DE102020107368A1

DE102020107368A1 - Fremd gezündete Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem Vorkammerzündsystem

Info

Publication number: DE102020107368A1
Application number: DE102020107368.2A
Authority: DE
Inventors: Manfred Fraenk; Alexander Scholz
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2020-03-18
Filing date: 2020-03-18
Publication date: 2021-09-23

Abstract

Fremd gezündete Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem Vorkammerzündsystem mit einem Gehäuse, welches in einem Zylinderkopf der Hubkolben-Brennkraftmaschine verbaubar ist und in dem eine Zündvorrichtung angeordnet ist, die in einen Hohlraum in dem Gehäuse ragt, wobei der Hohlraum gegenüber einem Brennraum der Hubkolben-Brennkraftmaschine von einem Deckel abgedeckt ist, wobei der Deckel zumindest einen ersten Durchbruch aufweist, der den Hohlraum und den Brennraum Gas führend miteinander verbindet, wobei die Hubkolben-Brennkraftmaschine einen Frischluftkanal aufweist zur Versorgung des Brennraumes mit Frischluft für eine Verbrennung und wobei der Hohlraum und der Frischluftkanal über eine erste Bohrung und eine zweite Bohrung, zwischen denen eine Absperrvorrichtung angeordnet ist, Gas führend miteinander verbindbar sind, wobei die Absperrvorrichtung eine rotierende Welle ist, mit einer Bohrung oder mit einer radial außen umlaufenden Nut, mit der die erste Bohrung und die zweite Bohrung Gas führend miteinander verbindbar sind.Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Vorkammerzündsystems wird die Zündung eines Kraftstoff-/Luftgemisches in dem Vorkammerzündsystem bei niedriger Last und/oder Drehzahl der Brennkraftmaschine wesentlich verbessert.

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 2008/031482 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.

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 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.
Weiter ist aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2017 222 084 A1 , von der die vorliegende Erfindung ausgeht, eine fremd gezündete Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf und mit einem Kurbelgehäuse mit zumindest einem Zylinder bekannt. In dem zumindest einen Zylinder ist ein hubbeweglicher Kolben angeordnet, wobei der Zylinderkopf, der Zylinder und ein Kolbenboden des Kolbens einen Brennraum einschließen, der über ein Gaswechselventil mit einem Saugkanal in dem Zylinderkopf für einen Ladungswechsel Gas führend verbindbar ist. Weiter ist ein Kraftstoffinjektor vorgesehen, zur Einbringung von Kraftstoff in den Brennraum, wobei in dem Zylinderkopf eine Vorkammer vorgesehen ist, welche Gas führend mit dem Brennraum verbunden ist. Weiter ist in der Vorkammer eine Zündvorrichtung vorgesehen, zur Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches, wobei die Vorkammer über eine Absperrvorrichtung und einen Verbindungskanal Gas führend mit dem Saugkanal verbindbar ist. Durch die vorgeschlagene Ausgestaltung wird eine kostengünstige Integration eines Vorkammerzündsystems in eine Hubkolben-Brennkraftmaschine ermöglicht.
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.
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.
Diese Aufgabe wird durch das Merkmal im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Ein konventionelles Rückschlagventil, vergleichbar zu dem in der Patentanmeldung DE 10 2017 222 084 A1 wird der Dauerbelastung insbesondere der thermischen Dauerbelastung und der Schmutzbeaufschlagung nicht lange Stand halten, die Schaltfrequenz beträgt die halbe Drehzahl der Brennkraftmaschine und ist damit für ein federbelastetes Ventil sehr hoch.
Aus diesem Grund sieht die Erfindung vor, dass die Spülung des Vorkammerzündsystems durch einen Kanal, der von einem Drehschieber mit einer Bohrung oder mit einer radial außen umlaufenden Nut gesteuert wird, gespült wird. Der Drehschieber läuft synchron zur Nockenwelle und könnte mittels eines Verstellers, wie z. B. VANOS (variable Nockensteuerung), über die Phasenlage an den jeweiligen Bedarf angepasst werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist der Drehschieber durch die Nockenwelle mit einer Bohrung oder mit einer radial außen umlaufenden Nut dargestellt. Mit dieser Ausgestaltung wird mittels der Nockenwelle der Gasaustausch zwischen dem Einlasskanal und dem Vorkammerzündsystem gesteuert. Während des Ladungswechsels wird eine Verbesserung der Restgasausspülung des Vorkammerzündsystems erzielt und zum Zündzeitpunkt ein optimales Kraftstoff-LuftGemisch bereitgestellt.
Wie bereits erwähnt kann die rotierende Welle mit einer Bohrung oder mit einer radial außen umlaufenden Nut eine beliebige, synchron zu der Nockenwelle rotierende Welle sein, deren Phasenlage bevorzugt bezüglich der Phasenlage der Nockenwelle verstellbar ist.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand von zwei Ausführungsbeispielen in zwei Figuren näher erläutert.

