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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorbrennkammer für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit Vorkammerzündung, wobei die Vorbrennkammer für die Vorkammerzündung mit einer Spüleinrichtung und einer Zündeinrichtung ausgestattet ist.
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Stand der Technik
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Der Wirkungsgrad von Hubkolbenbrennkraftmaschinen kann durch die Anwendung einer Vorkammerzündung erheblich verbessert werden. Die Vorkammerzündung weist eine von einem Hauptbrennraum separierte Vorbrennkammer auf, welche nur über Überströmöffnungen mit der Hauptbrennkammer verbunden ist. Bei der Vorkammerzündung wird ein zündfähiges Brennstoff-Luftgemisch in der Vorbrennkammer mittels einer Zündeinrichtung entzündet. Die von dieser Vorkammerzündung ausgehenden Fackelstrahlen treten dann über die Überströmöffnungen von der Vorbrennkammer in die Hauptbrennkammer über, um ein brennstoffarmes Gemisch im Hauptbrennraum zu entzünden.
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Um nach erfolgter Verbrennung des Brennstoff-Luftgemisches in der Vorbrennkammer wieder ein zündfähiges Brennstoff-Luftgemisch für den nachfolgenden Arbeitszyklus bereitzustellen, sind verschiedene Ansätze der Spülung und der Aufbereitung der Ladung in der Vorbrennkammer bekannt.
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Aus der Patentschrift
EP 2 740 915 B1 ist eine fremdgezündete Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einer Vorkammeranordnung bekannt, wobei ein der Vorkammer vorgelagerter Hilfszylinder mit einem nockenbetätigten Hilfskolben vorgesehen ist, wobei der Hilfskolben durch seine gleitende Hin- und Herbewegung über einen mit dem Einlasskanal fluidverbundenen Hilfseinlasskanal Gemisch in den Hilfszylinder saugt und weiter in die Vorkammer drückt, so dass dieses Gemisch dann in der Vorkammer mittels einer Hakenzündkerze entzündet und verbrannt werden kann.
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Weiter wird beschrieben, dass die Gemischzuführung mittels zweier direkt mit dem Hilfszylinder wirkverbundener Rückschlagventile gesteuert wird.
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Aus der Patentschrift
US 11 078 827 B2 geht eine Zündvorrichtung für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine hervor. Die Zündeinrichtung ist als Vorbrennkammer ausgeführt, wobei innerhalb der Vorbrennkammer eine Kompressionszündung erfolgt. Für die Kompressionszündung ist ein nockenbetätigter Kompressionskolben vorgesehen, mittels welchem der Druck über die Selbstzündgrenze zur Zündung des in der Vorbrennkammer befindlichen Gemisches angehoben wird.
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Aus der Patentschrift
US 11 125 147 B2 geht ein Zündsystem für einen Verbrennungsmotor hervor, welches als Vorbrennkammer mit einer darin befindlichen Zündeinrichtung ausgeführt ist. In der Vorbrennkammer ist zudem ein Hubkolben aufgenommen, der innerhalb der Vorbrennkammer beweglich ist, um den Druck einer Zündladung aus Kraftstoff und Luft innerhalb der Vorbrennkammer auf einen Selbstzündungsschwellenwert zu erhöhen. Das Zündsystem beinhaltet weiter einen Hydraulikaktuator, um eine Betätigung des Hubkolbens zu ermöglichen.
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Aus der Offenlegungsschrift
US 2016 / 0 333 770 A1 ist eine Vorbrennkammer für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit Vorkammerzündung bekannt. Die Vorbrennkammer weist eine ventilgesteuerte Kraftstoffzuführung auf, welche in einen Vorbrennkammerinnenraum einmündet. Weiter ist eine ventilgesteuerte Überströmöffnung und eine als Hubkolbenverdichter ausgeführte Spüleinrichtung vorgesehen.
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Aus der Offenlegungsschrift
US 2006 10 219 210 A1 ist eine Vorbrennkammer für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit Vorkammerzündung bekannt, welche eine in den Vorbrennkammerinnenraum einmündende Zündeinrichtung, eine mit dem Vorbrennkammerinnenraum fluidverbundene ventilgesteuerte Überströmöffnung und eine als Hubkolbenverdichter ausgeführte Spüleinrichtung aufweist.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2013 110 748 A1 eine Vorbrennkammer für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit Vorkammerzündung bekannt. Die Vorbrennkammer weist einen Hilfszylinder auf, welcher eingerichtet ist, um ein Kraftstoffgemisch zu komprimieren, so dass dieser der Vorbrennkammer zugeführt wird. Dazu sind eine ventilgesteuerte Kraftstoffzuführung in den Hilfszylinder und eine ventilgesteuerte Verbrennungsluftzuführung in den Hilfszylinder vorgesehen.
