EP2798170A1 - Vorkammersystem für eine brennkraftmaschine - Google Patents

Vorkammersystem für eine brennkraftmaschine

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EP2798170A1
EP2798170A1 EP12740036.4A EP12740036A EP2798170A1 EP 2798170 A1 EP2798170 A1 EP 2798170A1 EP 12740036 A EP12740036 A EP 12740036A EP 2798170 A1 EP2798170 A1 EP 2798170A1
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EP
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gas
vorkammersystem
chamber
prechamber
guide
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Withdrawn
Application number
EP12740036.4A
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French (fr)
Inventor
Frederic DUMSER
Florian Becker
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Innio Jenbacher GmbH and Co OG
Original Assignee
GE Jenbacher GmbH and Co OHG
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Publication date
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    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
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    • Y02T10/30—Use of alternative fuels, e.g. biofuels

Definitions

  • the present invention relates to a Vorhuntsystem for an internal combustion engine having the features of the preamble of claim 1 and an internal combustion engine, in particular a gas Otto engine, with such a Vorhuntsystem.
  • gas-purged pre-chamber systems are used, the task of which is to ignite a combustion chamber of the internal combustion engine so that an ideal combustion is achieved.
  • the pre-chamber is added during the intake stroke of the internal combustion engine via a gas introduction means a certain amount of gas.
  • a superstoichiometric gas-air mixture is supplied to the combustion chamber. Via a communicating transfer opening (rising channel), the superstoichiometric mixture flows into the prechamber during the compression stroke, where it mixes with the pure gas to form an approximately stoichiometric mixture
  • the partially homogenized mixture is ignited via a spark plug. Due to an increase in pressure, the burnt hot gas flows via the communicating transfer opening (riser channel) into the combustion chamber of the internal combustion engine and causes it to ignite.
  • Prechamber systems with nozzles are known in the art and serve various purposes (see, for example, US 4,467,759 or US 4,095,565).
  • the object of the invention is to extend the life of the spark plug in generic Vorschsystemen or internal combustion engines.
  • the arrangement of the guide adjacent to the opening for the gaseous fuel such that during operation by the guide in the region of the electrode of the spark plug, a reduction of the volume flow of passing over the riser into the prechamber hot gas takes place, causes an extension of the life of the spark plug as the heat input to the electrode of the spark plug decreases and a cooler electrode results in a prolonged average spark plug life.
  • the guide device is located between the inlet opening of the gas channel and the riser channel, it is also possible to ensure that fresh fresh gas passes out of the gas channel via the electrode of the spark plug without drilling in the wall of the antechamber.
  • the guide should have a passage opening which connects the mouth of the gas channel and the riser. This ensures that fresh gas emerging from the gas duct can flow unhindered into the prechamber.
  • the guide device is formed integrally with the wall of the prechamber.
  • the guide is attached to the wall of the prechamber.
  • the guide device may have an annular section, via which it is fastened to the wall of the prechamber, for example pressed in or inserted.
  • the internal combustion engine according to the invention is, in particular, a stationary internal combustion engine, preferably a gas-Otto engine, in particular a stationary one.
  • Fig. 4 is a perspective view of a detail of Figure 2b.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of a prechamber system 1 according to the invention.
  • the pre-chamber 2 is formed by a wall 3 and is connected via a riser 8 with a combustion chamber, not shown, of an internal combustion engine connected or connected in the assembled state.
  • the riser 8 opens asymmetrically into the pre-chamber 2, which ensures that a so-called tumble flow 14 is formed (see Figure 3b).
  • a spark plug 4 (not shown in FIG. 3), which is not shown in FIG. 1, can be inserted into the prechamber system 1.
  • a gas channel 7 connects an introduction device 5, not shown in FIG. 1 (see FIG. 2a), via a connection opening 6 with the prechamber 2.
  • a guide device 9 is arranged adjacent to the connection opening 6. Above the guide 9, a bore 10 in the wall 3 of the pre-chamber 2 is arranged, which establishes a connection to the gas channel 7.
  • the bore 10 ensures that fresh gas from the gas channel 7 can penetrate into the region above the guide 9 and passes through the guide 9 to the electrode 13, not shown in Figure 1 (see Figure 3) of the spark plug 4, to actively cool them ,
  • FIG. 2 a again shows the antechamber system 1 of FIG. 1, but here the gas introduction device 5 can be seen in the form of a gas valve.
  • the guide 9 is not formed integrally with the wall 3 of the pre-chamber 2, as is the case in Figures 1 and 2a.
  • the guide 9 is attached to the wall 3 of the antechamber 2.
  • the guide 9 has an annular portion 11, via which it is clamped on the wall 3 of the antechamber (variant of Figure 2b) or pressed (variant of Figure 2c).
  • FIGS. 2 b and 2 c A further difference between the variants of FIGS. 2 b and 2 c and that of FIGS. 1 and 2 a is that in the variants of FIGS. 2 b and 2 c the guide device 9 is arranged between the inlet opening 6 of the gas channel 7 and the riser channel 8. Thus, the additional bore 10 shown in Figure 1 and 2a can be omitted. But to ensure that enough fresh gas can flow into the pre-chamber 2, the guide 9 is provided with a through hole 12. The resulting flow conditions with respect to the fresh gas are shown in Figure 3a with respect to the variant of Figure 2c.
  • the flow 15 of fresh gas introduced via the gas introduction device 5 into the gas channel 7 is shown in a partial flow 15a, which flows over the Electrode 13 of the spark plug 4 flows and in a partial flow 15 b, which flows through the through hole 12 in the pre-chamber 2.
  • FIG. 3a the purging phase and in FIG. 3b the compression phase (compression stroke) of the internal combustion engine are shown.
  • Figure 4 shows a perspective view of the annular portion 11 together with the guide 9 for those embodiments where the guide 9 is fixed to the wall 3 of the prechamber 2 and is not formed integrally with the prechamber 2.

