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Die Erfindung betrifft ein Verbrennungsmotor für ein Kraftfahrzeug, mit einem Brennraum, einer Vorkammer-Zündkerze, welche eine Vorkammer-Kappe aufweist, wobei eine Innenfläche der Vorkammer-Kappe eine Vorkammer zumindest abschnittsweise begrenzt und eine Außenfläche der Vorkammer-Kappe zu dem Brennraum zugewandt ist, wobei die Vorkammer-Kappe mindestens einen Überströmkanal aufweist, über welchen die Vorkammer mit dem Brennraum verbunden ist, und einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung, durch welche Kraftstoff in den Brennraum einspritzbar ist.
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Üblicherweise werden derartige Verbrennungsmotoren zur Entflammung von mageren oder stöchiometrischen Kraftstoff-Luft-Gemischen eingesetzt, wobei die Vorkammer über Überströmkanäle mit dem Brennraum verbunden ist, wodurch zumindest ein Teil des zum Zündzeitpunkt im Brennraum vorhandenen und durch eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung eingesprühten Kraftstoffs in die Vorkammer strömt und zur lokalen Anreicherung des Gemischs in der Vorkammer dient. Durch die Gemischanreicherung werden einerseits die Zündbedingungen in der Vorkammer verbessert und andererseits als Folge einer schnellen Energieumsetzung in der Vorkammer Fackelstrahlen mit sehr hoher Austrittsgeschwindigkeit erzeugt, durch welche das in dem Brennraum vorliegende, magere oder stöchiometrische Brennstoff-Luft-Gemisch zuverlässig und gleichmäßig entflammt. Ein derartiges Verfahren zur Entflammung von mageren Kraftstoff-Luft-Gemischen bei einem Verbrennungsmotor mit Vorkammerzündung ist beispielsweise aus der
DE 10 2004 039 818 A1 bekannt. Dabei wird mit einer Hochdruckeinspritzung eine zur Gemischanfettung verwendete Kleinmenge des Kraftstoffs während des Verdichtungshubs in Richtung Kolben oder direkt auf die Vorkammer-Zündkerze gespritzt, wobei nachfolgend der Kraftstoff weitgehend flüssig oder teilweise verdampft über die Überströmkanäle in die Vorkammer strömt und dort nach Anreicherung des Gemischs in der Vorkammer durch einen Zündfunken entflammt wird. Aus der Entflammung des Kraftstoff-Luft-Gemisches in der Vorkammer resultieren mehrere, in den Brennraum ragende Fackelstrahlen, durch welche das magere Kraftstoff-Luft-Gemisch in dem Brennraum entflammt wird.
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Nachteilig an derartigen Verbrennungsmotoren ist, dass die Gefahr besteht, dass nicht ausreichend Kraftstoff in die Vorkammer einströmt und die für eine vordefinierte Funktionsweise des Verbrennungsmotors erforderlichen Zündbedingungen nicht erreicht werden.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen Verbrennungsmotor mit einer Vorkammerzündung bereitzustellen, welcher zur Verbesserung der Zündbedingungen eine zuverlässige Anreicherung des Gemischs mit Kraftstoff in der Vorkammer auf eine einfache und kostengünstige Weise gewährleistet.
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Dadurch, dass an der Außenfläche mindestens eine Umlenkaussparung vorgesehen ist, welche der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung zugewandt ist und fluchtend mit einem Kraftstoff-Einspritzstrahl der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung angeordnet ist, wird der eingesprühte und auf die Umlenkaussparung treffende Kraftstoffstrahl umgelenkt und zerstäubt, wodurch sich der Kraftstoff im Bereich der Außenfläche der Vorkammer-Kappe, insbesondere im Bereich des Überströmkanals, verteilt, so dass beim Kompressionshub ausreichend Kraftstoff im Bereich des Überströmkanals vorliegt und dadurch ausreichend Kraftstoff über den Überströmkanal in die Vorkammer strömen kann. Die Zerstäubung des Kraftstoffs durch die Umlenkaussparung verbessert außerdem den Verdampfungsvorgang des Kraftstoffs, wodurch die Befüllung der Vorkammer mit Kraftstoff verbessert wird.
