EP4115064A1 - Fremd gezündete hubkolben-brennkraftmaschine mit einem vorkammerzündsystem - Google Patents

Fremd gezündete hubkolben-brennkraftmaschine mit einem vorkammerzündsystem

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EP4115064A1
EP4115064A1 EP21704210.0A EP21704210A EP4115064A1 EP 4115064 A1 EP4115064 A1 EP 4115064A1 EP 21704210 A EP21704210 A EP 21704210A EP 4115064 A1 EP4115064 A1 EP 4115064A1
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EP
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internal combustion
combustion engine
ignition system
housing
chamber
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EP21704210.0A
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Daniel Taterra
Erik Schaefer
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Bayerische Motoren Werke AG
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Bayerische Motoren Werke AG
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T13/00—Sparking plugs
    • H01T13/54—Sparking plugs having electrodes arranged in a partly-enclosed ignition chamber
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02B19/00—Engines characterised by precombustion chambers
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to an externally ignited reciprocating internal combustion engine with a prechamber ignition system with the features from the preamble of claim 1.
  • an ignition device for igniting fuel-air mixtures in a combustion chamber of an internal combustion engine by means of a corona discharge is known, with an ignition electrode, an outer conductor surrounding the ignition electrode, which has a front and a rear end and with one between the ignition electrode and the outer conductor arranged electrical insulator, from which at least one tip of the ignition electrode protrudes.
  • the at least one tip of the ignition electrode lies in a space which is shielded by a cap assigned to the insulator, which has an inside facing the insulator and an outside facing away from the insulator, as well as one or more holes through which the shielded space and one on the outside The space lying on the cap, the combustion chamber, is in communication.
  • a spark plug for igniting a combustible gas mixture in an internal combustion engine comprising: an ignition electrode, an electrical supply line to which the ignition electrode is connected, an insulator body through which the supply line is passed, a housing head which sits sealingly on the insulator body and an external thread for screwing into an internal combustion engine, a tubular housing which is fastened to the housing head, surrounds the insulator body and carries a hexagon, the tubular housing having a Surrounds the insulator body holder, which is welded to the housing head via a weld seam and presses the insulator body against the housing head with a pretension.
  • a spark plug is also known from the German patent application DE 102016206992 A1.
  • the spark plug is in particular a prechamber spark plug with a housing, an ignition electrode and a ground electrode, the ignition electrode being able to be subjected to an electrical voltage via a supply line and the supply line running at least partially within an insulator, with at least one discharge area of the housing is made of a material with a thermal conductivity of over 150 W / mK.
  • Passive and active prechamber spark plug variants have a certain number of openings for the flames to pass into the combustion chamber in their lids and they differ primarily in the number of openings, their diameter and their orientation.
  • the object of the present invention is to provide a measure with which the ignitability of a prechamber ignition system can be ensured in a low load and / or speed range of an internal combustion engine and the exhaust gas temperatures can be lowered.
  • a ratio of less than 150 leads to slower combustion in the combustion chambers of the internal combustion engine, which is not sufficient for lowering the exhaust gas temperature at a liter output of 120 kW / i.
  • the volume is understood to be the volume of the prechamber ignition system, the jet cross section is defined as the sum of the cross sections of all openings in the cover of the prechamber ignition system towards the combustion chamber.
  • the jets that emerge from the pre-chamber ignition system during combustion have the greatest penetration depth into the combustion chamber, which leads to rapid combustion.
  • the faster the combustion the faster possible knocking pockets are ignited.
  • the exhaust gas temperature drops in an advantageous manner. It has been found to be particularly advantageous if the opening in the cover consists of at least three partial openings, then the penetration depth of the combustion jets into the combustion chamber is particularly great for reliable ignition of the fuel / air mixture.
  • Fig. 1 shows a section through an antechamber ignition system.
  • FIG. 1 shows a section through a prechamber ignition system 1 for an externally ignited floating piston internal combustion engine with a housing 2, which in this exemplary embodiment is formed radially on the outside by a cylinder head material of a cylinder head 3 of the floating piston internal combustion engine.
  • An ignition device 4 is arranged in the prechamber ignition system 1 and projects into a flea space 5 in the housing 2.
  • a spark plug, a corona ignition system or some other ignition device for externally ignited internal combustion engines can be provided as the ignition device.
  • the flea chamber 5 is covered by a cover 7 on the side facing away from the ignition device 4, opposite a combustion chamber 6 of the floating piston internal combustion engine.
  • the cover 7 has at least one first opening 8 which connects the flea chamber 5 and the combustion chamber 6 to one another in a gas-carrying manner.
  • two openings 8 can be seen. These openings 8 can be bores in the cover 7, for example.
  • the cover 7 itself can be connected to the cylinder head 3 in a material and / or form-fitting manner.
  • a fuel injector 9 can be seen in FIG. 1, with which fuel can be introduced into the combustion chamber 6 of the floating piston internal combustion engine in order to produce a combustible fuel / air mixture in the combustion chamber 6.
  • the housing 2 or the flea space 5 have a volume and the at least one opening 8 has a jet cross section, the ratio of volume to jet cross section being greater than 100 and less than 300, in particular is greater than 150 and less than 220.
  • the opening 8 is preferably formed by at least three individual openings.
  • a cavity 5 of an antechamber ignition system 1 has, for example, a volume V of 1848 mm 3 and is provided with eight openings 8 in the form of bores with a diameter D of 1.3 mm each.
  • the embodiment of the prechamber ignition system 1 according to the invention can be used both for passive prechamber ignition systems, as shown here, and for active prechamber ignition systems with their own introduction of fuel into the cavity 5.
  • the housing 2 can also be formed as a separate housing 2, which is introduced into the cylinder head 3, instead of the cylinder head material.