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Abstract

Vorkammersystem (1) für eine Brennkraftmaschine, mit: - einer eine Wandung (3) aufweisenden Vorkammer (2), - einer wenigstens eine Elektrode (13) aufweisenden Zündkerze (4), - einer Gaseinbringungseinrichtung (5), insbesondere ein Gasventil, - einem die Gaseinbringungseinrichtung (5) mit der Vorkammer (2) über eine Einmündungsöffnung (6) verbindenden Gaskanal (7), - einem Steigkanal (8) zum Verbinden der Vorkammer (2) mit einem Brennraum der Brennkraftmaschine, - einer Leiteinrichtung (9) zur Beeinflussung der Strömung des Gases, in der Vorkammer (2), wobei die Leiteinrichtung (9) benachbart zur Einmündungsöffnung (6) derart angeordnet ist, dass im Betrieb durch die Leiteinrichtung (9) eine Reduktion des an die Elektrode (13) der Zündkerze 4 gelangenden Volumenstromes heißen Gases erfolgt, welches über den Steigkanal (8) in die Vorkammer (2) einströmt.

Description

Vorkammersystem für eine Brennkraftmaschine
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Vorkammersystem für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen Gas-Otto- Motor, mit einem solchen Vorkammersystem.
In Brennkraftmaschinen ab einer bestimmten Baugröße kommen gasgespülte Vorkammersysteme zum Einsatz, deren Aufgabe es ist, einen Brennraum der Brennkraftmaschine so zu entflammen, dass eine ideale Verbrennung erreicht wird. Dabei wird der Vorkammer während des Ansaugtaktes der Brennkraftmaschine über eine Gaseinbringungseinrichtung eine bestimmte Gasmenge zugegeben.
Gleichzeitig wird ein überstöchiometrisches Gas-Luft-Gemisch dem Brennraum zugeführt. Über eine kommunizierende Übertrittsöffnung (Steigkanal) strömt während des Verdichtungstakts das überstöchiometrische Gemisch in die Vorkammer und vermengt sich dort mit dem reinen Gas zu einem in etwa stöchiometrischem Gemisch
(λ= 1 ).
Nach der Durchmischung des Gas-Luft-Gemisches mit reinem Gas bleiben allerdings lokale Bereiche zurück, in denen sich das reine Gas nur sehr wenig mit dem überstöchiometrischen Gas-Luft-Gemisch vermengt hat. Das teilweise homogenisierte Gemisch wird über eine Zündkerze entflammt. Das verbrannte heiße Gas strömt aufgrund einer Drucküberhöhung über die kommunizierende Übertrittsöffnung (Steigkanal) in den Brennraum der Brennkraftmaschine und bringt diesen zur Entflammung.
Nachteilig an derartigen Systemen ist einerseits eine Neigung zur Rußentstehung in den sogenannten Schadvolumina, das sind jene Volumina, in welchen die Durchmischung nur unzureichend erfolgt, und andererseits eine starke thermische Beanspruchung der Elektroden der Zündkerze durch heiße Verbrennungsgase.
Vorkammersysteme mit Leiteinrichtungen sind aus dem Stand der Technik bekannt und dienen unterschiedlichen Zwecken (siehe zum Beispiel US 4,467,759 oder US 4,095,565). Aufgabe der Erfindung ist es, die Lebensdauer der Zündkerze bei gattungsgemäßen Vorkammersystemen bzw. Brennkraftmaschinen zu verlängern.
