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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 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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- einen Brennraum, der durch einen an einen Zylinderblock gekoppelten Zylinderkopf ausgebildet wird;
- eine Vorkammer, die mit dem Brennraum in Fluidverbindung steht;
- einen Spülkanal, der an die Vorkammer gekoppelt und dazu aufgebaut ist, Spülluft in die Vorkammer zu strömen, wobei die Strömung der Spülluft durch den Betrieb einer Spülpumpe angetrieben wird; und
- einen Kolben, der im Inneren des Brennraums angeordnet ist.
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Aus der Deutschen Patentanmeldung
DE 10 2017 222 084 A1 , von der die vorliegende Erfindung ausgeht, ist eine fremdgezündete Hubkolben-Brennkraftmaschine, mit einem Zylinderkopf und mit einem Kurbelgehäuse mit zumindest einem Zylinder bekannt, in dem ein hubbeweglicher Kolben angeordnet ist. Der Zylinderkopf, der Zylinder und der Kolbenboden des Kolbens schließen einen Brennraum ein, der über ein Gaswechselventil mit dem Saugkanal in dem Zylinderkopf für einen Ladungswechsel Gas führend verbindbar ist. Weiter ist ein Kraftstoffinjektor vorgesehen, zur Einbringung von Kraftstoff in den Brennraum und in dem Zylinderkopf ist ein Vorkammerzündsystem vorgesehen, welches Gas führend mit dem Brennraum verbunden. In dem Vorkammerzündsystem ist eine Zündvorrichtung vorgesehen, zur Zündung eines Luft-Kraftstoff-Gemisches, wobei die Vorkammer über eine Absperrvorrichtung in einem Verbindungskanal Gas führend mit dem Saugkanal verbindbar 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 mit einer vereinfachten Vorrichtung zum Spülen des Vorkammerzündsystems sichergestellt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Erfindungsgemäß ist der Hohlraum der Vorkammerzündkerze, bzw. Vorkammer, über zumindest eine Bohrung zu dem Bereich von einem oder über zumindest zwei Bohrungen zu dem Bereich von zwei Ventilsitzen, bei einer Vierventil-Brennkraftmaschine, mit dem Brennraum Gas führend verbunden.
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Die Bohrung ist im Bereich des Ventilsitzes ist gemäß Anspruch 2 vorzugsweise im Ventilsitzring dargestellt. Somit bildet das robuste Gaswechselventil das aus der
DE 10 2017 222 084 A1 bekannte Ventil in der Bohrung.
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Dabei weist die Bohrung gemäß Anspruch 3 einen lichten Durchmesser von minimal 0,5 mm bis maximal 3 mm auf. In diesem Durchmesserbereich wird einerseits eine Verkokung der Bohrung vermieden und die Dichtheit durch den Ventilteller des Gaswechselventils sichergestellt.
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Diese Bohrung ist gem. Anspruch 4 mit dem Hohlraum des Vorkammerzündsystems Gas führend verbunden. Weist das Vorkammerzündsystem neben dem Hohlraum auch ein Restgasvolumen auf, kann auch dieses mit einer Bohrung oder der Hohlraum und das Restgasvolumen über zwei Bohrungen mit dem Brennraum verbunden werden. Ein Restgasvolumen ist ein hinter dem Zündort der Zündvorrichtung angeordnetes Volumen zum Sammeln von Restgas.
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Funktionsweise:
- Durch das Öffnen und Schließen der Gaswechselventile, insbesondere Einlas-Gaswechselventile, im Ladungswechsel werden die Bohrung oder die Bohrungen freigegeben oder verschlossen. Bei Einströmen von Frischgas (Luft) und geöffneten Gaswechselventil strömt das Frischgas mit sehr hoher Geschwindigkeit am Ventilsitz und im Bereich daneben vorbei in den Brennraum. Durch dieses schnelle Vorbeiströmen des Frischgases entsteht an den Randbereichen von Ventilsitz und Zylinderkopf ein Unterdruck. Dieser Unterdruck sorgt dafür, dass Luft und Restgas aus der dem Vorkammerzündsystem herausgezogen wird und der Hohlraum des Vorkammerzündsystems mit Frischgas gespült wird. Geht der Kolben der Hubkolben-Brennkraftmaschine wieder nach oben in Richtung Zylinderkopf, schließen die Gaswechselventile und damit wird die Bohrung zwischen dem Vorkammerzündsystem und dem Brennraum wieder verschlossen. Nun wird das Frischgas vom Ladungswechsel in den Hohlraum des Vorkammerzündsystems gedrückt. Hauptvorteil der vorliegenden Erfindung ist es, dass im Verdichtungstakt der Hubkolben-Brennkraftmaschine mit deutlich weniger Restgas in dem Hohlraum des Vorkammerzündsystems gezündet wird. Zudem sorgt die Spülung in vorteilhafter Weise für eine Absenkung der Bauteiltemperaturen und sichert somit deren Funktion bei hohen Lasten und Drehzahlen der Hubkolben-Brennkraftmaschine.
