer schematischen Darstellung einen erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor mit einem erfindungsgemäßen Vorkammersystem gemäß einer ersten Ausführungsform,
- - 2 in einer schematischen Darstellung das Vorkammersystem aus 1,
- - 3 in einer schematischen Darstellung ein erfindungsgemäßes Vorkammersystem gemäß einer zweiten Ausführungsform, und
- - 4 in einer schematischen Darstellung ein erfindungsgemäßes Vorkammersystem gemäß einer dritten Ausführungsform.
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Die Figuren umfassen ausschließlich schematische Darstellungen, die sich auf das Wesentliche beschränken. Insbesondere zeigen die 2 bis 4 jeweils nur einen Ausschnitt eines Vorkammersystems, d.h. das jeweilige Vorkammersystem endet nicht an der oberen geraden horizontalen Linie. Mit anderen Worten kann insbesondere die obere gerade horizontale Linie in den 2 bis 4 durch eine geschwungene Linie ersetzt werden, um diesen Sachverhalt zu verdeutlichen.
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In 1 ist ein Verbrennungsmotor 1 mit einem Hauptbrennraum 2, einer den Hauptbrennraum 2 begrenzenden Brennraumwandung 3, einer Zündanlage 4 und einem Vorkammersystem 10 gemäß einer ersten Ausführungsform gezeigt.
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Die Brennraumwandung 3 ist beispielsweise Teil eines Zylinderkopfs, der den Hauptbrennraum 2 nach oben abschließt.
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Das Vorkammersystem 10 hat eine Vorkammer 12 (siehe 2), eine die Vorkammer 12 begrenzende Vorkammerwandung 14 und eine Zündeinrichtung 16.
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Die Vorkammer 12 ist hier eine passive Vorkammer.
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Grundsätzlich kann die Bereitstellung des Kraftstoff-Luft-Gemisches in der Vorkammer 12 jedoch auf beliebige Weise erfolgen. Mit anderen Worten kann das Vorkammersystem 10 einen beliebigen Vorkammertyp umfassen, insbesondere eine gespülte Vorkammer oder eine Vorkammer mit innerer Gemischbildung.
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Die Vorkammerwandung 14 umfasst eine Basis 18, eine der Basis 18 in axialer Richtung A gegenüberliegende Deckwand 20 sowie eine Seitenwandung 22, die die Basis 18 und die Deckwand 20 miteinander verbindet.
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Die Basis 18 und die Deckwand 20 haben in axialer Richtung A einen Abstand H, der die Höhe H der Vorkammer 12 in axialer Richtung A definiert.
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Die Deckwand 20 bildet eine Trennwand zwischen der Vorkammer 12 und dem Hauptbrennraum 2 und weist mehrere Vorkammeröffnungen 24 in Form von Düsen mit kreisförmigem Querschnitt auf, die die Vorkammer 12 strömungsmäßig mit dem Hauptbrennraum 2 verbinden.
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Zusätzlich oder alternativ können die Vorkammeröffnungen 24 an einer beliebigen Stelle der Vorkammerwandung 14 vorgesehen sein, insbesondere der Seitenwandung 22.
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Selbstverständlich können die Vorkammeröffnungen 24 jeweils beliebig gestaltet sein.
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In der dargestellten Ausführungsform ist die Deckwand 20 kuppelförmig gestaltet.
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Grundsätzlich kann die Deckwand 20 eine beliebige Gestalt aufweisen, beispielsweise in Form einer Scheibe.
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Die Vorkammerwandung 14 besteht aus Stahl mit einem Kupferkern.
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Grundsätzlich kann die Vorkammerwandung 14, insbesondere die Basis 18, die Deckwand 20 und/oder die Seitenwandung 22, aus einem beliebigen elektrisch leitfähigen Material, insbesondere einem beliebigen Metall, sowie mit oder ohne Kern gebildet sein.
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Die Vorkammerwandung 14 und die Zündeinrichtung 16 bilden hierbei eine Baugruppe, die in einem Schacht in der Brennraumwandung 3 eingesetzt ist.
