DE102020108564A1

DE102020108564A1 - Fremd gezündete Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem Vorkammerzündsystem

Info

Publication number: DE102020108564A1
Application number: DE102020108564.8A
Authority: DE
Inventors: Alexander Scholz
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2020-03-27
Filing date: 2020-03-27
Publication date: 2021-09-30

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer fremd gezündete Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem Vorkammerzündsystem, welches in einem Zylinderkopf der Hubkolben-Brennkraftmaschine angeordnet ist und in dem eine Zündvorrichtung angeordnet ist, die in einen Hohlraum in dem Vorkammerzündsystem 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 ein Volumen des Hohlraumes von einem Verdrängungselement in der Größe veränderbar ist,gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:Vergrößern des Volumens des Hohlraumes bei niedrigen Lasten und/oder Drehzahlen der Hubkolben-Brennkraftmaschine,Verringern des Volumens des Hohlraumes bei hohen Lasten und/oder Drehzahlen der Hubkolben-Brennkraftmaschine.Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Vorkammerzündsystems wird die Zündung eines Kraftstoff-/Luftgemisches in dem Vorkammerzündsystem bei allen Last- und/oder Drehzahlbereichen der Hubkolben-Brennkraftmaschine wesentlich verbessert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer fremd gezündeten 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.
Aus der DE 10 2018 114 035 A1 ist ein System bekannt, umfassend:

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.

Aus der Deutschen Patentanmeldung DE 10 2017 222 084 A1 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.
Aus der Deutschen Offenlegungsschrift DE 28 30 274 , von der die vorliegende Erfindung ausgeht, ist eine Gemisch verdichtende, fremdgezündete Brennkraftmaschine mit einem in einem Hauptzylinder gleitenden, mit einer Kurbelwelle verbundenen Kolben bekannt, der gegenüber einem Zylinderkopf einen Hauptarbeitsraum einschließt, in den wenigstens ein Einlass- und ein Auslassventil einmündet, und mit einem in einem in dem Zylinderkopf angeordneten Hilfszylinder gleitenden Hilfskolben, der einen mit dem Hauptarbeitsraum in Verbindung stehenden Nebenarbeitsraum einschließt, in den eine Zündkerze und eine Kraftstoffzuführungseinrichtung einmünden, wobei der Hilfskolben mit der Kurbelwelle verbunden ist und gegenüber dem Hauptkolben gegenläufig und um einige Grad Kurbelwinkel voreilend angetrieben ist.
Nachteilig an diesen bekannten Vorkammerzündsystemen ist, dass nicht in allen Last- und/oder Drehzahlbereichen einer Brennkraftmaschine eine sichere Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches gewährleistet ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Maßnahme aufzuzeigen, mit der die Zündfähigkeit eines Vorkammerzündsystems über den gesamten Last- und/oder Drehzahlbereich einer Brennkraftmaschine sichergestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die Verfahrensmerkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist in dem Unteranspruch beschrieben.
Erfindungsgemäß ist das Volumen des Hohlraumes des Vorkammerzündsystems in der Größe veränderbar, sodass

- Ein Vergrößern des Volumens des Hohlraumes bei niedrigen Lasten und/oder Drehzahlen der Hubkolben-Brennkraftmaschine und
- Ein Verringern des Volumens des Hohlraumes bei hohen Lasten und/oder Drehzahlen der Hubkolben-Brennkraftmaschine

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Verdrängungselement gemäß Anspruch 2 ein von einem separaten Stellelement verstellbarer Kolben, der in einer Bohrung schiebebeweglich gelagert ist, wobei sich die Bohrung bis in den Hohlraum des Vorkammerzündsystems erstreckt. Das separate Stellelement kann hierbei beispielsweise mechanisch, z. B. über einen Nocken einer Nockenwelle oder elektromechanisch oder hydraulisch arbeiten.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung (Volumenanpassung des Vorkammerzündsystems an den jeweiligen Last-und/oder Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine) des Vorkammerzündsystems wird die Zündung eines Kraftstoff-/Luftgemisches in dem Vorkammerzündsystem bei allen Last- und/oder Drehzahlbereichen der Hubkolben-Brennkraftmaschine ermöglicht.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand von zwei Figuren kurz erläutert.

1 zeigt einen Schnitt durch einen Zylinderkopf und ein Vorkammerzündsystem mit einem großen Volumen eines Hohlraumes.
2 zeigt einen Schnitt durch den Zylinderkopf und das Vorkammerzündsystem mit einem kleinen Volumen eines Hohlraumes.