Diese Aufgabe wird durch ein Vorkammersystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. eine Brennkraftmaschine mit einem derartigen Vorkammersystem gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Die Anordnung der Leiteinrichtung benachbart zur Einmündungsöffnung für den gasförmigen Brennstoff derart, dass im Betrieb durch die Leiteinrichtung im Bereich der Elektrode der Zündkerze eine Reduktion des Volumenstromes von über den Steigkanal in die Vorkammer gelangenden heißen Gases erfolgt, bewirkt eine Verlängerung der Lebensdauer der Zündkerze, da so der Wärmeeintrag auf die Elektrode der Zündkerze abnimmt und eine kühlere Elektrode eine verlängerte mittlere Zündkerzenlebensdauer zur Folge hat.
Wenn vorgesehen ist, dass zwischen der Zündkerze und der Leiteinrichtung eine Bohrung in der Wandung der Vorkammer angeordnet ist, über welche jene Teilvolumen der Vorkammer, das sich zwischen der Zündkerze und der Leiteinrichtung befindet, mit dem Gaskanal in Verbindung steht, kann kühles Frischgas, welches von der Gaseinbringungseinrichtung in den Gaskanal eingebracht wird und über die Bohrung in das Teilvolumen gelangt, direkt an der Elektrode der Zündkerze vorbeiströmen, was diese aktiv kühlt. Außerdem wird eine erhöhte Rußbildung verhindert.
Ist vorgesehen, dass sich die Leiteinrichtung zwischen der Einmündungsöffnung des Gaskanals und dem Steigkanal befindet, so kann auch ohne eine Bohrung in der Wandung der Vorkammer sichergestellt werden, dass kühles Frischgas aus dem Gaskanal über die Elektrode der Zündkerze streicht. In diesem Fall sollte aber die Leiteinrichtung eine Durchgangsöffnung aufweisen, welche die Einmündungsöffnung des Gaskanals und den Steigkanal verbindet. So wird sichergestellt, dass aus dem Gaskanal austretendes Frischgas ungehindert in die Vorkammer einströmen kann. Durch eine Ausrichtung der Durchgangsöffnung zum Gaskanal hin kann während der Verdichtungsphase vor der Verbrennung ein Einströmen des mageren Gas-Luft- Gemisches in das Schadvolumen vor und im Gaskanal unterstützt werden, was zu einer besseren Homogenisierung mit Frischgas führt und so Rußentstehung im Schadvolumen reduziert.
Grundsätzlich kann vorgesehen sein, dass die Leiteinrichtung einstückig mit der Wandung der Vorkammer ausgebildet ist.
Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Leiteinrichtung an der Wandung der Vorkammer befestigt ist. Zu diesem Zweck kann die Leiteinrichtung einen ringförmigen Abschnitt aufweisen, über welchen sie an der Wandung der Vorkammer befestigt, zum Beispiel eingepresst oder eingelegt ist.
Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine handelt es sich insbesondere um eine stationäre Brennkraftmaschine, vorzugsweise einen - insbesondere stationären - Gas- Otto-Motor.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich anhand der Figuren sowie der dazugehörigen Figurenbeschreibung. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Schnittdarstellung durch ein erfindungsgemäßes Vorkammersystem,
Fig.2a bis 2c drei Ausführungsbeispiele der Erfindung, wobei die Variante der
Figur 2a jener der Figur 1 entspricht,
Fig. 3a und 3b Darstellungen der Strömungsverhältnisse in einem erfindungsgemäßen Vorkammersystem anhand des
Ausführungsbeispiels der Figur 2c und
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines Details der Figur 2b.