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In einer alternativen Ausführungsform kann die Vorkammerwandung 14 zumindest abschnittsweise durch die Brennraumwandung 3 gebildet sein. Beispielsweise kann die Seitenwandung 22 Teil der Brennraumwandung 3 sein.
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Die Zündeinrichtung 16 hat eine Mittelelektrode 26, einen Isolator 28 sowie eine Schutzummantelung 30.
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Die Mittelelektrode 26 erstreckt sich in axialer Richtung A durch den Isolator 28 und ragt mit einem brennraumseitigen Ende 32 in axialer Richtung A über diesen hinaus.
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In der dargestellten Ausführungsform ist die Mittelelektrode 26 zylinderförmig.
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Grundsätzlich kann die Mittelelektrode 26 beliebig gestaltet sein. Insbesondere kann die Mittelelektrode 26 in einer alternativen Ausführungsform in einem Abschnitt innerhalb des Isolators 28 einen größeren Querschnitt haben als im Abschnitt, der das Ende 32 umfasst.
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Die Mittelelektrode 26 kann hierbei mit dem Isolator 28 mittels eines leitfähigen Klebstoffs stoffschlüssig verbunden sein.
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Der Isolator 28 hat einen Basisabschnitt 34 und einen brennraumseitigen Endabschnitt 36, der einen kleineren Querschnitt als der Basisabschnitt 34 aufweist.
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Am Übergang zwischen dem Basisabschnitt 34 und dem Endabschnitts 36 weist der Isolator 28 eine axiale Stirnseite 38 auf.
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Der Isolator 28 umfasst beispielsweise eine Zündkerzenkeramik.
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Die Mittelelektrode 26 und der Isolator 28 erstrecken sich durch die Basis 18 in axialer Richtung A in die Vorkammer 12 hinein.
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Dabei beträgt die Höhe h des Abschnitts, mit dem der Isolator 28 über die Basis 18 in die Vorkammer 12 hineinragt, 95% der axialen Höhe H der Vorkammer 12.
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In einer alternativen Ausführungsform kann der Isolator 28 über die Basis 18 mit einer beliebigen Höhe h in die Vorkammer 12 hineinragen.
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Vorzugsweise beträgt die Höhe h des Abschnitts, mit dem der Isolator 28 über die Basis 18 in die Vorkammer 12 hineinragt, mindestens 30%, bevorzugt mindestens 50%, insbesondere mindestens 75% der axialen Höhe H der Vorkammer 12.
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Die axiale Stirnseite 38 ist hierbei in einer Höhe gegenüber der Basis 18 vorgesehen, die 73% der axialen Höhe H der Vorkammer 12 entspricht.
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Grundsätzlich kann die axiale Stirnseite 38 in einer beliebigen Höhe gegenüber der Basis 18 vorgesehen sein, insbesondere in einer Höhe, die mindestens 25%, bevorzugt mindestens 45%, insbesondere mindestens 70% der axialen Höhe H der Vorkammer 12 entspricht.
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Um den Isolator 28 gegenüber der Vorkammer 12 abzuschirmen, ist der Isolator 28 mit der Schutzummantelung 30 ummantelt.
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Die Schutzummantelung 30 erstreckt sich hierzu in axialer Richtung A von der Basis 18 über eine Höhe in die Vorkammer 12, die 85% der axialen Höhe H der Vorkammer 12 entspricht.
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Hierdurch ist der Basisabschnitt 34 innerhalb der Vorkammer 12 radial vollständig von der Schutzummantelung 30 umgeben.
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Die Schutzummantelung 30 ist optional, d.h. in einer alternativen Ausführungsform kann die Vorkammer 12 keine derartige Schutzummantelung aufweisen.
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In einer weiteren alternativen Ausführungsform kann sich die Schutzummantelung 30 beliebig weit in axialer Richtung A in die Vorkammer 12 hinein erstrecken.