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Die Erfindung ist somit dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Gas führende Verbindung zwischen dem Hohlraum des Vorkammerzündsystems und dem Brennraum herstellt wird, wobei die Bohrung von dem ohnehin vorhandenen Gaswechselventil geöffnet oder verschlossen wird.
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Im Folgenden ist die Erfindung anhand von vier Figuren kurz erläutert.
- 1 zeigt einen Schnitt durch einen Zylinderkopf und ein Vorkammerzündsystem mit einem geschlossenen Gaswechselventil.
- 2 zeigt einen Schnitt durch den Zylinderkopf und das Vorkammerzündsystem mit einem geöffneten Gaswechselventil.
- 3 zeigt einen Detailausschnitt B durch den Zylinderkopf und das Vorkammerzündsystem aus 2.
- 4 zeigt eine brennraumseitige Aufsicht auf den Zylinderkopf und das Vorkam merzündsystem.
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Im Folgenden gelten in den 1 bis 4 für gleiche Bauelemente die gleichen Bezugsziffern.
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1 zeigt einen Schnitt durch einen Zylinderkopf 3 und ein Vorkammerzündsystem 1 mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung und mit einem geschlossenen Gaswechselventil. Das Vorkammerzündsystem 1 ist für eine nicht dargestellte, fremd gezündete Hubkolben-Brennkraftmaschine vorgesehen. Das Vorkammerzündsystem 1 ist in dem Zylinderkopf 3 der Hubkolben-Brennkraftmaschine angeordnet, wobei in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Gehäuse des Vorkammerzündsystems 1 direkt von einem Material des Zylinderkopfes 3 gebildet ist. In dem Vorkammerzündsystem 1 ist eine nicht dargestellte Zündvorrichtung 4 angeordnet, deren Lage durch die Lage der Bezifferung angedeutet ist.
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Eine Zündelektrode der Zündvorrichtung 4 ragt hierbei in einen Hohlraum 5 in dem Vorkammerzündsystem 1 in Richtung eines Brennraumes 6. Bei der Zündvorrichtung 4 kann es sich beispielsweise um eine Zündkerze oder eine Coronazündvorrichtung oder sonstige, dem Fachmann geläufige Zündvorrichtung handeln.
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Der erste Hohlraum 5 ist gegenüber dem Brennraum 6 der Hubkolben-Brennkraftmaschine von einem Deckel 2 abgedeckt, wobei der Deckel 2 zumindest einen ersten Durchbruch 7 aufweist, der den Hohlraum 5 und den Brennraum 6 Gas führend miteinander verbindet. In 1 sind zwei Durchbrüche 7 dargestellt, von denen nur einer beziffert ist.
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Weiter weist der Zylinderkopf 3 der Hubkolben-Brennkraftmaschine einen Gaswechselkanal 8 auf, zur Versorgung des Brennraumes 6 mit Frischluft für eine Verbrennung. Es ist ein sog. Ansaugkanal oder Gaswechsel-Einlasskanal. Für einen Ladungswechsel ist ein Gaswechselventil 9 vorgesehen, mit dem der Gaswechselkanal 8 gegenüber dem Brennraum 6 öffnen- und verschließbar ist. Das Gaswechselventil 9 ist von einem nicht dargestellten Ventiltrieb steuerbar. Für eine Dichtheit zwischen Gaswechselkanal 8 und Brennraum 6 sorgt ein Dichtsitz 10, der im engeren Sinn durch einen Ventilsitzring dargestellt ist. Dies ist üblicher Weise ein in den Bereich des Dichtsitzes 10 eingepresster oder eingeschrumpfter Stahlring. Ein zweiter Gaswechselkanal, ein Gaswechsel-Auslasskanal, ist mit 13 beziffert, der ebenfalls von einem nicht dargestellten Gaswechselventil verschließbar ist.