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Damit wird auf eine einfache und kostengünstige Weise, nämlich durch eine an der Außenfläche der Vorkammer vorgesehene, einfach herstellbare Umlenkaussparung die Befüllung der Vorkammer mit Kraftstoff verbessert, wodurch die vordefinierte Funktionsweise des Verbrennungsmotors gewährleistet bzw. verbessert wird.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die mindestens eine Umlenkaussparung derart ausgeführt, dass die Umlenkaussparung den Kraftstoff-Einspritzstrahl in Richtung eines Kolbens ablenkt. Dadurch sammelt sich ein Kraftstoffnebel zwischen der Vorkammer-Kappe und dem Kolben, insbesondere unmittelbar unterhalb der Vorkammer-Kappe, wobei durch die Verkleinerung des Zylindervolumens durch die Bewegung des Kolbens in Richtung der Zündkerze der Kraftstoffnebel in die Vorkammer gedrückt wird. Anschließend wird das in der Vorkammer vorliegende, fette Kraftstoff-Luft-Gemisch mittels einer Zündvorrichtung gezündet, wodurch ein Fackelstrahl durch den Überströmkanal in die Brennkammer verursacht wird. Durch den Fackelstrahl entzündet sich ein, insbesondere mageres, Kraftstoff-Luft-Gemisch. Die Umlenkung des Kraftstoff-Einspritzstrahls führt beim Entflammen des mageren Kraftstoff-Luft-Gemisches im Brennraum außerdem dazu, dass auch hierbei ein stationäres, fettes Kraftstoff-Luft-Gemisch unmittelbar an der Vorkammer-Kappe vorliegt, wodurch die Entflammung verbessert wird. Unter einem fetten Kraftstoff-Luft-Gemisch wird hier grundsätzlich verstanden, dass das fette Gemisch mehr Kraftstoff als ein mageres Gemisch enthält, d.h. das Gemisch in der Vorkammer weist mehr Kraftstoff als das Gemisch in der Brennkammer auf. Dabei kann das fette Gemisch beispielsweise einen A-Wert < 1 und das magere Gemisch einen A-Wert > 1 aufweisen. Anderenfalls kann das fette Gemisch beispielsweise auch einen A-Wert = 1,1 und das magere Gemisch einen A-Wert = 1,3 aufweisen. Das fette Gemisch erfordert damit nicht zwingenderweise einen A-Wert < 1. Gleichermaßen erfordert das magere Gemisch nicht zwingenderweise einen A-Wert > 1.
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Vorzugsweise ist die Umlenkaussparung radial größer als der Durchmesser des auf die Vorkammer-Zündkerze auftreffenden Kraftstoff-Einspritzstrahl. Dadurch kann der vollständige Kraftstoff-Einstritzstrahl zuverlässig umgelenkt werden und die Befüllung der Vorkammer mit Kraftstoff gewährleistet werden. Alternativ kann die Umlenkaussparung auch kleiner als der Durchmesser des auf die Vorkammer-Zündkerze auftreffenden Kraftstoff-Einspritzstrahl sein, wobei ein Teil des Kraftstoff-Einspritzstrahls durch die Umlenkaussparung umgelenkt wird.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung sind mehrere Überströmkanäle vorgesehen, welche in Umfangsrichtung beabstandet voneinander angeordnet sind, wobei die Umlenkaussparung vorzugsweise in Umfangsrichtung zwischen zwei Überströmkanälen angeordnet ist. Mehrere Überströmkanäle führen zum einem dazu, dass über den gesamten Umfang der Vorkammer Kraftstoff in die Vorkammer strömen kann, wobei stationäre Abweichungen der Kraftstoffkonzentration relativiert werden können. Zum anderen führen mehrere Überströmkanäle dazu, dass aus jedem Überströmkanal jeweils ein Fackelstrahl austritt, wodurch das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Brennraum an mehreren, unterschiedlichen Stellen entflammt wird und damit eine gleichmäßige Verteilung der Verbrennung und Entflammung erzielt wird. Dadurch wird die Klopfneigung des Verbrennungsmotors reduziert.
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Vorzugsweise ist die mindestens eine Umlenkaussparung kreisrund und konkav ausgeführt, wodurch die Umlenkaussparung einfach hergestellt werden kann und die Zerstäubung und Verteilung des Kraftstoffs verbessert werden kann. Alternativ kann die Umlenkaussparung oval oder rampenförmig ausgeführt sein.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung schließt die Mittelachse des auf die Vorkammer zugerichteter Kraftstoff-Einspritzstrahls und die Mittelachse der Vorkammer-Zündkerze einen Winkel kleiner als 90° ein, wodurch die Zerstäubung und die Verteilung des Kraftstoffs, insbesondere in Richtung des Kolbens, vereinfacht wird.