In Figur 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Vorkammersystems 1 gezeigt. Die Vorkammer 2 wird dabei durch eine Wandung 3 gebildet und ist über einen Steigkanal 8 mit einem nicht dargestellten Brennraum einer Brennkraftmaschine verbindbar bzw. im Montagezustand verbunden. Der Steigkanal 8 mündet asymmetrisch in die Vorkammer 2 ein, wodurch sichergestellt wird, dass sich eine sogenannte Tumble-Strömung 14 ausbildet (siehe Figur 3b). In Schacht 4' kann eine in Figur 1 nicht dargestellte Zündkerze 4 (siehe aber die Figur 3) in das Vorkammersystem 1 eingesetzt werden. Ein Gaskanal 7 verbindet eine in Figur 1 nicht dargestellte Einbringungseinrichtung 5 (siehe aber Figur 2a) über eine Einmündungsöffnung 6 mit der Vorkammer 2. Im Vorkammersystem 1 ist benachbart zur Einmündungsöffnung 6 eine Leiteinrichtung 9 angeordnet. Oberhalb der Leiteinrichtung 9 ist eine Bohrung 10 in der Wandung 3 der Vorkammer 2 angeordnet, welche eine Verbindung zum Gaskanal 7 herstellt.
Die Bohrung 10 stellt sicher, dass Frischgas aus dem Gaskanal 7 in den Bereich oberhalb der Leiteinrichtung 9 eindringen kann und durch die Leiteinrichtung 9 zu der in Figur 1 nicht dargestellten Elektrode 13 (siehe Figur 3) der Zündkerze 4 gelangt, um diese aktiv zu kühlen.
In der Figur 2a ist noch einmal das Vorkammersystem 1 der Figur 1 dargestellt, wobei hier aber die Gaseinbringungseinrichtung 5 in Form eines Gasventils erkennbar ist.
In der Variante nach Figur 2b ist die Leiteinrichtung 9 nicht einstückig mit der Wandung 3 der Vorkammer 2 ausgebildet, so wie dies in den Figuren 1 und 2a der Fall ist. In diesem Ausführungsbeispiel (und auch im Ausführungsbeispiel der Figur 2c) ist die Leiteinrichtung 9 an der Wandung 3 der Vorkammer 2 befestigt. Zu diesem Zweck weist die Leiteinrichtung 9 einen ringförmigen Abschnitt 11 auf, über welchen sie an der Wandung 3 der Vorkammer geklemmt (Variante der Figur 2b) bzw. eingepresst (Variante der Figur 2c) ist.
Ein weiterer Unterschied zwischen den Varianten der Figuren 2b und 2c und jener der Figuren 1 und 2a besteht darin, dass in den Varianten der Figuren 2b und 2c die Leiteinrichtung 9 zwischen der Einmündungsöffnung 6 des Gaskanals 7 und dem Steigkanal 8 angeordnet ist. So kann die in Figur 1 und 2a dargestellte zusätzliche Bohrung 10 entfallen. Um aber sicherzustellen, dass genügend Frischgas in die Vorkammer 2 einströmen kann, ist die Leiteinrichtung 9 mit einer Durchgangsöffnung 12 versehen. Die sich so ergebenden Strömungsverhältnisse in Bezug auf das Frischgas sind in Figur 3a bezüglich der Variante der Figur 2c dargestellt. Die Strömung 15 von über die Gaseinbringungseinrichtung 5 in den Gaskanal 7 eingebrachten Frischgas zeigt sich in einer Teilströmung 15a auf, welche über die Elektrode 13 der Zündkerze 4 strömt und in eine Teilströmung 15b, welche durch die Durchgangsöffnung 12 in die Vorkammer 2 einströmt.
Zu beachten ist, dass in der Figur 3a die Spülphase und in der Figur 3b die Kompressionsphase (Verdichtungstakt) der Brennkraftmaschine dargestellt ist.
Figur 4 zeigt eine perspektivische Ansicht des ringförmigen Abschnitts 11 samt Leiteinrichtung 9 für jene Ausführungsbeispiele, wo die Leiteinrichtung 9 an der Wandung 3 der Vorkammer 2 befestigt und nicht einstückig mit der Vorkammer 2 ausgebildet ist.