1 zeigt einen Schnitt durch ein Vorkammerzündsystem in einem Zylinderkopf für ein erstes Ausführungsbeispiel.
2 zeigt einen Schnitt durch einen Zylinderkopf mit einem Vorkammerzündsystem für ein zweites Ausführungsbeispiel.

Im Folgenden gelten in den 1 und 2 für gleiche Bauelemente die gleichen Bezugsziffern.
1 zeigt einen Schnitt durch einen Zylinderkopf 3 mit einem Vorkammerzündsystem 1. Der Zylinderkopf 3 ist für eine nicht dargestellte Hubkolben-Brennkraftmaschine vorgesehen, mit einer Fremdzündung. Das Vorkammerzündsystem 1 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel direkt in den Zylinderkopf 3 integriert, dies bedeutet, dass das Gehäuse 2 des Vorkammerzündsystems 1 von dem Zylinderkopfmaterial des Zylinderkopfes 3 gebildet wird. Innerhalb des Gehäuses 2 ist eine nicht dargestellte Zündvorrichtung 4 angeordnet, wobei der Ort der Zündvorrichtung 4 durch die Lage der Bezifferung dargestellt ist. Eine ebenfalls nicht dargestellte Zündelektrode der Zündvorrichtung 4 ragt in das Gehäuse 2.
Das Vorkammerzündsystem 1 ist gegenüber einem Brennraum 6 der Hubkolben-Brennkraftmaschine von einem nicht bezifferten Deckel abgedeckt. Hierbei weist der Deckel erste Durchbrüche 7 auf, im vorliegenden Ausführungsbeispiel zwei von denen nur einer beziffert ist. Somit schließen die Zündvorrichtung 4 und der nicht bezifferte Deckel einen Hohlraum 5 in dem Vorkammerzündsystem 1 ein.
Weiter ist in dem Zylinderkopf 3 ein Frischluftkanal 8 vorgesehen, zur Versorgung der Hubkolben-Brennkraftmaschine mit Frischluft für eine fremd gezündete Verbrennung. Für einen Ladungswechsel, d. h. für die Steuerung einer Frischluftzufuhr in dem Brennraum 6 ist ein hubbewegliches Gaswechselventil 13 vorgesehen.
Für eine Spülung des Vorkammerzündsystems 1 sind eine erste Bohrung 9 und eine zweite Bohrung 10 vorgesehen, die über eine Absperrvorrichtung 11 miteinander Gas führend verbindbar sind.
Erfindungsgemäß ist die Absperrvorrichtung 11 eine rotierende Welle 12, im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit einer Bohrung. In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann es auch eine radial außen umlaufenden Nut sein, mit der die erste Bohrung 9 und die zweite Bohrung 10 bei einer Rotation der Welle 12 Gas führend miteinander verbindbar sind. Eine Drehrichtung der rotierenden Welle 12 ist mit einem Pfeil dargestellt.
Mit dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung kann eine aktive Spülung des Vorkammerzündsystems 1 beim Betrieb der Brennkraftmaschine realisiert werden, wobei die Spülung phasenstarr oder über ein Phasensteuerelement, wie z. B. Vanos (variable Nockensteuerung) eingestellt werden kann. Dies bedeutet, dass die rotierende Welle 12 entweder synchron zu einer Nockenwelle der Hubkolben-Brennkraftmaschine läuft, bzw. dass deren Phasenlage bezüglich der Nockenwelle verstellbar ist
2 zeigt ebenfalls einen Schnitt durch einen Zylinderkopf 3 mit einem zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel. Grundsätzlich gilt in 2 auch das zu 1 Gesagte.
2 unterscheidet sich von 1 dadurch, dass in diesem zweiten Ausführungsbeispiel das Vorkammerzündsystem 1 ein eigenes Gehäuse 2, welches in dem Zylinderkopf 3 angeordnet ist, aufweist. Auch in dem zweiten Ausführungsbeispiel sind der Frischluftkanal 8 und das Vorkammerzündsystem 1 über eine erste Bohrung 9 und eine zweite Bohrung 10 über die Absperrvorrichtung 11 Gas führend miteinander verbindbar. Im Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel ist die rotierende Welle 12 in dem zweiten Ausführungsbeispiel eine Nockenwelle der Hubkolben-Brennkraftmaschine. Dies kann beispielsweise eine Nockenwelle des Ventiltriebes sein. Eine Drehrichtung der Nockenwelle ist wiederum durch einen Pfeil gekennzeichnet. Auch eine Durchflussrichtung des Frischgases in Richtung des Vorkammerzündsystems 1 ist beim Eintritt in die erste Bohrung 9 und beim Austritt aus der zweiten Bohrung 10 jeweils durch einen Pfeil dargestellt.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Zylinderkopfes 3 mit dem Vorkammerzündsystem 1 ist es nun möglich, dass im niedrigen Last- und/oder Drehzahlbereich der Hubkolben-Brennkraftmaschine ein guter Gasaustausch innerhalb des Vorkammerzündsystems 1 stattfindet, sodass in diesen Last- und/oder Drehzahlbereichen eine sichere Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches immer gewährleistet ist.
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.
Bezugszeichenliste

