-
Die Erfindung betrifft eine Vorkammer und eine Brennkraftmaschine mit mindestens einer solchen Vorkammer.
-
Bei einer Brennkraftmaschine, die eine Vorkammer aufweist, ist ein Brennraum unterteilt in einen Hauptbrennraum und einen Vorkammerraum der Vorkammer, wobei der Vorkammerraum über mindestens eine Überströmbohrung mit dem Hauptbrennraum strömungstechnisch verbunden ist. Der Vorkammerraum weist einen Zündbereich auf, in dem mittels einer Zündeinrichtung ein in dem Vorkammerraum angeordnetes Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch entzündet werden kann. Über die mindestens eine Überströmbohrung tritt dann mindestens eine Zündfackel in den Hauptbrennraum ein und entflammt ein dort vorliegendes, gegebenenfalls mageres Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch. Insbesondere kann eine Zündenergie für den Hauptbrennraum mittels der Vorkammer erhöht werden, sodass selbst sehr magere Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemische sicher entflammt werden können.
-
Herkömmliche Vorkammerräume weisen eine im Wesentlichen zylindrische oder sphärische Geometrie auf. Dabei kommt es bauartbedingt zu erheblichen Strömungsverlusten. Insbesondere fließen bei der Entflammung ungefähr 50 % des entflammten Gemischs in Richtung einer geschlossenen Seite des Vorkammerraums - von der Überströmbohrung weg - wobei diese Gemischanteile dort erst reflektiert werden müssen, um anschließend durch die Überströmbohrung in den Hauptbrennraum übertreten zu können. Insbesondere aus diesem Grund ist der Wirkungsgrad einer solchen Vorkammer verbesserungsfähig.
-
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorkammer sowie eine Brennkraftmaschine mit einer solchen Vorkammer zu schaffen, wobei die genannten Nachteile zumindest vermindert, vorzugsweise behoben sind.
-
Die Aufgabe wird gelöst, indem die vorliegende technische Lehre bereitgestellt wird, insbesondere die Lehre der unabhängigen Ansprüche sowie der in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung offenbarten Ausführungsformen.
-
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem eine Vorkammer geschaffen wird, die einen Vorkammerraum und einen in dem Vorkammerraum angeordneten Zündbereich aufweist. Der Vorkammerraum erstreckt sich ausgehend von dem Zündbereich in Form von mindestens zwei Vorkammerarmen, die in verschiedene Richtungen von dem Zündbereich wegweisen. Ein in dem Zündbereich entflammtes Gemisch strömt ausgehend von dem Zündbereich entlang der Vorkammerarme, wobei vorteilhaft Flächen verringert werden, gegen die das Gemisch drückt und/oder durch die es umgelenkt oder reflektiert werden muss, was zu einer Verringerung energetischer Verluste in der Vorkammer führt. Dadurch ist der Wirkungsgrad der hier vorgeschlagenen Vorkammer vorteilhaft erhöht.
-
Bevorzugt ist in dem Zündbereich eine Zündeinrichtung angeordnet, oder der Zündbereich ist derart ausgestaltet, dass eine Zündeinrichtung in dem Zündbereich angeordnet werden kann. Die Zündeinrichtung ist in bevorzugter Ausgestaltung als Zündhaken einer elektrischen Funkenzündkerze, als Laser-Zündeinrichtung, als Corona-Zündeinrichtung, oder in anderer geeigneter Weise ausgebildet.
-
Die Vorkammer kann in bevorzugter Ausgestaltung eine separate Brennstoffzufuhr zur direkten Zufuhr von Brennstoff in den Vorkammerraum aufweisen. Sie ist in diesem Fall als gespülte Vorkammer ausgebildet. Alternativ ist es in bevorzugter Ausgestaltung möglich, dass die Vorkammer keine solche separate Brennstoffzufuhr aufweist. Die Vorkammer ist dann als ungespülte Vorkammer ausgebildet.
-
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Vorkammerraum eine Wandung aufweist, die zumindest im Bereich der Vorkammerarme schlauchförmig ausgebildet ist. Besonders vorteilhaft strömt somit das entflammte Gemisch entlang der auch insgesamt schlauchförmig ausgebildeten Vorkammerarme, wobei es höchstens geringe Umlenkungen erfährt, sodass die Verluste in der Vorkammer gering sind und deren Effizienz hoch ist.
