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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/mK 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.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Maßnahme aufzuzeigen, mit der die Zündfähigkeit eines Vorkammerzündsystems 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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Das Problem wird dadurch gelöst, dass der zweite Hohlraum, die Restgaskammer, zumindest zum Teil in den Zylinderkopf integriert wird. Der zweite Hohlraum befindet sich vorzugsweise, betrachtet aus Sicht des Brennraumes der Brennkraftmaschine, auf gleicher Höhe oder etwas höher als der Zündort der Zündvorrichtung. So kann ein externer zweiter Hohlraum geschaffen werden ohne eine „warme“ Zündvorrichtung, wie eine „warme“ Zündkerze mit exponierter Funkenlage, verwenden zu müssen. Dieser zweite Hohlraum, die externe Restgaskammer, wird über zumindest einen zweiten Durchbruch mit dem ersten Hohlraum verbunden, welcher vorzugsweise so dargestellt ist, dass er beim Rückströmen von Restgas nach dem oberen Totpunkt des Kolbens (OT) das Restgas vorbei am Zündort in dem ersten Hohlraum leitet.
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Es ist somit eine Restgaskammer, der zweite Hohlraum dargestellt, die außerhalb des ersten Hohlraumes angeordnet ist und zielt darauf ab, das gesamte Kennfeld (insbesondere niedrige Last und/oder Drehzahl) der Brennkraftmaschine ohne, beispielsweise eine zusätzliche Zündvorrichtung im Hauptbrennraum der Brennkraftmaschine, abfahren zu können. Insbesondere bei Brennkraftmaschinen mit hohen Literleistungen (Hochleistungs-Brennkraftmaschinen, Literleistung > 120 KW/I) haben passive Vorkammerzündsysteme mit einer Restgaskammer innerhalb des ersten Hohlraumes des Vorkammerzündsystems das Problem, dass die Zündvorrichtung, bzw. im Speziellen der Isolator der Zündvorrichtung beim Betrieb mit hoher Leistung der Brennkraftmaschine durch die exponierte Funkenlage sehr heiß wird und dadurch nicht mehr das gesamte Kennfeld der Brennkraftmaschine abgefahren werden kann. Dieses Problem ist durch den erfindungsgemäßen zweiten Hohlraum gelöst. Die erfindungsgemäße Konstruktion ist deshalb zielführend, da bei Niedriglasten (fehlende Ladungsbewegung) der Brennkraftmaschine keine komplette Homogenisierung von Restgas und Frischgas erfolgt.
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Gemäß Anspruch 2 soll die Restgaskammer, der zweite Hohlraum, mit Blickrichtung vom Brennraum aus über dem Bereich angeordnet sein, in dem die hauptsächliche Wärmeübertragung zwischen dem Isolator der Zündvorrichtung und dem Gehäuse der Zündvorrichtung stattfindet. Dieser Bereich wird als Sheet-Packing bezeichnet. Eine Verlegung des zweiten Hohlraumes über das Sheet-Packing soll verhindern, dass dieser Bereich nicht unzulässig stark von außerhalb des Vorkammerzündsystems durch das Restgas aufgewärmt wird und somit eine effiziente Wärmeabfuhr vom Isolator der Zündvorrichtung über das Sheet-Packing möglich ist. Die Folge einer schlechten Wärmeabfuhr wäre ein zu heißer Isolator der Zündvorrichtung und damit eine Einschränkung des fahrbaren Kennfeldes bei hohen Leistungen der Brennkraftmaschine.
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Gemäß Anspruch 3 ist es eine sinnvolle Möglichkeit, den außerhalb des ersten Hohlraumes befindlichen zweiten Hohlraum, das Restgasvolumen, mit dem eigentlichen ersten Hohlraum über zumindest einen zweiten Durchbruch, z. B. eine Bohrung, zu verbinden. Der zumindest eine zweite Durchbruch kann so ausgelegt sein, dass durch das Rückströmen des Restgases vom zweiten Hohlraum in den ersten Hohlraum, insbesondere bei späten Zündwinkeln (Zündung nach dem OT) Turbulenz im ersten Hohlraum entsteht. Diese Turbulenz hilft bei der Ausbreitung der Flamme im ersten Hohlraum und verbessert somit das Brennverfahren bzw. die Brennstabilität speziell für niedrige Last, niedrige Drehzahl und späte Zündwinkel der Brennkraftmaschine entscheidend. Die Turbulenz kann dabei sowohl durch eine hohe Strömungsgeschwindigkeit eines frei aus dem ersten Durchbruch austretenden Strahls, als auch durch gezieltes Anströmen eines Strömungsleitkörpers im ersten Hohlraum erzeugt werden.
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Die Ausgestaltung des zweiten Durchbruchs gemäß den Ansprüchen 4 und 5 sind besonders bevorzugte Größenbereiche. Das Verhältnis des Volumens des zweiten Hohlraums zur Länge sowie zum Durchmesser des zweiten Durchbruchs kann bevorzugt so abgestimmt sein, dass das Volumen des zweiten Hohlraums bei einem definierten Lastpunkt möglichst gut mit Restgas befüllt wird. Dabei wird wie bei einem Helmholz-Resonator die Eigenfrequenz des Gases in den Kanälen auf jene im zweiten Hohlraum abgestimmt.
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Das Volumen des zweiten Hohlraums gemäß Anspruch 6 hat sich in Versuchen als besonders vorteilhaft herausgestellt.
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Im Folgenden ist die Erfindung anhand von drei Figuren kurz erläutert.
- 1 zeigt einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Vorkammerzündsystems.