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Vorzugsweise erstreckt sich die Schutzummantelung 30 von der Basis 18 in axialer Richtung A über mindestens 25%, bevorzugt über mindestens 45%, insbesondere über mindestens 70% der axialen Höhe H in die Vorkammer 12 hinein.
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Die Schutzummantelung 30 besteht aus Stahl mit einem Kupferkern.
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Grundsätzlich kann die Schutzummantelung 30 aus einem beliebigen Material, insbesondere einem beliebigen Metall, sowie mit oder ohne Kern gebildet sein.
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Die Schutzummantelung 30 erstreckt sich am Endabschnitt 36 des Isolators 28 radial weiter nach innen als am Basisabschnitt 34 des Isolators 28, sodass die Schutzummantelung 30 eine axiale Stirnseite 40 aufweist, die der axialen Stirnseite 38 des Isolators 28 gegenüberliegt.
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Die Zündeinrichtung 16 umfasst ferner eine Kupferdichtung 42, die zwischen der axialen Stirnseite 38 des Isolators 28 und der axialen Stirnseite 40 der Schutzummantelung 30 angeordnet ist und sowohl mit dem Isolator 28 als auch mit der Schutzummantelung 30 in direktem Kontakt steht.
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Grundsätzlich kann anstelle der Kupferdichtung 42 eine Dichtung aus einem beliebigen Material mit hoher Wärmeleit- und/oder elektrischer Leitfähigkeit vorgesehen sein.
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Der Isolator 28 hat ferner an seiner der Schutzummantelung 30 zugewandten radialen Außenseite eine metallische Beschichtung 44, die sich von der Kupferdichtung 42 entgegen der axialen Richtung A bis zu einer brennraumabgewandten inneren Dichtung (nicht dargestellt) der Zündeinrichtung 16 erstreckt.
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Grundsätzlich kann ein beliebiger Abschnitt des Isolators 28 die Beschichtung 44 aufweisen.
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Zusätzlich oder alternativ kann die Beschichtung 44 in einer alternativen Ausführungsform aus einem beliebigen elektrisch leitenden Material gebildet sein.
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Des Weiteren hat das Vorkammersystem 10 eine Massenelektrode 46, die zusammen mit dem Ende 32 der Mittelelektrode 26 eine Funkenstrecke 48 an einer ersten Stelle bildet. Die Funkenstrecke 48 ist dazu eingerichtet, Luftfunken für eine Luftfunkenzündung 50 zu erzeugen.
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Die Massenelektrode 46 besteht aus Stahl mit einem Kupferkern.
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Grundsätzlich kann die Massenelektrode 46 aus einem beliebigen elektrisch leitfähigen Material, insbesondere einem beliebigen Metall, sowie mit oder ohne Kern gebildet sein.
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Die Massenelektrode 46 ist an der Deckwand 20 vorgesehen.
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Hierbei kann die Massenelektrode 46 elektrisch leitend an der Deckwand 20 angebracht oder einstückig mit der Deckwand 20 ausgebildet sein.
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Zusätzlich oder alternativ kann die Massenelektrode 46 entsprechend an der Seitenwandung 22 vorgesehen sein.
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Grundsätzlich kann die Massenelektrode 46 an einer beliebigen Stelle des Vorkammersystems 10 und/oder des Verbrennungsmotors 1 vorgesehen sein, beispielsweise an der Brennraumwandung 3.
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Beim Vorkammersystem 10 gemäß der ersten Ausführungsform erstreckt sich die Massenelektrode 46 in axialer Richtung A von der Deckwand 20 in den Hauptbrennraum 2 hinein.
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Die Deckwand 20 weist eine Durchführung 52 auf, die gegenüberliegend zur Mittelelektrode 26 angeordnet ist und sich in axialer Richtung A durch die Deckwand 20 erstreckt.
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Die Massenelektrode 46 ist hierbei ringförmig um die Durchführung 52 angeordnet.
