DE112011104599B4

DE112011104599B4 - Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE112011104599B4
Application number: DE112011104599.9T
Authority: DE
Inventors: Martin KLINKNER
Original assignee: GE Jenbacher GmbH and Co OHG
Current assignee: Innio Jenbacher GmbH and Co OG
Priority date: 2010-12-27
Filing date: 2011-11-10
Publication date: 2017-02-09
Anticipated expiration: 2031-11-11
Also published as: WO2012088551A1; US20130276745A1; AT510869B1; DE112011104599A5; AT510869A1; US8726878B2

Abstract

Brennkraftmaschine, mit: – einem einen Zylinderkopfboden (5) aufweisenden Zylinderkopf (6), einer Zylinderwandung (7) und einem entlang einer Zylinderachse (Z) bewegbaren Kolben (8), der einen Kolbenboden (9) aufweist, wobei zwischen Zylinderkopfboden (5), Zylinderwandung (7) und Kolbenboden (9) ein Hauptbrennraum (4) ausgebildet ist, und wobei der Zylinderkopfboden (5) in Bezug auf den Hauptbrennraum zurückgesetzte Ventilstege (13) aufweist, – einer Vorkammer (1), die in eine Bohrung (10) des Zylinderkopfs (6) eingesetzt und relativ zur Bohrung (10) in Umfangsrichtung der Bohrung (10) fixiert ist, wobei die Achse (B) der Bohrung (10) zumindest im Wesentlichen parallel zu der Zylinderachse (Z) ist und wobei in der Vorkammer (1) ein Vorkammerbrennraum (3) ausgebildet ist, – wenigstens einem Kranz aus Übertrittsöffnungen (2, 2'), welche den Vorkammerbrennraum (3) mit dem Hauptbrennraum (4) verbinden, wobei jeweils der Winkel (α, α'), welchen die Übertrittsöffnung (2, 2') mit der Zylinderachse (Z) einschließt, für wenigstens zwei Übertrittsöffnungen (2, 2') des wenigstens einen Kranzes unterschiedlich ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (α, α'), welchen die Übertrittsöffnung (2, 2') mit der Zylinderachse (Z) einschließt, bei jenen Übertrittsöffnungen (2, 2'), die im Bereich der Ventilstege (13) angeordnet sind, größer ist als bei jenen Übertrittsöffnungen (2, 2') die sich außerhalb des Bereiches der Ventilstege (13) befinden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, mit:

– einem einen Zylinderkopfboden aufweisenden Zylinderkopf, einer Zylinderwandung und einem entlang einer Zylinderachse bewegbaren Kolben, der einen Kolbenboden aufweist, wobei zwischen Zylinderkopfboden, Zylinderwandung und Kolbenboden ein Hauptbrennraum ausgebildet ist, und wobei der Zylinderkopfboden in Bezug auf den Hauptbrennraum zurückgesetzte Ventilstege aufweist,
– einer Vorkammer, die in eine Bohrung des Zylinderkopfs eingesetzt und relativ zur Bohrung in Umfangsrichtung der Bohrung fixiert ist, wobei die Achse der Bohrung zumindest im Wesentlichen parallel zu der Zylinderachse ist und wobei in der Vorkammer ein Vorkammerbrennraum ausgebildet ist,
– wenigstens einem Kranz aus Übertrittsöffnungen, welche den Vorkammerbrennraum mit dem Hauptbrennraum verbinden, wobei jeweils der Winkel, welchen die Übertrittsöffnung mit der Zylinderachse einschließt, für wenigstens zwei Übertrittsöffnungen des wenigstens einen Kranzes unterschiedlich ist.