Claims

Patentansprüche
1. Vorkammersystem (1 ) für eine Brennkraftmaschine, mit:
einer eine Wandung (3) aufweisenden Vorkammer (2),
einer wenigstens eine Elektrode (13) aufweisenden Zündkerze (4), einer Gaseinbringungseinrichtung (5), insbesondere ein Gasventil, einem die Gaseinbringungseinrichtung (5) mit der Vorkammer (2) über eine Einmündungsöffnung (6) verbindenden Gaskanal (7), einem Steigkanal (8) zum Verbinden der Vorkammer (2) mit einem
Brennraum der Brennkraftmaschine,
einer Leiteinrichtung (9) zur Beeinflussung der Strömung des Gases in der Vorkammer (2),
dadurch gekennzeichnet, dass die Leiteinrichtung (9) benachbart zur Einmündungsöffnung (6) derart angeordnet ist, dass im Betrieb durch die Leiteinrichtung (9) eine Reduktion des an die Elektrode (13) der Zündkerze 4 gelangenden Volumenstromes heißen Gases erfolgt, welches über den Steigkanal (8) in die Vorkammer (2) einströmt.
2. Vorkammersystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daos zwischen der Zündkerze (4) und der Leiteinrichtung (9) eine Bohrung (10) in der Wandung (3) der Vorkammer (2) angeordnet ist, über welche jenes Teilvolumen der Vorkammer (2), das sich zwischen der Zündkerze (4) und der Leiteinrichtung (9) befindet, mit dem Gaskanal (7) in Verbindung steht.
3. Vorkammersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiteinrichtung (9) benachbart zur Einmündungsöffnung (6) angeordnet ist.
4. Vorkammersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiteinrichtung (9) als etwa rechtwinklig zur Vorkammerachse in die Vorkammer (2) hinein ragender Vorsprung ausgebildet ist.
5. Vorkammersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Leiteinrichtung (9) zwischen der Einmündungsöffnung (6) des Gaskanals (7) und der Zündkerze (4) in die Vorkammer (2) hinein erstreckt.
6. Vorkammersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Leiteinrichtung (9) zwischen der Einmündungsöffnung (6) des Gaskanals (7) und dem Steigkanal (8) befindet, und eine die Einmündungsöffnung (6) und den Steigkanal (8) verbindende Durchgangsöffnung (12) aufweist.
7. Vorkammersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiteinrichtung (9) einstückig mit der Wandung (3) der Vorkammer (2) ausgebildet ist.
8. Vorkammersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiteinrichtung (9) an der Wandung (3) der Vorkammer (2) befestigt ist.
9. Vorkammersystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiteinrichtung (9) einen ringförmigen Abschnitt (1 1 ) aufweist, über welchen sie an der Wandung (3) der Vorkammer (2) befestigt - vorzugsweise eingepresst oder eingelegt - ist.
10. Vorkammersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaskanal (7) zumindest bereichsweise in der Nähe der Wandung (3) der Vorkammer (2) verläuft und sich die Leiteinrichtung (9) in Höhe des Gaskanals (7) in die Vorkammer (2) hinein erstreckt.
1 1. Brennkraftmaschine mit einem Vorkammersystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Steigkanal (8) des Vorkammersystems (1) mit einem Brennraum der Brennkraftmaschine verbunden ist.
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