Im Folgenden gelten in den 1 und 2 für gleiche Bauelemente die gleichen Bezugsziffern.
1 zeigt einen Schnitt durch einen Zylinderkopf 3 und ein Vorkammerzündsystem 1 mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung und mit einem mit einem großen Volumen eines Hohlraumes 5 des Vorkammerzündsystems 1. 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 ein Gehäuse des Vorkammerzündsystems 1 nicht separat beziffert ist.
In dem Vorkammerzündsystem 1 ist eine Zündvorrichtung 4 angeordnet. Eine Zündelektrode der Zündvorrichtung 4 ragt hierbei in den Hohlraum 5 in dem Vorkammerzündsystem 1 in Richtung eines Brennraumes 6 der Brennkraftmaschine. Bei der Zündvorrichtung 4 kann es sich beispielsweise um eine Zündkerze oder eine Coronazündvorrichtung oder sonstige, dem Fachmann geläufige Zündvorrichtung handeln.
Der erste Hohlraum 5 ist gegenüber dem Brennraum 6 der Hubkolben-Brennkraftmaschine von einem, in diesem Ausführungsbeispiel mit dem Gehäuse einstückig ausgebildeten Deckel 2 abgedeckt. Der Deckel 2 weist zumindest einen ersten Durchbruch 7 auf, 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.
Weiter weist der Zylinderkopf 3 der Hubkolben-Brennkraftmaschine einen Gaswechselkanal 10 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 11 vorgesehen, mit dem der Gaswechselkanal 10 gegenüber dem Brennraum 6 öffnen- und verschließbar ist. Das Gaswechselventil 11 ist von einem nicht dargestellten Ventiltrieb steuerbar. Für eine Dichtheit zwischen Gaswechselkanal 8 und Brennraum 6 sorgt ein nicht bezifferter Ventilsitzring, auf dem das Gaswechselventil 11 aufliegt und den Gaswechselkanal 10 verschließt.
Weiter ist in dem Zylinderkopf 3 eine Bohrung 9 vorgesehen, die sich bis in den Hohlraum 5 erstreckt. In der Bohrung 9 ist ein, in der Bohrung 9 axial schiebebeweglich gelagertes Verdrängungselement 8 vorgesehen, welches ein, von einem separaten, nicht dargestellten Stellelement axial lageverschiebbarer Kolben ist. Das separate Stellelement kann hierbei beispielsweise mechanisch, z. B. über einen Nocken einer Nockenwelle oder elektromechanisch oder hydraulisch arbeiten. Das Verdrängungselement 8 in 1 zeigt ein großes Volumen für den Hohlraum 5.
Mittels diesem Verdrängungselement 8 kann nun abhängig von dem Last- und/oder Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine das Volumen des Hohlraumes 5 verändert werden.
Erfindungsgemäß ist somit das Volumen des Hohlraumes 5 der Vorkammerzündsystem 1 in der Größe veränderbar, sodass

- Eine Vergrößerung des Volumens des Hohlraumes 5 bei niedrigen Lasten und/oder Drehzahlen der Hubkolben-Brennkraftmaschine und
- Eine Verringerung des Volumens des Hohlraumes 5 bei hohen Lasten und/oder Drehzahlen der Hubkolben-Brennkraftmaschine

2 zeigt einen Schnitt durch den Zylinderkopf 3 und das Vorkammerzündsystem 1 mit einem kleinen Volumen des Hohlraumes 5 des Vorkammerzündsystems 1. Dies bedeutet, dass das Verdrängungselement 8 in Richtung des Hohlraumes 5, bis in den Hohlraum 5 verschoben ist.
Ansonsten gilt das Gleiche wie zu 1 gesagte.
Abschließend sei noch gesagt, dass die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Vorkammerzündsystems 1 sowohl für passive Vorkammerzündsysteme, wie in den 1 und 2 dargestellt, als auch für aktive Vorkammerzündsysteme, mit eigener Einbringung von Kraftstoff in den Hohlraum 5, eingesetzt werden kann.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Vorkammerzündsystems 1 wird die Zündung eines Kraftstoff-/Luftgemisches in dem Vorkammerzündsystem 1 bei allen Last- und/oder Drehzahlbereichen der Hubkolben-Brennkraftmaschine sichergestellt.
Bezugszeichenliste

1.: Vorkammerzündsystem
2.: Deckel
3.: Zylinderkopf
4.: Zündvorrichtung
5.: erster Hohlraum
6.: Brennraum
7.: erster Durchbruch
8.: Verdrängungselement
9.: Bohrung
10.: Gaswechselkanal
11.: 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 102018114035 A1 [0006]
DE 102017222084 A1 [0007]
DE 2830274 [0008]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer fremd gezündete Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem Vorkammerzündsystem (1), welches in einem Zylinderkopf (3) der Hubkolben-Brennkraftmaschine angeordnet ist und in dem eine Zündvorrichtung (4) angeordnet ist, die in einen Hohlraum (5) in dem Vorkammerzündsystem (1) ragt, wobei der Hohlraum (5) gegenüber einem Brennraum (6) der Hubkolben-Brennkraftmaschine von einem Deckel (2) abgedeckt ist, wobei der Deckel (2) zumindest einen ersten Durchbruch (7) aufweist, der den Hohlraum (5) und den Brennraum (6) Gas führend miteinander verbindet, wobei ein Volumen des Hohlraumes (5) von einem Verdrängungselement (8) in der Größe veränderbar ist, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: - Vergrößern des Volumens des Hohlraumes (5) bei niedrigen Lasten und/oder Drehzahlen der Hubkolben-Brennkraftmaschine, - Verringern des Volumens des Hohlraumes (5) bei hohen Lasten und/oder Drehzahlen der Hubkolben-Brennkraftmaschine.
Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdrängungselement (8) ein von einem separaten Stellelement verstellbarer Kolben ist, der in einer Bohrung (9) schiebebeweglich gelagert ist, wobei sich die Bohrung (9) bis in den Hohlraum (5) erstreckt.