Derartige sog. vorkammergezündete Brennkraftmaschinen sind zur Genüge bekannt. Aus den Übertrittsöffnungen austretende Zündfackeln dienen dazu, ein im Hauptbrennraum befindliches Gemisch sicher zu entzünden.
Bei vielen gegenwärtig bekannten Vorkammern ist die exakte Einbaulage nicht vorgebbar, da die Vorkammern eingeschraubt werden und man über ein Gewinde die exakte Winkellage in Umfangsrichtung relativ zur Bohrung im Zylinderkopf nicht festlegen kann. Es sind aber bereits gattungsgemäße Brennkraftmaschinen bekannt geworden, bei welchen die Vorkammer relativ zur Bohrung im Zylinderkopf in Umfangsrichtung der Bohrung fixiert ist (siehe beispielsweise DE 37 09 976 A1 ).
DE 700 327 A offenbart eine luftverdichtende Brennkraftmaschine mit Selbstzündung. DE 10 2008 018 482 A1 offenbart eine Brennkraftmaschine, bei der sich zwischen Hauptbrennkammer und Vorkammer angeordnete Öffnungen in Tangentialrichtung der Vorkammer erstrecken. AT 507 156 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Zündung eines Treibstoff/Luftgemisches in einem Brennraum.
Aus den Dokumenten JP 2001-003753 A und JP 2009-270540 A gehen Brennkraftmaschinen hervor, die sich von gattungsgemäßen Brennkraftmaschinen nur dadurch unterscheiden, dass der Zylinderkopfboden in Bezug auf den Hauptbrennraum keine zurückgesetzten Ventilstege aufweist.
Gattungsgemäße Brennkraftmaschinen weisen das Problem auf, dass die Zündfackeln das Volumen des Hauptbrennraums nicht optimal erfassen und somit keine schnelle Verbrennung gewährleistet wird. Versucht man, die Zündfackeln größer zu dimensionieren, kommt es außerdem zu einer starken thermischen Belastung des Zylinderkopfbodens und des Kolbenbodens.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Brennkraftmaschine derart weiterzubilden, dass eine schnelle Verbrennung gewährleistet wird, ohne den Zylinderkopfboden oder den Kolbenboden thermisch übermäßig zu belasten.
Diese Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Dadurch, dass die einzelnen Übertrittsöffnungen nicht jeweils denselben Winkel mit der Zylinderachse einschließen, wobei der Winkel, welchen die Übertrittsöffnung mit der Zylinderachse einschließt, bei jenen Übertrittsöffnungen, die im Bereich der Ventilstege angeordnet sind, größer ist als bei jenen Übertrittsöffnungen, die sich außerhalb des Bereiches der Ventilstege befinden, ist es möglich, den Winkel, welchen jede Übertrittsöffnung jeweils mit der Zylinderachse einschließt, für jede Übertrittsöffnung so zu wählen, dass im Betrieb der Brennkraftmaschine die aus den Übertrittsöffnungen austretenden Zündfackeln vom Zylinderkopfboden und dem Kolbenboden einen maximalen Abstand aufweisen. Dies bewirkt einerseits, dass die thermische Belastung von Zylinderkopfboden und Kolbenboden minimiert wird. Andererseits wird so ein maximales Volumen des Hauptbrennraums erfasst, was eine schnelle Verbrennung gewährleistet.
Zusätzlich kann die Geometrie der Übertrittsöffnungen (z. B. Durchmesser und Form) variiert werden. Hierdurch können die Größe und der Impuls der jeweiligen Zündfackel auf lokale Anforderungen angepasst werden.
Voraussetzung für diese Maßnahme ist natürlich, dass die Vorkammer in ihrer Umfangsrichtung in der Bohrung des Zylinderkopfes fixiert ist (das heißt eine vorbestimmte Winkellage aufweist), da es ja anderenfalls nicht möglich ist, die Winkel der Übertrittsöffnungen auf die jeweilige geometrische Gegebenheit des Hauptbrennraums abzustimmen. Besonders bevorzugt ist die Brennkraftmaschine als insbesondere stationärer Gasmotor ausgebildet, der mit einem Generator zur Stromerzeugung gekoppelt sein kann.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sei anhand der Figuren sowie der nachstehenden Figurenbeschreibung erläutert. Dabei zeigen:
1 Schematisch einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine im erfindungsrelevanten Teil,
2 eine Draufsicht auf den Zylinderkopfboden der in 1 dargestellten Brennkraftmaschine,
3 eine Schnittdarstellung entlang der Schnitte A und B der 2,
4a, 4b eine realistischere Draufsicht auf einen Zylinderkopfboden einer erfindungs-gemäßen Brennkraftmaschine sowie eine Detaildarstellung dazu und
5a, 5b eine Schnittdarstellung mit der Linie D-D der 4a sowie eine Detaildarstellung der (erfindungsgemäßen) Vorkammer mit Übertrittsoffnungen.
In 1 ist ein Hauptbrennraum 4 einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine erkennbar, die in der Realität natürlich üblicherweise mehr als nur einen Hauptbrennraum 4 aufweist. Der Hauptbrennraum 4 wird gebildet durch den Kolbenboden 9 eines Kolbens 8, der Zylinderwandung 7 sowie den Zylinderkopfboden 5 eines Zylinderkopfes 6. Erkennbar ist weiters eine Vorkammer 1, in welcher ein Vorkammerbrennraum 3 ausgebildet ist, der über einen Kanal 12 mit Übertrittsöffnungen 2, 2' (in
1 ist nur eine Übertrittsöffnung 2 dargestellt) mit dem Hauptbrennraum 4 verbunden ist.
Wie aus 3 hervorgeht, ist der Abstand zwischen dem Zylinderkopfboden 5 und dem Kolbenboden 9 im Hauptbrennraum nicht überall gleich groß. Ein weiterer Grund für einen variierenden Abstand kann die Gestaltung des Kolbens sein, welcher von einer rotationssymmetrischen Form abweichen kann (z. B. Herzkolben sowie diverse Muldenkolben).
Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass die Übertrittsöffnungen 2, 2' nicht alle denselben Winkel α mit der Zylinderachse Z (siehe 3) einschließen. Der Winkel α, α' für jede Übertrittsöffnung 2, 2' ist so gewählt, dass der Abstand der im Betrieb der Brennkraftmaschine aus den Übertrittsöffnungen 2, 2' austretenden Zündfackeln zum Zylinderkopfboden 5 bzw. dem Kolbenboden 9 maximal ist. Dies berücksichtigt, dass der Abstand im Bereich der Ventilstege am größten ist, da die Ventilstege zurückgesetzt sind und die Ventile bündig abschließen.
Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in den Fig. stets die Winkel 90° minus α bzw. 90° minus α', anstelle von α bzw. α' eingezeichnet.
Zur besseren Verständlichkeit der schematischen Darstellungen der 1 bis 3 zeigen die 4 und 5 eine realistischere Ansicht eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels, wobei bei diesem Ausführungsbeispiel erkennbar ist, dass ein Kranz von insgesamt acht Übertrittsöffnungen 2, 2' vorgesehen ist, wobei jeweils in Umfangsrichtung aufeinanderfolgende Übertrittsöffnungen 2, 2' einen unterschiedlichen Winkel α, α' aufweisen. Natürlich wäre es auch möglich, nicht nur einen Kranz an Übertrittsöffnungen 2, 2', sondern noch einen weiteren solchen Kranz anzuordnen, was wohl hauptsächlich bei sehr großen Hauptbrennräumen 4 sinnvoll sein könnte.
Von Interesse ist in 5a noch die Darstellung eines Beispieles, wie die Vorkammer 1 in Umfangsrichtung der Bohrung 10 fixiert sein kann, nämlich in diesem Ausführungsbeispiel durch Positionierstifte 11. Alternativ könnte auch vorgesehen sein, die Vorkammer 1 in der Bohrung 10 zu verklemmen, zu verschweißen oder sonst ein geeignetes Fixierverfahren anzuwenden, das eine Montage mit vorbestimmter Winkellage gestattet.
5b zeigt den in den Hauptbrennraum ragenden Teil der erfindungsgemäßen Vorkammer, wobei zwei Übertrittsöffnungen 2, 2' mit unterschiedlichen Winkeln α, α' erkennbar sind.