- 2 zeigt einen Schnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Vorkammerzündsystems und eine Aufsicht auf ein zugehöriges Gehäuse.
- 3 zeigt einen Schnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Vorkammerzündsystems und eine Aufsicht auf ein zugehöriges Gehäuse.
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Im Folgenden gelten in den 1 bis 3 für gleiche Bauteile die gleichen Bezugsziffern.
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1 zeigt einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Vorkammerzündsystems 1. Da Vorkammerzündsysteme 1 dem Fachmann seit fast 100 Jahren bekannt sind, wird im Rahmen dieser Erfindung die Funktionsweise eines gattungsgemäßen Vorkammerzündsystems 1 nicht weiter erläutert.
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Das Vorkammerzündsystem 1 ist für eine fremd gezündete Hubkolben-Brennkraftmaschine, insbesondere eine Hochleistungs-Brennkraftmaschine mit einer Literleistung >120 KW/I, vorgesehen und weist ein Gehäuse 2 auf, welches in einem Zylinderkopf 3 der Hubkolben-Brennkraftmaschine verbaubar, beispielsweise verschraubbar ist. In dem Gehäuse 2 ist eine Zündvorrichtung 4, beispielsweise eine Zündkerze, wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel angeordnet, d. h. die Zündvorrichtung 4 ist in das Gehäuse 2 eingeschraubt. Das Gehäuse 2 und die Zündvorrichtung 4 bilden einen ersten Hohlraum 5 in dem Gehäuse 2 aus.
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Der erste Hohlraum 5 ist gegenüber einem Brennraum 6 der Hubkolben-Brennkraftmaschine von einem nicht separat bezifferten Deckel abgedeckt. Der Deckel kann wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel einstückig mit dem Gehäuse 2 ausgebildet sein, oder als separates Bauteil. Der Deckel weist zumindest einen ersten Durchbruch 7 aufweist, der den ersten Hohlraum 5 und den Brennraum 6 Gas führend miteinander verbindet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind vier erste Durchbrüche 7 dargestellt, wobei nur ein erster Durchbruch 7 beziffert ist.
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Zur Einbringung eines Kraftstoffes in den Brennraum 6 ist weiter ein Kraftstoffinjektor 10 in dem Zylinderkopf 3 vorgesehen. Im Schnitt des Zylinderkopfes 3 sichtbare Kühlmittelmäntel, Ein- und Auslasskanäle mit Gaswechselventilfedern sind nicht beziffert und dem Fachmann bekannt.
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Erfindungsgemäß ist in dem Zylinderkopf 3 ein zweiter Hohlraum 8 angeordnet, der Gas führend über einen zweiten Durchbruch 9 mit dem ersten Hohlraum 5 verbunden ist. Bevorzugt, wie oben dargestellt, ist der zweite Hohlraum 8 auf der dem Brennraum 6 abgewandten Seite mit dem ersten Hohlraum Gas 5 führend verbunden. Bevorzugt weist der zweite Durchbruch 9 einen Querschnitt zwischen 0,5 mm2 und 130 mm2 und eine Länge zwischen 1 mm und 150 mm auf. Mit diesen Abmessungen kann die Kombination aus zweiter Hohlraum 8 und zweiter Durchbruch 9 als Helmholz-Resonator zur Abstimmung auf definierte Drehzahlen der Brennkraftmaschine abgestimmt werden. Besonders bevorzugt beträgt ein Volumen des zweiten Hohlraumes 8 zwischen dem 0,1-fachen und dem 12-fachen eines Volumens des ersten Hohlraumes 5.
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2 zeigt in 2b einen Schnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Vorkammerzündsystems 1 sowie in 2a eine Aufsicht auf ein zugehöriges Gehäuse 2.
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Im Gegensatz zu 1 ist der zweite Hohlraum 8 nicht komplett ausgelagert im Zylinderkopf 3 angeordnet, sondern als Ausnehmung im Zylinderkopf 3, benachbart zur Zündvorrichtung 4, im Bereich des nicht bezifferten Gewindes und koaxial zum Gehäuse 2. Die zweiten Durchbrüche 9, in 2a und 2b sind jeweils zwei sichtbar, sind durch Ausnehmungen im Gewinde des Gehäuses 2 dargestellt. Für die Dimensionierung der zweiten Durchbrüche 9 und des zweiten Hohlraumes 8 gelten dieselben Angaben wie zu 1.
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3 zeigt in 3b einen Schnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Vorkammerzündsystems 1 und in 3a eine Aufsicht auf ein zugehöriges Gehäuse 2.
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Im Gegensatz zu 1 ist in 3 der zweite Hohlraum 8 ebenfalls nicht komplett ausgelagert im Zylinderkopf 3 angeordnet, sondern als Ringspalt, koaxial zur Zündvorrichtung 4, im Bereich des nicht bezifferten Gewindes und koaxial zum Gehäuse 2. Die zweiten Durchbrüche 9, in 2a sind drei dargestellt und in 2b sind zwei dargestellt, sind durch Bohrungen im Gehäuse 2 dargestellt. Für die Dimensionierung der zweiten Durchbrüche 9 und des zweiten Hohlraumes 8 gelten dieselben Angaben wie zu 1.
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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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Bezugszeichenliste
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- 1.
- Vorkammerzündsystem
- 2.
- Gehäuse
- 3.
- Zylinderkopf
- 4.
- Zündvorrichtung
- 5.
- erster Hohlraum
- 6.
- Brennraum
- 7.
- erster Durchbruch
- 8.
- zweiter Hohlraum
- 9.
- zweiter Durchbruch
- 10.
- Kraftstoffinjektor
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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]