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Aufgabe der Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine verbesserte Vorbrennkammer für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit Vorkammerzündung bereitzustellen.
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Lösung der Aufgabe
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Die Aufgabe wird durch eine Vorbrennkammer für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit Vorkammerzündung nach den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und den Ausführungsbeispielen.
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Beschreibung der Erfindung
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Die Erfindung stellt eine verbesserte Vorbrennkammer für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit Vorkammerzündung bereit. Die Vorbrennkammer ist einem Zylinder der Hubkolbenbrennkraftmaschine zugeordnet und in einem Zylinderkopf aufgenommen. Mittels der Vorbrennkammer werden aus der Verbrennung eines in der Vorbrennkammer entzündeten Brennstoff-Luft-Gemisches Fackelstrahlen erzeugt, welche ein Brennstoff-Luft-Gemisch in einer Hauptbrennkammer des Zylinders entzünden.
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Die erfindungsgemäß vorteilhafte Vorbrennkammer weist eine Gemischzuführung, eine Zündeinrichtung, wenigstens eine Überströmöffnung als Fluidverbindung zwischen einem Vorbrennkammerinnenraum der Vorbrennkammer und einem Hauptbrennkammerinnenraum der Hauptbrennkammer, und eine als Hubkolbenverdichter ausgeführte Spüleinrichtung auf. Der Hubkolbenverdichter weist einen Hilfszylinder mit einem Hubraum und einem Kompressionsraum sowie einen in diesem Hilfszylinder verschiebbar gelagerten Hilfskolben auf. Der Hilfszylinder mit dem Hilfskolben ist innerhalb eines Vorbrennkammergehäuses aufgenommen.
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In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise bilden der Kompressionsraum und der Hubraum des Hubkolbenverdichters den Vorbrennkammerinnenraum der Vorbrennkammer. Die Gemischzuführung, die Zündeinrichtung, und die wenigstens eine Überströmöffnung münden in den Vorbrennkammerinnenraum. Demnach ist das Volumen des Vorbrennkammerinnenraums in Abhängigkeit des Hubs des Hilfskolbens unterschiedlich groß. Der Hilfskolben steht direkt mit dem Vorbrennkammerinnenraum in Wirkverbindung.
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Die Betätigung des Hilfskolbens für eine Verschiebung innerhalb des Hilfszylinders erfolgt über ein nockenbetätigtes Hebelgetriebe oder über einen elektromagnetischen Antrieb. Die Betätigung erfolgt taktrichtig, also synchron gegenüber dem Betrieb des zugeordneten Zylinders der Hubkolbenbrennkraftmaschine. Beispielsweise kann die Betätigung des Hebelgetriebes für den Hilfskolben über einen Nocken auf eine für den Ladungswechsel vorgesehenen Nockenwelle erfolgen.
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Durch die Verschiebung des Hilfskolbens zur Vergrößerung des Volumens des Vorbrennkammerinnenraums wird ein zündfähiges Brennstoff-Luft-Gemisch über die Gemischzuführung aus einer Gemischquelle in die Vorbrennkammer gesaugt. Die Gemischzuführung erfolgt dabei ventilgesteuert, wobei die Ventilsteuerung ausgehend von einem Steuergerät fremdgesteuert oder in Abhängigkeit eines Druckverhältnisses zwischen Gemischquelle und Vorbrennkammerinnenraum selbstgesteuert sein kann. Als Gemischquelle kommt eine gegenüber der Vorbrennkammer vorgelagerte Gemischbildungseinrichtung, beispielsweise ein Einlass der Hubkolbenbrennkraftmaschine oder die Hauptbrennkammer des zugeordneten Zylinders, oder auch ein Brennstoff-Luft-Injektor in Betracht. Insbesondere kann die Gemischzuführung über einen mittels eines Steuergerätes fremdgesteuerten Brennstoff-Luft-Injektor oder aber auch mittels eines selbststeuernden Rückschlagventils aus dem Einlass erfolgen.