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Die Mittelelektrode 26 erstreckt sich in axialer Richtung A durch die Durchführung 52 hindurch und in den Hauptbrennraum 2 hinein, sodass die Funkenstrecke 48 außerhalb der Vorkammer 12 und innerhalb des Hauptbrennraums 2 angeordnet ist.
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Dabei erstreckt sich die Mittelelektrode 26 so weit in axialer Richtung A, dass das Ende 32 der Mittelelektrode 26 in radialer Richtung von der Massenelektrode 46 umgeben und eine Funkenstrecke 48 zwischen der Mittelelektrode 26 und der Massenelektrode 46 in radialer Richtung gebildet ist.
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In dieser Ausführungsform erstreckt sich somit die Mittelelektrode 26 in axialer Richtung A vollständig durch die Vorkammer 12 hindurch. Das bedeutet, die Mittelelektrode 26 erstreckt sich in axialer Richtung A von der Basis 18 über eine Höhe in die Vorkammer 12, die mehr als 100% der axialen Höhe H der Vorkammer 12 entspricht.
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Selbstverständlich kann die Massenelektrode 46 in einer alternativen Ausführungsform beliebig gestaltet sein, insbesondere in Form von einem oder mehrerer Massenelektrodenhaken, die axialsymmetrisch um die Mittelelektrode 26 angeordnet sind.
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Vorzugweise besteht die Massenelektrode 46 aus Einzelelektroden, die die Mittelelektrode 26 nicht auf vollständig in Umfangsrichtung umschließen und somit eine bessere Strömungs- und Gemischzugänglichkeit ermöglichen.
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Wie bereits angemerkt, kann die Massenelektrode 46 auch an einer anderen Stelle als an der Deckwand 20 befestigt sein und ggf. als komplett separate Massenelektrode 46 ausgeführt sein.
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Ferner ist kann in einer Ausführungsform nicht nur die Mittelelektrode 26, sondern auch der sie umgebende Isolator 28 durch die Deckwand 20 in den Hauptbrennraum 2 hineinragen.
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In diesem Fall ist die Durchführung 52 insbesondere so gestaltet, dass sich im Betrieb des Vorkammersystems 10 keine Teilentladungen zwischen der Deckwand 20 und dem Isolator 28 und/oder der Massenelektrode 46 und dem Isolator 28 bilden, die zu einer Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Hauptbrennraum 2 und/oder der Vorkammer 12 ausreichen.
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Das Vorkammersystem 10 ist so eingerichtet, dass mittels der Funkenstrecke 48 Luftfunken für eine Luftfunkenzündung 50 des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Hauptbrennraum 2 erzeugt werden, wenn eine ausreichend hohe elektrische Spannung zwischen der Mittelelektrode 26 und Massenelektrode 46 anliegt.
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Die Massenelektrode 46 liegt hierbei zusammen mit der Vorkammerwandung 14 auf Massepotential.
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Auf diese Weise kann eine Luftfunkenzündung 50 an der ersten Stelle außerhalb der Vorkammer 12 und somit innerhalb des Hauptbrennraums 2 bereitgestellt werden.
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Des Weiteren hat das Vorkammersystem 10 eine Gegenelektrode 56, die zusammen mit dem Isolator 28 einen Spalt 58 an einer zweiten Stelle bildet. Der Spalt 58 ist dazu eingerichtet, Teilentladungsfunken für eine Teilentladungszündung 60 zu erzeugen.
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Der Spalt 58 ist zwischen der radialen Außenseite des Endabschnitts 36 des Isolators 28 und der Schutzummantelung 30 gebildet, die den Endabschnitts 36 an dieser Stelle radial umgibt.
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Die Gegenelektrode 56 ist hierbei durch die Schutzummantelung 30 gebildet.
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Grundsätzlich kann die Gegenelektrode 56 jedoch beliebig gestaltet sowie auf beliebige Weise vorgesehen sein.
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Der Spalt 58 ist ein Ringspalt, der sich entgegen der axialen Richtung A bis zur Kupferdichtung 42 erstreckt.