Claims

Brennkraftmaschine, mit: – einem einen Zylinderkopfboden (5) aufweisenden Zylinderkopf (6), einer Zylinderwandung (7) und einem entlang einer Zylinderachse (Z) bewegbaren Kolben (8), der einen Kolbenboden (9) aufweist, wobei zwischen Zylinderkopfboden (5), Zylinderwandung (7) und Kolbenboden (9) ein Hauptbrennraum (4) ausgebildet ist, und wobei der Zylinderkopfboden (5) in Bezug auf den Hauptbrennraum zurückgesetzte Ventilstege (13) aufweist, – einer Vorkammer (1), die in eine Bohrung (10) des Zylinderkopfs (6) eingesetzt und relativ zur Bohrung (10) in Umfangsrichtung der Bohrung (10) fixiert ist, wobei die Achse (B) der Bohrung (10) zumindest im Wesentlichen parallel zu der Zylinderachse (Z) ist und wobei in der Vorkammer (1) ein Vorkammerbrennraum (3) ausgebildet ist, – wenigstens einem Kranz aus Übertrittsöffnungen (2, 2'), welche den Vorkammerbrennraum (3) mit dem Hauptbrennraum (4) verbinden, wobei jeweils der Winkel (α, α'), welchen die Übertrittsöffnung (2, 2') mit der Zylinderachse (Z) einschließt, für wenigstens zwei Übertrittsöffnungen (2, 2') des wenigstens einen Kranzes unterschiedlich ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (α, α'), welchen die Übertrittsöffnung (2, 2') mit der Zylinderachse (Z) einschließt, bei jenen Übertrittsöffnungen (2, 2'), die im Bereich der Ventilstege (13) angeordnet sind, größer ist als bei jenen Übertrittsöffnungen (2, 2') die sich außerhalb des Bereiches der Ventilstege (13) befinden.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie der Übertrittsöffnungen (2, 2'), vorzugsweise Durchmesser und/oder Form, für wenigstens zwei Übertrittsöffnungen (2, 2') des wenigstens einen Kranzes unterschiedlich ist.