DE102020103863B4 - Fremd gezündete Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem Vorkammerzündsystem - Google Patents

Abstract

Fremd gezündete Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem Vorkammerzündsystem (1) mit einem Gehäuse (2), welches in einem Zylinderkopf (3) der Hubkolben-Brennkraftmaschine verbaubar ist und in dem eine Zündvorrichtung (4) angeordnet ist, die in einen Hohlraum (5) in dem Gehäuse (2) ragt, wobei der Hohlraum (5) gegenüber einem Brennraum (6) der Hubkolben-Brennkraftmaschine von einem Deckel (7) abgedeckt ist, wobei der Deckel (7) zumindest einen ersten Durchbruch (8) aufweist, der den Hohlraum (5) und den Brennraum (6) Gas führend miteinander verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) aus einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von größer 170 W/(m*K) und der Deckel (7) aus einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit kleiner 170 W/(m*K) besteht.

Description

• Die Erfindung betrifft eine fremd gezündete Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem Vorkammerzündsystem 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.
• 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,
• wobei das Rohrgehäuse eine Isolatorkörper-Halterung umgibt, die über eine Schweißnaht mit dem Gehäusekopf verschweißt ist und den Isolatorkörper mit einer Vorspannung gegen den Gehäusekopf presst.
• 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 , von der die vorliegende Erfindung ausgeht, eine Zündkerze bekannt. Bei der Zündkerze handelt es sich insbesondere um eine Vorkammerzündkerze, mit einem Gehäuse, einer Zündelektrode und einer Masseelektrode, wobei die Zündelektrode über eine Versorgungsleitung mit einer elektrischen Spannung beaufschlagbar ist und wobei die Versorgungsleitung zumindest teilweise innerhalb eines Isolators verläuft, wobei zumindest ein Ableitungsbereich des Gehäuses aus einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von über 170 W/(m*K) hergestellt ist.
• Um im oberen rechten Kennfeld (hohe Drehzahl, hohe Last) einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Hochleistungs-Brennkraftmaschine, einen stabilen Betrieb (Vorentflammungsfrei) zu gewährleisten, ist es notwendig ein Vorkammerzündsystem aus einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von > 250 W/(m*K) zu verwenden. Dieses Material hat aber den Nachteil im unteren linken Kennfeld (niedrige Drehzahl, niedrige Last) dass zu viel Wärme (Energie) verloren geht.
• Aus der WO 2007 / 092 972 A1 ist eine Zündkerze für Brennkraftmaschinen mit einer eine Vorkammer umgebenden, im Wesentlichen geschlossenen Vorkammerwandung mit Übertrittsöffnungen bekannt. Zumindest zwei Übertrittsöffnungen sind so ausgebildet und angeordnet, dass sich in der Vorkammer entzündeter Brennstoff nach dem Verlassen der Vorkammer über die Übertrittsöffnungen in Form von im Wesentlichen parallel verlaufenden oder zueinander konvergierend verlaufenden Zündfackeln ausbreitet.
• Der EP 0 097 320 B1 ist eine Vor- oder Wirbelkammer eines Verbrennungsmotors zu entnehmen, bei welcher ein den Innenraum aufweisender innerer Formkörper aus einem Werkstoff mit einer Wärmeleitfähigkeit α von mindestens 12 W/(m.K) mit einem eine Wärmeisolierung bildenden äußeren Formkörper aus keramischem Werkstoff einer Wärmeleitfähigkeit a < 10 W/(m.K) durch Schrumpfen oder Kleben verbunden ist.
• Die US 2005 / 0 268 882 A1 beschreibt eine Zündvorrichtung eines Verbrennungsmotors, bei welcher ein Vorkammerkörper aus einem Material mit einer thermischen Leitfähigkeit bei 20°C von mindestens 10 W/K/m hergestellt ist.