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Grundsätzlich kann der Spalt 58 beliebig gestaltet sein und/oder sich über einen beliebigen Abschnitt des Isolators 28 erstrecken.
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Der Isolator 28 hat an seinem brennraumseitigen axialen Ende eine Kriechbarriere 54, um das Auftreten von Gleitfunken zu verhindern.
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Hierbei ist die Kriechbarriere 54 optional, d.h. in einer alternativen Ausführungsform kann der Isolator 28 keine Kriechbarriere 54 aufweisen.
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In einer weiteren alternativen Ausführungsform kann der Spalt 58 zusätzlich oder alternativ zur Bildung von Gleitfunken für eine Gleitfunkenzündung vorgesehen sein, beispielsweise zum Reinigen der Oberfläche des Isolators 28. In diesem Fall ist keine Kriechbarriere 54 vorgesehen.
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Das Vorkammersystem 10 ist hierbei so eingerichtet, dass im Spalt 58 Teilentladungsfunken für eine Teilentladungszündung 60 des Kraftstoff-Luft-Gemisches in der Vorkammer 12 erzeugt werden, wenn eine ausreichend hohe elektrische Spannung zwischen der Mittelelektrode 26 und der Gegenelektrode 56 anliegt.
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Die Schutzummantelung 30 sowie die Vorkammerwandung 14 liegen dabei auf Massepotential.
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Auf diese Weise kann durch eine geeignete Anordnung des Spalts 58 in der Vorkammer 12 eine Teilentladungszündung 60 an einer beliebigen Stelle in axialer Richtung A innerhalb der Vorkammer 12 erzeugt werden, insbesondere nahe der Deckwand 20 oder im Zentrum der Vorkammer 12.
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Hierdurch kann bei der Auslegung des Vorkammersystems 10 die Vorkammer 12 so gestaltet sowie die Funkenstrecke 48 so innerhalb des Hauptbrennraums 2 und den Spalt 58 so innerhalb der Vorkammer 12 positioniert werden, dass eine möglichst optimale Verbrennung gewährleisten ist.
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Auf diese Weise bildet die Zündeinrichtung 16 eine Zündkerze die in einem ersten Betriebsmodus zur direkten Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches im Hauptbrennraum 2 und in einem zweiten Betriebsmodus zur direkten Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in der Vorkammer 12 eingerichtet ist.
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Die Zündanlage 4 ist elektrisch mit der Zündeinrichtung 16 gekoppelt und umfasst eine Zündspannungsquelle 5 (siehe 1), die dazu eingerichtet ist, die erforderliche Zündspannung zum Betrieb der Zündeinrichtung 16 bereitzustellen.
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Der Verbrennungsmotor 1 ist hierbei, wie im Folgenden erläutert, derart eingerichtet, dass der Wechsel zwischen den beiden Betriebsmodi in Abhängigkeit von der Motorlast selbstregelnd erfolgt.
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Die Länge der Funkenstrecke 48, d.h. der Abstand der Mittelelektrode 26 zur Massenelektrode 46, ist so klein bzw. die Zündspannung der Zündspannungsquelle 5 so groß, dass in einem niedrigen Motorlastbereich die Funkendurchbruchspannung erreicht wird und somit das Kraftstoff-Luft-Gemisch mittels einer Luftfunkenzündung 50 innerhalb des Hauptbrennraums 2 gezündet wird.
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Gleichzeitig ist die Länge der Funkenstrecke 48 so groß, dass in einem hohen Motorlastbereich die Zündspannung der Zündspannungsquelle 5 nicht mehr ausreicht, um eine Luftfunkenzündung 50 zu erzeugen. Jedoch ist die Zündeinrichtung 16 so gestaltet, dass die Zündspannung der Zündspannungsquelle 5 im hohen Motorlastbereich ausreicht, um Teilentladungsfunken im Spalt 58 zu erzeugen und somit das Kraftstoff-Luft-Gemisch mittels einer Teilentladungszündung 60 innerhalb der Vorkammer 12 zu zünden.