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Vorzugsweise weist die Außenfläche einen zylindrischen Abschnitt und einen an den zylindrischen Abschnitt anschließenden, wannenförmigen Abschnitt auf, wobei die Aussparung am wannenförmigen Abschnitt angeordnet ist. Dadurch ist die Umlenkaussparung an einem geneigten Abschnitt der Außenfläche der Vorkammer-Kappe angeordnet, wodurch die Ablenkung des Kraftstoff-Einspritzstrahls in Richtung des Kolbens verbessert wird.
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Die Aufgabe wird außerdem durch eine Vorkammer-Zündkerze, mit einer Vorkammer-Kappe mit einer Innenfläche und einer Außenfläche, wobei die Innenfläche eine Vorkammer zumindest abschnittsweise begrenzt und die Außenfläche zu einem Brennraum zugewandt ist, wobei die Vorkammer-Kappe mindestens ein Überströmkanal aufweist, über welche die Vorkammer mit dem Brennraum verbunden ist, wobei zur Ablenkung eines durch eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung in den Brennraum eingesprühten Kraftstoff-Einspritzstrahl an der Außenfläche der Vorkammer-Kappe eine Umlenkaussparung vorgesehen ist. Zu den Vorteilen der Vorkammer-Zündkerze wird auf die vorangegangenen Absätze verwiesen.
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Durch einen derartigen Verbrennungsmotor wird auf eine einfache und kostengünstige Weise die für den ordnungsgemäßen Betrieb des Verbrennungsmotors erforderliche Befüllung der Vorkammer mit Kraftstoff gewährleistet, wobei dies ausschließlich durch eine einfach herzustellende Umlenkaussparung an der Außenfläche der Vorkammer-Kappe erzielt wird.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert.
- 1 zeigt schematisch und im Querschnitt einen Ausschnitt eines Verbrennungsmotors mit einer Vorkammer-Zündkerze,
- 2 zeigt schematisch und im Querschnitt einen Ausschnitt die Vorkammer-Zündkerze aus 1,
- 3 zeigt die Vorkammer-Zündkerze aus 1 und 2 in Draufsicht, und
- 4 zeigt im Querschnitt einen Ausschnitt eines Verbrennungsmotors mit einer Vorkammer-Zündkerze und einem Kraftstoffinjektor mit mehreren Kraftstoff-Einspritzstahlen.
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1 zeigt einen Ausschnitt eines Verbrennungsmotors 10. Der Verbrennungsmotor 10 weist einen Zylinderblock 12 und einen Zylinderkopf 14 auf, wobei der Zylinderblock 12 und der Zylinderkopf 14 gemeinsam mehrere Zylinder 16 begrenzen, wobei in der 1 lediglich ein einziger Zylinder 16 dargestellt ist. Der Zylinder 16 weist einen Brennraum 18 auf, welcher durch den Zylinderblock 12, den Zylinderkopf 14 und einen Kolben 20 begrenzt ist. Der Kolben 20 ist an einer in der 1 nicht gezeigten Kurbelwelle exzentrisch gelagert und führt dadurch eine oszillierende Bewegung durch. Dadurch wird der Brennraum 18 stetig vergrößert und verkleinert bzw. es findet abwechselnd eine Kompressions- und eine Expansionsphase statt.
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Im Zylinderkopf 14 ist eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 30 angeordnet, welche relativ zum Brennraum 18 radial außen angeordnet ist. Die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 30 ist ein üblicher, aus dem Stand der Technik bekannter Kraftstoff-Einspritzinjektor, welcher einen Kraftstoff-Einspritzstrahl 32 in den Brennraum 18 verursacht.
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Weiterhin ist am Zylinderkopf 14 eine Zündkerze 40 angeordnet, welche als Vorkammer-Zündkerze ausgeführt ist. Die Vorkammer-Zündkerze 40 ist beispielsweise in eine Öffnung 42 eingeschraubt und ragt mit einem Abschnitt 44 in den Brennraum 18. Die Vorkammer-Zündkerze 40 ist außerdem in der 2 und der 3 dargestellt.
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Die Vorkammer-Zündkerze 40 weist ein Zündkerzen-Gehäuse 48 auf, welches einen Raum 50 begrenzt. Im Raum 50 ist eine Zündeinheit 52 angeordnet, welche zum Zünden zwei Elektroden aufweist. Die Elektroden ragen über eine Durchgangsöffnung 54 in eine Vorkammer 60, wobei die Vorkammer 60 durch das Zündkerzen-Gehäuse 48 und durch eine Innenfläche 68 einer Vorkammer-Kappe 62 begrenzt ist. Eine Außenfläche 70 der Vorkammer-Kappe 62 ist dem Brennraum 18 zugewandt.