-
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass jeder Vorkammerarm der mindestens zwei Vorkammerarme mindestens eine Auslassöffnung an einem dem Zündbereich - in Richtung der Erstreckung des Vorkammerarms - entgegengesetzt angeordneten Auslassende aufweist. Durch die Auslassöffnungen strömt das entflammte Gemisch aus den Vorkammerarmen aus. Dabei geben die Auslassöffnungen in bevorzugter Weise Ausströmrichtungen für das entflammte Gemisch vor. Insbesondere treten im Betrieb der Vorkammer Zündfackeln in definierter Weise über die Auslassöffnungen in einen Hauptbrennraum einer mit der Vorkammer ausgestatteten Brennkraftmaschine aus.
-
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwei Vorkammerarme der mindestens zwei Vorkammerarme sich ausgehend von dem Zündbereich in entgegengesetzte Richtungen erstrecken. Vorzugsweise sind dabei die Vorkammerarme derart zueinander hin gekrümmt, dass die Vorkammer in einer die beiden gekrümmten Vorkammerarme umfassenden Schnittebene eine Form aufweist, die ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus einer Bogenform, einer Halbkreisform, einer Parabelform, und einer Hufeisenform. In bevorzugter Ausgestaltung ist der Vorkammerraum nicht als kugelförmiger oder eckiger Raum ausgebildet, sondern weist vielmehr die Form eines gebogenen Stabes auf. Dass die Vorkammer in der Schnittebene, in der die beiden gekrümmten Vorkammerarme liegen, eine bestimmte Form aufweist, bedeutet insbesondere, dass eine gedachte Bogenlinie, die sich in der Schnittebene ausgehend von einem ersten, dem Zündbereich entgegengesetzten Auslassende eines ersten Vorkammerarms der beiden gekrümmten Vorkammerarme über den Zündbereich hinweg bis zu einem zweiten, dem Zündbereich entgegengesetzten Auslassende eines zweiten Vorkammerarms der beiden gekrümmten Vorkammerarme erstreckt, eine entsprechende Linienform aufweist. Die Linienform der Bogenlinie ist dabei insbesondere ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus einem Bogen, einem Halbkreis, einer Parabel, und einer Hufeisenform. Die hier beschriebenen Geometrien beziehungsweise Formen stellen besonders strömungsgünstig Ausgestaltungen des Vorkammerraums dar, sodass die Verluste besonders gering sind, wobei die Effizienz der Vorkammer besonders hoch ist.
-
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass sich die beiden gekrümmten Vorkammerarme zu ihren dem Zündbereich jeweils entgegengesetzten Auslassenden hin einander annähern. Dies bedeutet insbesondere, dass die beiden gekrümmten Vorkammerarme zu den Auslassenden hin aufeinander zulaufen. Dies stellt eine ganz besonders strömungsgünstige Geometrie dar.
-
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass sich ein Querschnitt der mindestens zwei Vorkammerarme ausgehend von dem Zündbereich zu einem dem Zündbereich jeweils entgegengesetzten Auslassende hin verjüngt. Auf diese Weise ist die Vorkammer auch strömungsdynamisch besonders günstig geformt, wobei eine Strömungsgeschwindigkeit des entflammten Gemischs zu den Auslassenden hin zunimmt. Somit strömt das Gemisch mit hoher kinetischer Energie aus den Auslassenden insbesondere in einen Hauptbrennraum einer die Vorkammer aufweisenden Brennkraftmaschine aus. Damit ist die Zündenergie hoch, und eine Entflammung eines insbesondere mageren Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemischs in dem Hauptbrennraum gestaltet sich besonders zuverlässig und effektiv. Dies ermöglicht wiederum einen besonders mageren Betrieb der Brennkraftmaschine.
