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Die Erfindung betrifft eine fremd gezündete Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem Vorkammerzündsystem mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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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.
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Weiter ist aus der internationalen Patentanmeldung mit der internationalen Veröffentlichungsnummer
WO 2008/031482 A2 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.
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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.
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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 150 W/(m*K) hergestellt ist.
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Nachteilig an diesen bekannten Vorkammerzündsystemen ist, dass im niedrigen Last- und/oder Drehzahlbereich einer Brennkraftmaschine kein oder kaum ein ausreichender Gasaustauch innerhalb des Vorkammerzündsystems stattfindet, sodass in diesen Last-und/oder Drehzahlbereichen eine sichere Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches nicht immer gewährleistet ist. Mit zunehmender Größe des Vorkammerzündsystems bleibt zwar der prozentuale Anteil an Restgas in dem Vorkammerzündsystem gleich, jedoch steigt der Anteil an Restgas (verbranntes Luft/Kraftstoffgemisch, Inertgas) welches sich unter der Zündvorrichtung befindet an, da das Volumen, welches sich unter der Zündvorrichtung bis zum Zündort befindet immer gleich bleibt. Für eine ausreichend hohe Brenngeschwindigkeit wird in der Volllast der Brennkraftmaschine ein möglichst großes Volumen (Hohlraum) des Vorkammerzündsystems benötigt. Dieses steht jedoch im Wiederspruch zur Niederlast bzw. Betriebspunkten mit späten Schwerpunktlagen, also einer Verbrennung weit nach OT (oberer Totpunkt des Kolbens), wie es z. B. für das Heizen einer Abgasreinigungsvorrichtung benötigt wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Maßnahme aufzuzeigen, mit der die Zündfähigkeit eines Vorkammerzündsystems, insbesondere in einem niedrigen Last- und/oder Drehzahlbereich einer Brennkraftmaschine sichergestellt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch das Merkmal im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Die erfindungsgemäße Idee besteht darin, das Vorkammerzündsystem im Bereich der Zündelektrode mit einer metallischen Querstrebe zu unterteilen, in eine Restgaskammer (Restgasvolumen) und eine Frischgaskammer (Frischgasvolumen). Zur Definition befindet sich die Frischgaskammer vom Zündort bis zum Deckel. Die Restgaskammer befindet sich hinter dem Zündort, d. h. auf der dem Brennraum abgewandten Seite des Vorkammerzündsystems. Das bedeutet in Betriebspunkten mit einer Zündung vor dem OT des Kolbens, d. h. der Kolben ist noch in der Aufwärtsbewegung, wird das Restgas in dem Vorkammerzündsystem hinter dem Zündort komprimiert. Dies bietet auch in diesen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine einen Vorteil indem bei weniger Restgas gezündet wird als auch im besten Fall mit einem fetteren Lambda (Lambda < 1). Dadurch entstehen bessere Zündbedingungen und eine stärkere resultierende Verbrennung in den Brennräumen der Brennkraftmaschine. Im Fall einer späten Zündung (bei Abwärtsbewegung des Kolbens) wird im besten Fall das Restgas über dem Zündort gehalten oder an dem Zündort nach unten hin in Richtung der Brennräume vorbeigeführt so dass am Zündort immer beste Zündbedingungen herrschen.
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Die Aufteilung in eine Frischgaskammer und eine Restgaskammer kann, wie oben dargestellt, mit der metallischen Querstrebe, beispielweise aus dem Material W50Cu50 umgesetzt sein. Im besten Fall hat diese Querstrebe, welche auch zeitgleich die Masseelektrode des Vorkammerzündsystems darstellt, eine Wärmeleitfähigkeit zwischen 50 und 150 W/(m*K). Dabei kann die Masseelektrode ein Stab sein, eine Platte oder eine andere Geometrie aufweisen. Das heißt die eigentliche Zündvorrichtung besitzt nur noch eine Mittelelektrode. Durch zumindest einen weiteren Durchbruch in der Querstrebe kann das Restgas am Zündort vorbeigeführt werden.
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Im Folgenden ist die Erfindung anhand von zwei Ausführungsbeispielen in drei Figuren näher erläutert.
- 1 zeigt eine Aufsicht auf einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Vorkam merzündsystem.
- 2 zeigt einen Blick in ein erstes Ausführungsbeispiel eines dreidimensional dargestellten Vorkammerzündsystems.
- 3 zeigt einen Blick in ein zweites Ausführungsbeispiel eines dreidimensional dargestellten Vorkammerzündsystems.
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Im Folgenden gelten in den 1 bis 3 für gleiche Bauelemente die gleichen Bezugsziffern.