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Die Vorkammer-Kappe 62 ist einstückig mit dem Zündkerzen-Gehäuse 48 hergestellt. Alternativ könnte die Vorkammer-Kappe 62 als separates Bauteil ausgeführt sein und an dem Zündkerzen-Gehäuse 48 befestigt sein.
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Die Vorkammer-Kappe 62 weist einen zylindrischen Abschnitt 64 und einen an den zylindrischen Abschnitt 64 unmittelbar anschließenden, wannenförmigen Abschnitt 66 auf. An dem wannenförmigen Abschnitt 66 sind sechs Überströmkanäle 72, 74, 76, 78, 80, 82 ausgebildet, über welche die Vorkammer 60 mit dem Brennraum 18 fluidisch verbunden ist.
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Erfindungsgemäß ist an der Außenfläche 70 der Vorkammer-Kappe 62 eine Umlenkaussparung 90 vorgesehen. Die Umlenkaussparung 90 ist an dem wannenförmigen Abschnitt 66 angeordnet und dadurch an einer zu einer Längsachse 92 der Vorkammer-Zündkerze 40 gekippten Fläche vorgesehen. Die Umlenkaussparung 90 ist kreisrund und konkav ausgeführt, wobei der Durchmesser der Umlenkaussparung 90 größer als der auf die Umlenkaussparung 90 auftreffende Kraftstoff-Einspritzstrahl 32 ausgeführt ist.
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Im Betrieb des Verbrennungsmotors 10 wird zu unterschiedlichen Zeitpunkten, insbesondere in der Kompressionsphase und vor der Entflammung des im Brennraum 18 vorliegenden Kraftstoff-Luft-Gemisches, Kraftstoff mittels der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 30 in den Brennraum 18 eingesprüht. Um die Entflammung des mageren, in dem Brennraum 18 vorliegenden Kraftstoff-Luft-Gemisches zu verbessern wird zunächst ein fettes Kraftstoff-Luft-Gemisch in der Vorkammer 60 entflammt, woraus sich in den Brennraum 18 gerichtete Fackelstrahlen entstehen, welche eine gleichmäßige und zuverlässige Entflammung des mageren Kraftstoff-Luft-Gemischs im Brennraum 18 verursachen.
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Das fette Kraftstoff-Luft-Gemisch in der Vorkammer 60 lässt sich dadurch anreichern, dass der Kraftstoff-Einspritzstrahl 32 auf die Außenfläche 70 der Vorkammer-Kappe 62 gerichtet ist und damit Kraftstoff unmittelbar in den Bereich der Außenfläche 70 der Vorkammer-Kappe 62 gesprüht wird. Während dem Einspritzvorgang trifft der Kraftstoff-Einspritzstrahl 32 auf die an der Außenfläche 70 vorgesehene, erfindungsgemäße Umlenkaussparung 90, durch welche der Kraftstoff-Einspritzstrahl 32 in Richtung des Kolbens 20 abgelenkt und zerstäubt wird. Der abgelenkte und zerstäubte Kraftstoff wird im Kompressionshub in die Vorkammer 60 gepresst, wodurch die Vorkammer 60 mit Kraftstoff angereichert wird. Es ist auch möglich, dass ein Kraftstoffinjektor 30 mit mehreren Kraftstoff-Einspritzstahlen eingesetzt wird, wobei die Umlenkaussparung 90 fluchtend zumindest zu einem Kraftstoff-Einspritzstrahl 32 angeordnet ist und dieser auf die Umlenkaussparung 90 auftreffende Kraftstoff-Einspritzstrahl 32 in Richtung des Kolbens 20 abgelenkt und zerstäubt wird. Eine derartige Ausführung ist in 4 gezeigt.
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Durch einen derartigen Verbrennungsmotor 10 wird auf eine einfache und kostengünstige Weise die für den ordnungsgemäßen Betrieb des Verbrennungsmotors 10 erforderliche Befüllung der Vorkammer 60 mit Kraftstoff gewährleistet, wobei dies ausschließlich durch eine einfach herzustellende Umlenkaussparung 90 an der Außenfläche 70 der Vorkammer-Kappe 62 erzielt wird.
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Es sind auch andere konstruktive Ausführungsformen als die beschriebenen Ausführungsformen möglich, die in den Schutzbereich des Hauptanspruchs fallen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004039818 A1 [0002]