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Da sich mit höherer Last normalerweise die Zündungsbedingungen erheblich verbessern, sind Teilentladungsfunken zum Initialisieren der Verbrennung in der Vorkammer 12 ausreichend.
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Über die maximale Zündspannung, die von der Zündspannungsquelle 5 bereitgestellt wird, kann eingestellt werden, wann der Wechsel zwischen den beiden Betriebsmodi erfolgt.
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In einer Ausführungsform umfasst die Zündspannungsquelle 5 eine Spule. In diesem Fall kann die maximal verfügbare Zündspannung über die Ladedauer der Spule gesteuert werden.
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Grundsätzlich kann die Zündspannungsquelle 5 eine beliebig gestaltete Spannungsquelle sein.
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Der niedrige Motorlastbereich umfasst beispielsweise den Lastbereich bis zur mittleren Motorlast, während der hohe Motolastbereich entsprechend den Lastbereich im Anschluss darüber umfasst.
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Die Grenze zwischen dem niedrigen und dem hohen Motorlastbereich kann insbesondere der Beginn des klopfbeschränkten Bereichs sein.
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Grundsätzlich können der niedrige und der hohe Motorlastbereich jedoch beliebig gewählt werden.
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Auf diese Weise kann mittels des Vorkammersystems 10, das eine kombinierte Teilentladungs-/Luftfunkenzündung bereitstellt, lastabhängig und passiv zwischen einer Zündung außerhalb der Vorkammer 12 und einer Zündung innerhalb der Vorkammer 12 umgeschaltet werden.
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Das Vorkammersystem 10 erweitert den Anwendungsbereich von Vorkammerzündungseinrichtungen erheblich und ermöglicht eine einfache kennfeldoptimierte Zündungsadaption.
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Ferner sind der Verbrennungsmotor 1 und das Vorkammersystems 10 besonders kompakt gestaltet.
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Insbesondere ist keine separate Zündeinrichtung zur direkten Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Hauptbrennraum 2 erforderlich.
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Anhand der 3 wird ein Vorkammersystem 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform beschrieben. Für die Bauteile, die von der obigen Ausführungsform bekannt sind, werden dieselben Bezugszeichen verwendet, und es wird insoweit auf die vorangegangenen Erläuterungen verwiesen.
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Im Unterschied zur ersten Ausführungsform ist bei dem Vorkammersystem 10 gemäß der zweiten Ausführungsform die Funkenstrecke 48 innerhalb der Vorkammer 12 vorgesehen.
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Hierbei erstreckt sich die Massenelektrode 46 entgegen der axialen Richtung A von der Deckwand 20 in die Vorkammer 12.
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Die Mittelelektrode 26 erstreckt sich in axialer Richtung A so weit, dass das Ende 32 der Mittelelektrode 26 in radialer Richtung von der Massenelektrode 46 umgeben und eine Funkenstrecke 48 zwischen der Mittelelektrode 26 und der Massenelektrode 46 in radialer Richtung gebildet ist.
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Die Mittelelektrode 26 erstreckt sich hierzu in axialer Richtung A von der Basis 18 über eine Höhe in die Vorkammer 12, die 98% der axialen Höhe H der Vorkammer 12 entspricht.
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In einer alternativen Ausführungsform erstreckt sich die Mittelelektrode 26 von der Basis 18 in axialer Richtung A über mindestens 90%, bevorzugt über mindestens 95%, insbesondere über mindestens 100% der axialen Höhe H in die Vorkammer 12 hinein.
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Grundsätzlich kann sich die Mittelelektrode 26 wie bei der ersten Ausführungsform in axialer Richtung A in die Durchführung 52 hinein oder durch die Durchführung 52 hindurch und in den Hauptbrennraum 2 hinein erstrecken.
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Auf diese Weise kann eine Luftfunkenzündung 50 innerhalb der Vorkammer 12 in unmittelbarer Nähe zum Hauptbrennraum 2 bereitgestellt werden.