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Durch die Verschiebung des Hilfskolbens zur Verkleinerung des Volumens des Vorbrennkammerinnenraums wird ein verbranntes Brennstoff-Luft-Gemisch über die Wenigstens eine Überströmöffnung aus der Vorbrennkammer in die Hauptbrennkammer gedrückt. Dieses Abgasausschieben erfolgt dabei ventilgesteuert, wobei die Ventilsteuerung ausgehend von einem Steuergerät fremdgesteuert oder in Abhängigkeit eines Druckverhältnisses zwischen Vorbrennkammerinnenraum und Hauptbrennkammerinnenraum selbstgesteuert sein kann. Insbesondere kann das Abgasausschieben über ein selbststeuerndes Rückschlagventil erfolgen, wobei ein Rückschlagventil im Bereich der wenigstens einen Überströmöffnung angeordnet ist. Demnach ist das Rückschlagventil nahe der wenigstens einen Überströmöffnung in der der Hauptbrennkammer zugeordneten Hälfte der Vorbrennkammer angeordnet, so dass dieses direkt mit der wenigstens einen Überströmöffnung in Wirkverbindung steht.
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Durch die Verschiebung des Hilfskolbens zur Verkleinerung des Volumens des Vorbrennkammerinnenraums kann zusätzlich eine Vorverdichtung des in die Vorbrennkammer eingebrachten Brennstoff-Luft-Gemischs erfolgen. Dazu ist die Betätigung des Hilfskolbens angepasst.
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In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise sind die Zündeinrichtung und der Hilfskolben miteinander fest verbunden oder der Hilfskolben wird durch die Zündeinrichtung selbst gebildet. Demnach nimmt der Hilfskolben die Zündeinrichtung auf, oder die Zündeinrichtung selbst ist als Hilfskolben innerhalb des Hilfszylinders verschiebbar aufgenommen. Die Zündeinrichtung kann beispielsweise als Hakenzündkerze, als Laserzünder oder auch als Coronazünder ausgebildet sein.
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Ausführungsbeispiel 1
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Beispielhaft wird hier eine vorteilhafte Ausführung der erfindungsgemäßen Vorbrennkammer 1 für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit Vorkammerzündung dargestellt. In den dazugehörigen Figuren zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung der Vorbrennkammer 1 in einem ersten Zustand, und
- 2 eine schematische Darstellung der Vorbrennkammer 1 in einem zweiten Zustand.
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Die vorteilhafte Ausführung der erfindungsgemäßen Vorbrennkammer 1 für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit Vorkammerzündung, dargestellt in 1 und 2, weist eine Gemischzuführung 2, eine Zündeinrichtung 3, wenigstens eine Überströmöffnung 4 und eine als Hubkolbenverdichter 5 ausgeführte Spüleinrichtung auf. Der Hubkolbenverdichter 5 wiederum weist einen Hilfszylinder 5a mit einem Hubraum 5b und einem Kompressionsraum 5c sowie einen in diesem Hilfszylinder 5a verschiebbar gelagerten Hilfskolben 5d auf. Die Verschiebung des Hilfskolbens 5d innerhalb des Hilfszylinders 5a erfolgt mittels einer Betätigungseinrichtung - nicht dargestellt. Der Hubraum 5b und der Kompressionsraum 5c des Hubkolbenverdichters 5 bilden einen Vorbrennkammerinnenraum 1a. Der Hilfszylinder 5a ist in einem Vorbrennkammergehäuse 1b integriert. Die Gemischzuführung 2 ist als eine seitliche Einmündung 1c im Vorbrennkammergehäuse 1b ausgeführt.
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In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise wird der Hilfskolben 5d durch die Zündeinrichtung 3 selbst gebildet und ist als Hakenzündkerze ausgebildet. Der Hilfskolben 5d mit Zündeinrichtung 3 ist innerhalb des Hilfszylinders 5a verschiebbar aufgenommen, wobei der Vorbrennkammerinnenraum 1a mittels Kolbenringdichtungen 5e abgedichtet ist.
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Weiter ist ein selbststeuerndes Rückschlagventil 6 vorgesehen, welches im Bereich der Überströmöffnungen 4 angeordnet ist. Über eine Steueröffnung 1d der Vorbrennkammer 1 wird das Rückschlagventil 6 druckgesteuert. Mittels einer Rückschlagventilfeder 6a wird eine Vorsteuerung des Rückschlagventils 6 bereitgestellt.
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Durch die Verschiebung des Hilfskolbens 5d zur Vergrößerung des Volumens des Vorbrennkammerinnenraums 1a, dargestellt in 1, wird ein zündfähiges Brennstoff-Luft-Gemisch über die Gemischzuführung 2 aus einer Gemischquelle in die Vorbrennkammer 1 gesaugt.