-
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Vorkammerarme jeweils an ihrem dem Zündbereich entgegengesetzten Auslassende mindestens einen Auslassstutzen aufweisen. Eine Hauptachse des mindestens einen Auslassstutzens schließt vorzugsweise einen endlichen Winkel mit einer Haupterstreckung des zugeordneten Vorkammerarms im Bereich des Auslassendes ein. Mittels des Auslassstutzens kann insbesondere eine Ausströmrichtung des entflammten Gemischs aus dem jeweiligen Vorkammerarm besonders genau definiert vorgegeben werden. Dabei wird die Ausströmrichtung insbesondere durch den Winkel bestimmt, den die Hauptachse des Auslassstutzens mit der Haupterstreckung des Vorkammerarms im Bereich von dessen Auslassende einschließt. Unter einer Hauptachse des Auslassstutzens wird dabei insbesondere eine Richtung längster Erstreckung oder eine Symmetrieachse des Auslassstutzens verstanden. Unter einer Haupterstreckung, die der Vorkammerarm im Bereich seines Auslassendes aufweist, wird insbesondere eine Richtung längster Erstreckung oder eine Symmetrieachse verstanden, die der Vorkammerarm im Bereich seines Auslassendes aufweist. Der Winkel, den die Hauptachse des Auslassstutzens mit der Haupterstreckung des Vorkammerarms einschließt, ist insbesondere von 0° und von 180° verschieden.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist mindestens einem Vorkammerarm der Vorkammerarme, vorzugsweise jedem Vorkammerarm der Vorkammerarme, eine Mehrzahl von Auslassstutzen an dem Auslassende des jeweiligen Vorkammerarms zugeordnet. Vorzugsweise weist mindestens ein Vorkammerarm der Vorkammerarme, bevorzugt jeder Vorkammerarm der Vorkammerarme, mindestens zwei Auslassstutzen, vorzugsweise mindestens drei Auslassstutzen, vorzugweise genau drei Auslassstutzen, auf. Die Auslassstutzen weisen bevorzugt in verschiedene Richtungen, insbesondere weisen die Hauptachsen der Auslassstutzen in verschiedene Richtungen. In bevorzugter Ausgestaltung liegen alle Hauptachsen aller Auslassstutzen der Vorkammerarme auf einer gemeinsamen gedachten Kegelmantelfläche.
-
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Vorkammer vier Vorkammerarme aufweist. Die Vorkammerarme erstrecken sich ausgehend von dem Zündbereich bevorzugt in verschiedene Richtungen, insbesondere in vier verschiedene Richtungen, wobei einander unmittelbar benachbarte Vorkammerarme der vier Vorkammerarme bevorzugt jeweils einen Winkelabstand von 90° zueinander aufweisen. Die Vorkammerarme sind somit insbesondere gleichverteilt entlang einer gedachten Umfangslinie angeordnet. Auf diese Weise kann sehr effizient ein gesamter Umfang eines der Vorkammer zugeordneten Brennraums durch Zündfackeln erfasst werden. Dies ist in besonderem Maße der Fall, wenn jedem Vorkammerarm eine Mehrzahl von Auslassstutzen zugeordnet ist, die in verschiedene Richtungen weisen, wobei in bevorzugter Ausgestaltung alle Hauptachsen der Auslassstutzen auf einer gemeinsamen gedachten Kegelmantelfläche angeordnet sind.
-
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Vorkammerraum in dem Zündbereich eine Einschnürung aufweist. Auf diese Weise kann vorteilhaft eine besonders hohe kinetische Energie des entflammten Gemischs in dem Zündbereich und aus dem Zündbereich heraus erreicht werden, sodass insbesondere die Strömungsgeschwindigkeit des entflammten Gemischs und damit dessen Impuls initial hoch ist.
-
Die Aufgabe wird auch gelöst, indem eine Brennkraftmaschine mit mindestens einer erfindungsgemäßen Vorkammer oder einer Vorkammer nach einem oder mehreren der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele geschaffen wird. In Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine verwirklichen sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit der Vorkammer beschrieben wurden.
-
Insbesondere weist die Brennkraftmaschine mindestens einen Brennraum auf, der unterteilt ist in einen Hauptbrennraum und den Vorkammerraum der dem Brennraum zugeordneten Vorkammer. Vorzugsweise ist der Vorkammerraum über die mindestens eine Auslassöffnung strömungstechnisch mit dem Hauptbrennraum verbunden.