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Über die Durchführung 52 sind die Flammenwege von der Funkenstrecke 48 bis in den Hauptbrennraum 2 besonders kurz. Ferner liegt eine hohe Strömungsexposition des Funkens der Luftfunkenzündung sowie ein geringer Restgasgehalt am Ort der Funkenzündung vor.
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Anhand der 4 wird nun ein Vorkammersystem 10 gemäß einer dritten Ausführungsform beschrieben. Für die Bauteile, die von den obigen Ausführungsformen bekannt sind, werden dieselben Bezugszeichen verwendet, und es wird insoweit auf die vorangegangenen Erläuterungen verwiesen.
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Im Unterschied zur zweiten Ausführungsform weist das Vorkammersystem 10 gemäß der dritten Ausführungsform keine Durchführung 52 in der Deckwand 20 auf, und die Massenelektrode 46 ist in axialer Richtung A direkt gegenüberliegend zum Ende 32 der Mittelelektrode 26 an der Deckwand 20 vorgesehen.
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Auf diese Weise ist eine Funkenstrecke 48 innerhalb der Vorkammer 12 gebildet, die sich zwischen dem Ende 32 der Mittelelektrode 26 und der Massenelektrode 46 in axialer Richtung A erstreckt.
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Bei den Vorkammersystemen 10 gemäß der zweiten und dritten Ausführungsform ist das Vorkammersystem 10 jeweils so gestaltet, dass die Funkenstrecke 48 besonders vorteilhaft in der Vorkammer 12 angeordnet ist, so dass eine hohe Turbulenz am Zündort vorliegt und die Flammenwege innerhalb der Vorkammer 12 in Summe besonders kurz sind.
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Ferner kann durch diese Gestaltung sichergestellt werden, dass am Zündort besonders gute Ladungswechselbedingungen vorherrschen, d.h., es gibt eine gute Frischgas-Gemisch-Bereitstellung und der Restgasgehalt ist niedrig.
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Die an der Deckenwand 20 vorgesehene Massenelektrode 46 kann alternativ durch die Deckwand 20 selbst gebildet sein.
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Analog zur ersten Ausführungsform weisen auch die Vorkammersysteme 10 gemäß der zweiten und dritten Ausführungsform jeweils eine Funkenstrecke 48 für eine Luftfunkenzündung 50 und einen Spalt 58 für eine Teilentladungszündung 60 auf. Hierdurch können diese Vorkammersysteme 10 analog zur ersten Ausführungsform mittels der Zündeinrichtung in zwei Betriebsmodi betrieben werden, wobei jedoch die eine Funkenstrecke 48 innerhalb der Vorkammer 12 angeordnet ist.
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Somit kann auch mittels der Vorkammersysteme 10 gemäß der zweiten und dritten Ausführungsform die Spannung abgesenkt werden.
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Ferner kann in diesen Ausführungsformen die erhöhte Strömung in der Funkenstrecke 48 zur besseren Teillastfähigkeit der Vorkammerzündung genutzt werden.
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In allen Ausführungsformen ist das Vorkammersystem 10 optional mit einem sogenannten EVO-Spulensystem kombinierbar, also einem System, das Funkendauer und Funkenstrom variabel einstellen lässt. Hierdurch können die erzeugten Luftfunken an die Zündbedingungen im stark durchströmten Spalt angepasst werden.
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Weitere Vorteile des Vorkammersystems 10 und des damit möglichen Verfahrens sind ein geringerer Kraftstoffverbrauch, vor allem im mittleren Kundenverbrauch, eine deutlich vereinfachte Emissionierbarkeit im Gesamtkennfeld, eine kostengünstige Vermeidung von Wassereinspritzung, sowie eine hohe Schlechtkraftstoffverträglichkeit.
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Die Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsformen beschränkt. Insbesondere können einzelne Merkmale einer Ausführungsform beliebig mit Merkmalen anderer Ausführungsformen kombiniert werden, insbesondere unabhängig von den anderen Merkmalen der entsprechenden Ausführungsformen.