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1 zeigt eine Aufsicht auf einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Vorkammerzündsystem 1. Das Vorkammerzündsystem 1 ist für eine fremd gezündete Hubkolben-Brennkraftmaschine vorgesehen. Das Vorkammerzündsystem 1 ist in einem Zylinderkopf 2 der Hubkolben-Brennkraftmaschine angeordnet und besteht aus einem gut Wärme leitenden Metall wie beispielsweise Kupfer. Im vorliegenden Fall ist das Vorkammerzündsystem 1 in den Zylinderkopf 2 eingeschraubt. Auch Verklemmen, Verscheißen oder Verlöten von Vorkammerzündsystem 1 und Zylinderkopf 2 ist möglich.
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Von einer, einem Brennraum 6 der Hubkolben-Brennkraftmaschine abgewandten Seite ist eine Zündvorrichtung 3, beispielsweise eine Zündkerze mit einer Zündelektrode 3' in das Vorkammerzündsystem 1 eingebracht. Auch hier liegt wieder eine nicht bezifferte Verschraubung vor. Auch eine Corona-Zündvorrichtung oder sonstige Zündquelle ist möglich. Die Zündvorrichtung 3 ragt in einen Hohlraum 4 des Vorkammerzündsystems 1.
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Andererseits ist der Hohlraum 4 mit einem Deckel 5 gegenüber dem Brennraum 6 der Hubkolben-Brennkraftmaschine abgedeckt. Der Deckel 5 weist zumindest einen ersten Durchbruch 7 auf, der den Hohlraum 4 und den Brennraum 6 Gas führend miteinander verbindet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind zwei Durchbrüche 7 erkennbar, von denen nur ein einziger beziffert ist. Anzahl, Größe und Lage der Durchbrüche 7 können von Vorkammerzündsystem 1 zu Vorkammerzündsystem 1 variieren.
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Erfindungsgemäß ist in dem Hohlraum 4 im Bereich der Zündelektrode 3' eine metallische Querstrebe 8 mit zumindest einem zweiten Durchbruch 9 angeordnet. Hierbei ragt die Zündelektrode 3' in den zweiten Durchbruch 9. Die Querstrebe 8 unterteilt somit den Hohlraum 4 in eine Restgaskammer 10 und eine Frischgaskammer 11. Die Restgaskammer 10 erstreckt sich zwischen der Zündvorrichtung 3 und der Querstrebe 8 und die Frischgaskammer 11 erstreckt sich zwischen der Querstrebe 8 und dem Deckel 5.
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In vorteilhafter Weis dient die Querstrebe 8 als Masseelektrode für die Zündelektrode 3' dient und erfüllt somit die Doppelfunktion von Elektrode und „Raumteiler“.
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Bevorzugt weist die Querstrebe 8 eine Wärmeleitfähigkeit zwischen 50 und 150 W/(m*K) auf und ist beispielsweise aus dem Material W50Cu50 ist, wobei auch andere temperaturfeste Materialien möglich sind.
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2 zeigt einen Blick in ein erstes Ausführungsbeispiel eines dreidimensional dargestellten Vorkammerzündsystems 1. Der Blick ist auf das Vorkammerzündsystem 1 gerichtet, von der Seite aus die Zündvorrichtung 3 eingebracht wird. Mittig erkennbar ist die metallische Querstrebe 8 mit dem zweiten Durchbruch 9. Unterhalb der Querstrebe 8 ist die Frischgaskammer 11 erkennbar, die Restgaskammer 10 ist oberhalb der Querstrebe 8.
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3 zeigt einen Blick in ein zweites Ausführungsbeispiel eines dreidimensional dargestellten Vorkammerzündsystems 1. Im Wesentlichen entspricht das Vorkammerzündsystem 1 in 3 dem in 2. Im Unterschied zu 2 weist die Querstrebe 8 zwei weitere Durchbrüche 12 auf, die die Restgaskammer 10 und die Frischgaskammer 11 Gas führend miteinander verbinden. Beziffert ist nur ein einziger weiterer Durchbruch 12.
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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 ersten Hohlraum 5, eingesetzt werden kann.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das Gehäuse 2 auch von dem Zylinderkopfmaterial gebildet sein, d. h. das Gehäuse 2 ist dann eine Bohrung in dem Zylinderkopf 3.
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Bezugszeichenliste
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- 1.
- Vorkammerzündsystem
- 2.
- Zylinderkopf
- 3.
- Zündvorrichtung
- 3'
- Zündelektrode
- 4.
- Hohlraum
- 5.
- Deckel
- 6.
- Brennraum
- 7.
- Erster Durchbruch
- 8.
- Querstrebe
- 9.
- Zweiter Durchbruch
- 10.
- Restgaskammer
- 11.
- Frischgaskammer
- 12.
- Weiterer Durchbruch
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014111897 A1 [0002]
- WO 2008/031482 A2 [0003]
- DE 102016120984 A1 [0004]
- DE 102016206992 A1 [0005]