-
Vorzugsweise weist die Brennkraftmaschine eine Mehrzahl von Brennräumen auf, wobei jedem Brennraum eine erfindungsgemäße Vorkammer, oder eine Vorkammer nach einem oder mehreren der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele zugeordnet ist.
-
In bevorzugter Ausgestaltung ist die Brennkraftmaschine als Hubkolbenmotor ausgebildet.
-
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine mit einem ersten Ausführungsbeispiel einer Vorkammer;
- 2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Vorkammer;
- 3 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer Vorkammer, und
- 4 eine Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels einer Vorkammer in drei verschiedenen Ansichten.
-
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine 1 mit einem ersten Ausführungsbeispiel einer Vorkammer 3. Die Brennkraftmaschine 1 weist einen Brennraum 5 auf, der unterteilt ist in einen Hauptbrennraum 7 und einen Vorkammerraum 9 der Vorkammer 3. Vorzugsweise weist die Brennkraftmaschine 1 eine Mehrzahl insbesondere identisch ausgebildeter Brennräume 5 auf, wobei jedem Brennraum 5 eine Vorkammer 3 zugeordnet ist, insbesondere jedem Brennraum 5 eine identische Vorkammer 3.
-
In dem Vorkammerraum 9 ist - insbesondere zentral oder mittig - ein Zündbereich 11 angeordnet. Der Vorkammerraum 9 erstreckt sich ausgehend von dem Zündbereich 11 in Form von mindestens zwei Vorkammerarmen 13, wobei die Vorkammerarme 13 in verschiedene Richtungen von dem Zündbereich 11 wegweisen, hier in 1 ein erster Vorkammerarm 13.1 nach links und ein zweiter Vorkammerarm 13.2 nach rechts. Insbesondere auf diese Weise kann ein in dem Zündbereich 11 entflammtes Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch mit nur wenigen Umlenkungen und geringen Verlusten entlang des Vorkammerraums 9 strömen, sodass die Vorkammer 3 einen hohen Wirkungsgrad aufweist.
-
In dem Zündbereich 11 ist insbesondere eine Zündeinrichtung 15 angeordnet, vorzugsweise eine elektrische Funkenzündkerze. Die Zündeinrichtung 15 kann aber beispielsweise auch als Laser-Zündkerze, als Corona-Zündkerze oder als Injektor zur Einbringung eines Zündbrennstoffs, insbesondere eines Zündöls, ausgebildet sein. Die Vorkammer 3 ist hier als gespülte Vorkammer 3 ausgebildet, wobei ihr in dem Zündbereich 11 eine separate Brennstoffzufuhreinrichtung 17 zugeordnet ist, mit der Brennstoff direkt in den Zündbereich 11 der Vorkammer 3 eingebracht werden kann.
-
Der Vorkammerraum 9 weist eine Wandung 19 auf, die zumindest im Bereich der Vorkammerarme 13 schlauchförmig ausgebildet ist.
-
Jeder Vorkammerarm 13 der mindestens zwei Vorkammerarme 13 weist mindestens eine Auslassöffnung 21 an einem dem Zündbereich 11 entgegengesetzten Auslassende 23 auf. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel weist jeder Vorkammerarm 13 drei Auslassöffnungen 21 an dem jeweiligen Auslassende 23 auf.
-
Die Vorkammerarme 13 erstrecken sich ausgehend von dem Zündbereich 11 in entgegengesetzte Richtungen und sind derart zueinander hin gekrümmt, dass die Vorkammer 3 in einer die beiden gekrümmten Vorkammerarme 13 umfassenden Schnittebene, das heißt hier in der Bildebene von 1, eine Form aufweist, die ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus einer Bogenform, einer Halbkreisform, einer Parabelform, und einer Hufeisenform. Im Fall von 1 ist die Form eine Halbkreisform.
-
Insbesondere weist die Vorkammer 3 in der Schnittebene die Form eines gebogenen Stabes auf.
-
2 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Vorkammer 3.
-
Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind in allen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern jeweils auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird.