1.: Vorkammerzündsystem
2.: Gehäuse
3.: Zylinderkopf
4.: Zündvorrichtung
5.: Hohlraum
6.: Brennraum
7.: erster Durchbruch
8.: Frischluftkanal
9.: Erste Bohrung
10.: Zweite Bohrung
11.: Absperrvorrichtung
12.: Rotierende Welle
13.: Gaswechselventil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Patentliteratur

DE 102014111897 A1 [0002]
WO 2008/031482 A2 [0003]
DE 102016120984 A1 [0004]
DE 102016206992 A1 [0005]
DE 102017222084 A1 [0006, 0011]

Claims

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 abgedeckt ist, wobei der Deckel zumindest einen ersten Durchbruch (7) aufweist, der den Hohlraum (5) und den Brennraum (6) Gas führend miteinander verbindet, wobei die Hubkolben-Brennkraftmaschine einen Frischluftkanal (8) aufweist zur Versorgung des Brennraumes (6) mit Frischluft für eine Verbrennung und wobei der Hohlraum (5) und der Frischluftkanal (8) über eine erste Bohrung (9) und eine zweite Bohrung (10), zwischen denen eine Absperrvorrichtung (11) angeordnet ist, Gas führend miteinander verbindbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Absperrvorrichtung (11) eine rotierende Welle (12) ist, mit einer Bohrung oder mit einer radial außen umlaufenden Nut, mit der die erste Bohrung (9) und die zweite Bohrung (10) Gas führend miteinander verbindbar sind.
Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die rotierende Welle (12) eine Nockenwelle der Hubkolben-Brennkraftmaschine ist.
Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die rotierende Welle (12) eine synchron zu der Nockenwelle rotierende Welle ist, deren Phasenlage bezüglich der Nockenwelle verstellbar ist.