• Die DE 10 2018 221 429 A1 betrifft eine Vorkammerzündkerzenkappe umfassend einen Kappenkern und eine auf dem Kappenkern vorhandene, zum Vorkammerbrennraum ausgerichtete Innenbeschichtung. Der Kappenkern ist aus einer Kupferlegierung gebildet, und die Innenbeschichtung ist eine Nickelbeschichtung.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Maßnahme aufzuzeigen, mit der die Zündfähigkeit eines Vorkammerzündsystems in einem hohen Last- und/oder Drehzahlbereich oder bei einer späten Zündung einer Brennkraftmaschine sichergestellt werden kann.
• Diese Aufgabe wird durch das Merkmal im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
• Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist in dem Unteranspruch beschrieben.
• Dieses o. g. technische Problem wird gelöst, indem ein Kombinationswerkstoff für das Vorkammerzündsystem eingesetzt wird. Der obere Teil des Vorkammerzündsystems bleibt mit einem sehr stark Wärme leitenden Material mit einer Wärmeleitfähigkeit vorzugweise größer 170 W/(m*K) um die überschüssige Wärme an den Zylinderkopf abgeben zu können.
• Das Kappenmaterial des Deckels des Vorkammerzündsystems wird erfindungsgemäß so ausgelegt dass im Nennleistungspunkt (Bereich höchster Leistungsabgabe der Brennkraftmaschine) keine Vorentflammung entsteht aber so heiß wie möglich ist. Dazu eignen sich beispielsweise Materialen mit einer Wärmeleitfähigkeit kleiner 170 W/(m*K), wie z. B. folgende Legierungen:
• • TZM, eine Molybdänlegierung,
• • Wolfram/CuCr1 Zr 50/50,
• • Nickel 2.4066,
• • Inconel, eine hoch korrosions- und temperaturbeständige Nickellegierung oder
• • Stahl 1.4859 (20% Cr).
• Durch das Integrieren von zwei verschiedenen Materialien für das Vorkammerzündsystem (Wärmeleitfähigkeit > 170 W/(m*K) für das Gehäuse und einer Wärmeleitfähigkeit kleiner 170 W/(m*K) für den Deckel, jeweils im lösungsgeglühten Zustand (CuCr1 Zr) bei 20°C) können die Niedriglast für die fremd gezündete Brennkraftmaschine und späte Zündzeitpunkte (beispielsweise für das Heizen einer Abgasnachbehandlungseinheit) realisiert werden, da nur wenig Energie von der Verbrennung in dem Vorkammerzündsystem auf dem Weg in den Hauptbrennraum verloren geht. Zudem heizt sich die Zündvorrichtung, z. B. eine Zündkerze in dem Vorkammerzündsystem, weniger stark auf, da die Wärme im unteren Teil (Deckelbereich) des Vorkammerzündsystems verbleibt.
• So wird der Deckel des Vorkammerzündsystems (Deckel ist der Teil, der von dem Vorkammerzündsystem weitgehend in den Brennraum steht) aus einem der oben genannten Materialien gefertigt.
• Dieses andere Deckelmaterial wird gemäß Anspruch 2 an das Gehäuse angeschweißt, beispielsweise durch Reibschweißen oder in einem 3D Druckverfahren mit einander verschmolzen.
• Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels kurz erläutert.
• 1 zeigt einen Schnitt durch ein Vorkammerzündsystem.
• 1 zeigt einen Schnitt durch ein Vorkammerzündsystem 1 für eine fremd gezündete Hubkolben-Brennkraftmaschine, insbesondere eine Hochleistungs-Brennkraftmaschine, mit einem Gehäuse 2, welches in diesem Ausführungsbeispiel radial außen von einem Zylinderkopfmaterial eines Zylinderkopfes 3 der Hubkolben-Brennkraftmaschine gebildet ist. In dem Vorkammerzündsystem 1 ist eine Zündvorrichtung 4 angeordnet ist, die in einen Hohlraum 5 in dem Gehäuse 2 ragt. Als Zündvorrichtung kann beispielsweise eine Zündkerze, ein Corona-Zündsystem oder eine sonstige Zündvorrichtung für fremd gezündete Brennkraftmaschinen vorgesehen werden.
• Weiter ist der Hohlraum 5 auf der, der Zündvorrichtung 4 abgewandten Seite gegenüber einem Brennraum 6 der Hubkolben-Brennkraftmaschine von einem Deckel 7 abgedeckt. Der Deckel 7 weist zumindest einen ersten Durchbruch 8 auf, der den Hohlraum 5 und den Brennraum 6 Gas führend miteinander verbindet. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind zwei Durchbrüche 8 erkennbar. Diese Durchbrüche 8 können beispielsweise Bohrungen in dem Deckel 7 sein. Der Deckel 7 kann selber stoff- und/oder formschlüssig oder in einem 3D-Druckverfahren mit dem Zylinderkopf 3 verbunden sein.