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Durch die Verschiebung des Hilfskolbens 5d zur Verkleinerung des Volumens des Vorbrennkammerinnenraums 1a, dargestellt in 2, wird ein verbranntes Brennstoff-Luft-Gemisch über die Überströmöffnungen 4 aus der Vorbrennkammer 1 gedrückt. Dieses Abgasausschieben erfolgt dabei mittels des Rückschlagventils 6 druckgesteuert.
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Ausführungsbeispiel 2
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Beispielhaft wird hier eine alternative vorteilhafte Ausführung der erfindungsgemäßen Vorbrennkammer 1 für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit Vorkammerzündung dargestellt. In den dazugehörigen Figuren zeigen:
- 3 eine schematische Darstellung der Vorbrennkammer 1 in einem ersten Zustand, und
- 4 eine schematische Darstellung der Vorbrennkammer 1 in einem zweiten Zustand.
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Die alternative vorteilhafte Ausführung der erfindungsgemäßen Vorbrennkammer 1 für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit Vorkammerzündung, dargestellt in 3 und 4, weist insbesondere eine als Gemischinjektor ausgeführte Gemischzuführung 2 auf. Der Gemischinjektor als Gemischzuführung 2 ist dem Vorbrennkammergehäuse 1b zugeordnet und mündet direkt in den Vorbrennkammerinnenraum 1a. Des Weiteren weist die Vorbrennkammer 1 eine Zündeinrichtung 3, wenigstens eine Überströmöffnung 4 und eine als Hubkolbenverdichter 5 ausgeführte Spüleinrichtung auf. Der Hubkolbenverdichter 5 weist einen Hilfszylinder 5a mit einem Hubraum 5b und einem Kompressionsraum 5c sowie einen in diesem Hilfszylinder 5a verschiebbar gelagerten Hilfskolben 5d auf. Der Hilfszylinder 5a ist in einem Vorbrennkammergehäuse 1b integriert. Das Vorbrennkammergehäuse 1b weist eine seitliche Einmündung 1c auf, über welche der Gemischinjektor als Gemischzuführung 2 gegenüber der Vorbrennkammer 1 ausgerichtet und wirkverbunden ist.
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In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise nimmt der Hilfskolben 5d die separate Zündeinrichtung 3 auf, welche als Hakenzündkerze ausgebildet ist. Der Hilfskolben 5d ist innerhalb des Hilfszylinders 5a verschiebbar aufgenommen, wobei der Vorbrennkammerinnenraum 1a mittels Kolbenringdichtungen 5e abgedichtet ist.
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Weiter ist ein selbststeuerndes Rückschlagventil 6 vorgesehen, welches im Bereich der Überströmöffnungen 4 angeordnet ist. Über eine Steueröffnung 1d der Vorbrennkammer 1 wird das Rückschlagventil 6 druckgesteuert. Mittels einer Rückschlagventilfeder 6a wird eine Vorsteuerung des Rückschlagventils 6 bereitgestellt.
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Durch die Verschiebung des Hilfskolbens 5d zur Vergrößerung des Volumens des Vorbrennkammerinnenraums 1a, dargestellt in 3, wird die Zuführung eines zündfähigen Brennstoff-Luft-Gemischs über den Gemischinjektor als Gemischzuführung 2 unterstützt.
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Durch die Verschiebung des Hilfskolbens 5d zur Verkleinerung des Volumens des Vorbrennkammerinnenraums 1a, dargestellt in 4, wird ein verbranntes Brennstoff-Luft-Gemisch über die Überströmöffnungen 4 aus der Vorbrennkammer 1 gedrückt. Dieses Abgasausschieben erfolgt dabei mittels des Rückschlagventils 6 druckgesteuert.
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Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen
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- 1
- Vorbrennkammer
- 1a
- Vorbrennkammerinnenraum
- 1b
- Vorbrennkammergehäuse
- 1c
- Einmündung
- 1d
- Steueröffnung
- 2
- Gemischzuführung
- 3
- Zündeinrichtung
- 4
- Überströmöffnung
- 5
- Hubkolbenverdichter
- 5a
- Hilfszylinder
- 5b
- Hubraum
- 5c
- Kompressionsraum
- 5d
- Hilfskolben
- 5e
- Kolbenringdichtung
- 6
- Rückschlagventil
- 6a
- Rückschlagventilfeder