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Erfindungsgemäß sind der Hohlraum 5 und der Brennraum 6 über zumindest eine Bohrung 11 Gas führend miteinander verbindbar, wobei die zumindest eine Bohrung 11 im Bereich des Ventilsitzes 10 in den Brennraum mündet.
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In einer Weiterbildung der Erfindung durchdringt die zumindest eine Bohrung 11 direkt den Ventilsitzring und mündet in den Brennraum 6 und ist von dem Gaswechselventil 9 verschließbar.
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Bevorzugt weist die zumindest eine Bohrung 11 einen lichten Durchmesser zwischen 0,5 mm und 3 mm auf, um gleichzeitig eine Dichtheit des Ventilsitzes und eine Versottungsfreiheit aufzuweisen.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das Vorkammerzündsystem neben dem Hohlraum 5 auch ein nicht dargestelltes Restgasvolumen auf, so dass die zumindest eine Bohrung 11 mit dem Hohlraum 5 und/oder dem Restgasvolumen Gas führend verbindbar ist. Dies erfolgt über mindestens zwei Bohrungen 11.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird der Gasaustausch zwischen dem Brennraum 6 und dem Hohlraum 5 des Vorkammerzündsystems 1 optimiert. Während des Ladungswechsels wird eine Verbesserung der Restgasausspülung aus dem ersten Hohlraum 5 des Vorkammerzündsystems 1 erzielt und zum Zündzeitpunkt ein optimales Luft-Kraftstoff-Gemisch in dem ersten Hohlraum 5 bereitgestellt.
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2 zeigt den gleichen Schnitt durch den Zylinderkopf 1 und das Vorkammerzündsystem 1 wie 1, jedoch mit einem geöffneten Gaswechselventil 9. Es gilt das Gleiche wie zu 1 gesagte.
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3 zeigt einen Detailausschnitt B durch den Zylinderkopf 3 und das Vorkammerzündsystem 1 aus 2.
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4 zeigt eine brennraumseitige Aufsicht auf den Zylinderkopf 3 und das Vorkammerzündsystem 1. Der Zylinderkopf 3 ist in diesem Ausführungsbeispiel für eine Vierventil-Hubkolben-Brennkraftmaschine vorgesehen, aber auch Zweiventil-oder Fünfventil- Hubkolben-Brennkraftmaschinen können die erfindungsgemäße Ausgestaltung aufweisen. In 4 ist nochmals deutlich ersichtlich, wie die Bohrungen 11 den Brennraum 6 und den Hohlraum 5 des Vorkammerzündsystems 1 Gas führend verbinden.
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In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird jeweils mindestens einmal von jedem Einlassventilsitz (beispielsweise im 45 Grad Dichtbereich) eine 1,5 mm Bohrung 11 schräg nach oben durch den Ventilsitzring, den Zylinderkopf 3 und in den Hohlraum 5 des Vorkammerzündsystems 1 ausgeführt. Diese Bohrung tangiert keinen der nicht bezifferten Kühlmittelmäntel. Der Ventilsitz 10 wird durch Nacharbeit am Ventilsitzring beispielsweise auf ca. 3 mm verbreitert. Die Bohrung 11 sitzt genau mittig im 3 mm Sitz, somit dichtet das Gaswechselventil 9 noch 0,75 mm auf beiden Seiten der Bohrung 11 ab. Die Bohrung 11 mündet in den, an dieser Stelle nachgearbeiteten Hohlraum 5 des Vorkammerzündsystems 1 ein bis drei Millimeter unterhalb des Endes der eingeschraubten oder eingepressten Zündvorrichtung 4, bzw. der Vorkammerzündkerze. Es entsteht so durch die Bohrung 11 ein Kanal zur aktiven Spülung des Hohlraumes 5 des Vorkammerzündsystems 1 der als Stellorgan die vorhandenen Gaswechselventile 9 benutzt. Durch diese Erfindung werden in vorteilhafter Weise keine zusätzlichen Stellorgane benötigt.
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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.
- Deckel
- 3.
- Zylinderkopf
- 4.
- Zündvorrichtung
- 5.
- erster Hohlraum
- 6.
- Brennraum
- 7.
- erster Durchbruch
- 8.
- Gaswechselkanal
- 9.
- Gaswechselventil
- 10.
- Ventilsitz
- 11.
- Bohrung
- 12.
- Kraftstoffinjektor
- 13.
- Zweiter Gaswechselkanal
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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]
- DE 102018114035 A1 [0006]
- DE 102017222084 A1 [0007, 0013]