• Weiter ist in 1 ein Kraftstoffinjektor 9 erkennbar, mit dem Kraftstoff in den Brennraum 6 der Hubkolben-Brennkraftmaschine zur Darstellung eines brennbaren Kraftstoff-/Luftgemisches in dem Brennraum 6 einbringbar ist.
• Zusammen gefasst kann gesagt werden, dass das o. g. technische Problem gelöst wird, indem ein Kombinationswerkstoff für das Vorkammerzündsystem 1 eingesetzt wird. Der obere Teil des Vorkammerzündsystems 1 (im Bereich der Zündvorrichtung 4) bleibt ein sehr stark Wärme leitendes Material mit einer Wärmeleitfähigkeit vorzugweise > 170 W/(m*K), um die überschüssige Wärme an den Zylinderkopf 3 abgeben zu können.
• Das Material des Deckels 7 des Vorkammerzündsystems 1 wird erfindungsgemäß so ausgelegt dass im Nennleistungspunkt (Bereich höchster Leistungsabgabe der Brennkraftmaschine) keine Vorentflammung entsteht aber so heiß wie möglich ist. Dazu eignen sich beispielsweise Materialen mit einer Wärmeleitfähigkeit < 170 W/(m*K), wie z.B. folgende Legierungen:
• • TZM, eine Molybdänlegierung,
• • Wolfram/CuCr1 Zr 50/50,
• • Nickel 2.4066,
• • Inconel, eine hoch korrosions- und temperaturbeständige Nickellegierung oder
• • Stahl 1.4859 (20% Cr).
• Durch das Integrieren von zwei verschiedenen Materialien für das Vorkammerzündsystem 1 (Wärmeleitfähigkeit > 170 W/(m*K) für das Gehäuse 2 und einer Wärmeleitfähigkeit kleiner 170 W/(m*K) für den Deckel 7, jeweils im lösungsgeglühten Zustand (CuCr1 Zr) bei 20°C) können die Niedriglast für die fremd gezündete Brennkraftmaschine und späte Zündzeitpunkte realisiert werden, da nur wenig Energie von der Verbrennung in dem Vorkammerzündsystem 1 auf dem Weg in den Brennraum 6 verloren geht. Zudem heizt sich die Zündvorrichtung 4, z. B. eine Zündkerze in dem Vorkammerzündsystem 1, weniger stark auf, da die Wärme im unteren Teil (Deckelbereich) des Vorkammerzündsystems 1 verbleibt.
• So wird erfindungsgemäß der Deckel des Vorkammerzündsystems 1 aus einem der oben genannten Materialien gefertigt und nicht aus dem Standardmaterial des Gehäuses 2.
• Abschließend sei noch gesagt, dass die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Vorkammerzündsystems 1 sowohl für passive Vorkammerzündsysteme, wie hier dargestellt, als auch für aktive Vorkammerzündsysteme, mit eigener Einbringung von Kraftstoff in den Hohlraum 5, eingesetzt werden kann.
• In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das Gehäuse 2 anstelle von dem Zylinderkopfmaterial gebildet, auch als ein separates Gehäuse 2, welches in den Zylinderkopf 3 eingebracht wird, dargestellt werden.
• Bezugszeichenliste

1

Vorkammerzündsystem

2

Gehäuse

3

Zylinderkopf

4

Zündvorrichtung

5

Hohlraum

6

Brennraum

7

Deckel

8

Durchbruch

9

Kraftstoffinjektor

Claims (2)

1. Fremd gezündete Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem Vorkammerzündsystem (1) mit einem Gehäuse (2), welches in einem Zylinderkopf (3) der Hubkolben-Brennkraftmaschine verbaubar ist und in dem eine Zündvorrichtung (4) angeordnet ist, die in einen Hohlraum (5) in dem Gehäuse (2) ragt, wobei der Hohlraum (5) gegenüber einem Brennraum (6) der Hubkolben-Brennkraftmaschine von einem Deckel (7) abgedeckt ist, wobei der Deckel (7) zumindest einen ersten Durchbruch (8) aufweist, der den Hohlraum (5) und den Brennraum (6) Gas führend miteinander verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) aus einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von größer 170 W/(m*K) und der Deckel (7) aus einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit kleiner 170 W/(m*K) besteht.
2. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) und der Deckel (7) durch Schweißen oder 3D-Druck miteinander verbunden sind.

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