-
Bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel ist die Form der Vorkammer 3 in der Schnittebene eine Parabelform.
-
3 zeigt eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels der Vorkammer 3. Bei diesem dritten Ausführungsbeispiel weist die Vorkammer 3 in der Schnittebene eine Bogenform auf.
-
Außerdem weist der Vorkammerraum 9 bei diesem dritten Ausführungsbeispiel in dem Zündbereich 11 eine Einschnürung 25 auf.
-
4 zeigt eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels der Vorkammer 3.
-
Bei a) ist eine Schnittdarstellung der Vorkammer 3 in einer Schnittebene dargestellt, in der zwei gekrümmte Vorkammerarme 13 der Vorkammer 3 angeordnet sind. Die Vorkammer 3 weist in der Schnittebene, das heißt in der Bildebene von 4, eine Hufeisenform auf.
-
Zugleich ist außerdem ein sich ausgehend von dem Zündbereich 11 vom Betrachter weg aus der Bildebene von 4 hinaus erstreckender, dritter Vorkammerarm 13.3 dargestellt. Die Vorkammer 3 ist vorzugsweise bezüglich der Bildebene von 4 spiegelsymmetrisch ausgebildet und weist entsprechend einen bei a) nicht dargestellten, sich aus der Bildebene von 4 hinaus auf den Betrachter zu erstreckenden, vierten Vorkammerarm 13.4 auf. Insgesamt weist die Vorkammer 3 gemäß diesem vierten Ausführungsbeispiel bevorzugt vier Vorkammerarme 13 auf.
-
Bei diesem vierten Ausführungsbeispiel ist außerdem vorgesehen, dass sich die gekrümmten Vorkammerarme 13 zu ihren Auslassenden 23 hin einander annähern.
-
Weiter ist bei diesem vierten Ausführungsbeispiel bevorzugt vorgesehen, dass sich ein Querschnitt jedes Vorkammerarms 13 ausgehend von dem Zündbereich 11 zu dem zugeordneten Auslassende 23 hin verjüngt.
-
Die Vorkammerarme 13 weisen außerdem jeweils an den Auslassenden 23 mindestens einen Auslassstutzen 27 auf. Bei dem hier dargestellten vierten Ausführungsbeispiel weist jeder Vorkammerarm 13 an seinem jeweiligen Auslassende 23 genau drei Auslassstutzen 27 auf. Die Auslassstutzen 27 weisen zugleich die Auslassöffnungen 21 auf. Insbesondere bildet jeder Auslassstutzen 27 eine Auslassöffnung 21.
-
Bei jedem Auslassstutzen 27 schließt eine Hauptachse A des Auslassstutzens 27 mit einer Haupterstreckung H des zugeordneten Vorkammerarms 13 im Bereich des Auslassendes 23 einen endlichen Winkel α ein. Die Hauptachsen A aller Auslassstutzen 27 der Vorkammer 3 sind bevorzugt auf einer gemeinsamen gedachten Kegelmantelfläche angeordnet.
-
Bei b) ist eine Draufsicht auf die Vorkammer 3 gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel dargestellt. Dabei sind insbesondere die vier Vorkammerarme 13 erkennbar, die sich ausgehend von dem Zündbereich 11 in vier verschiedene Richtungen erstrecken, wobei einander unmittelbar benachbarte Vorkammerarme 13 jeweils einen Winkelabstand von 90° zueinander aufweisen.
-
Bei c) ist eine Unteransicht - insbesondere in Einbaulage an der Brennkraftmaschine 1 von dem Hauptbrennraum 7 her - auf das vierte Ausführungsbeispiel der Vorkammer 3 dargestellt. Dabei sind hier die zwölf Auslassstutzen 27 erkennbar, wobei jedem der vier Vorkammerarme 13 jeweils drei Auslassstutzen 27 zugeordnet sind. Jeder der zwölf Auslassstutzen 27 weist in eine andere Richtung, wobei die Hauptachsen A der Auslassstutzen 27 vorzugsweise auf einer gemeinsamen gedachten Kegelmantelfläche angeordnet sind. Der übersichtlicheren Darstellung wegen sind hier nicht alle Auslassstutzen 27 mit dem entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet.