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Abstract

Fremd gezündete Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem Vorkammerzündsystem mit einem Gehäuse, welches in einem Zylinderkopf der Hubkolben- Brennkraftmaschine verbaubar ist und in dem eine Zündvorrichtung angeordnet ist, die in einen Hohlraum in dem Gehäuse ragt, wobei der Hohlraum gegenüber einem Brennraum der Hubkolben-Brennkraftmaschine von einem Deckel abgedeckt ist, wobei der Deckel zumindest einen ersten Durchbruch aufweist, der den Hohlraum und den Brennraum Gas führend miteinander verbindet, wobei das Gehäuse ein Volumen und der zumindest eine Durchbruch einen Strahlquerschnitt aufweist und das Verhältnis Volumen zu Strahlquerschnitt größer als (100) und kleiner als (300), insbesondere größer als (150) und kleiner als (220) ist. Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Vorkammerzündsystems werden die Zündung eines Kraftstoff-/Luftgemisches in dem Vorkammerzündsystem bei niedriger Last und/oder Drehzahl der Brennkraftmaschine wesentlich verbessert und gleichzeitig die Abgastemperaturen abgesenkt.

Description

Fremd gezündete Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem Vorkammerzündsystem
Die Erfindung betrifft eine fremd gezündete Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem Vorkammerzündsystem mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Zum technischen Umfeld wird beispielsweise auf die deutsche Offenlegungsschrift DE 102014 111 897 A1 hingewiesen. Aus dieser ist eine Zündeinrichtung zum Zünden von Brennstoff-Luft-Gemischen in einer Brennkammer eines Verbrennungsmotors mittels einer Corona-Entladung bekannt, mit einer Zündelektrode, einen die Zündelektrode umgebenden Außenleiter, welcher ein vorderes und ein hinteres Ende hat und mit einem zwischen der Zündelektrode und dem Außenleiter angeordneten elektrischen Isolator, aus welchem wenigstens eine Spitze der Zündelektrode herausragt. Die wenigstens eine Spitze der Zündelektrode liegt in einem Raum, der durch eine dem Isolator zugeordnete Kappe abgeschirmt ist, die eine dem Isolator zugewandte Innenseite und eine dem Isolator abgewandte Außenseite sowie eines oder mehrere Löcher hat, durch welche der abgeschirmte Raum mit einem auf der Außenseite der Kappe liegenden Raum, der Brennkammer, in Verbindung steht.
Weiter ist aus der internationalen Patentanmeldung mit der internationalen Veröffentlichungsnummer WO 2008/031482 A2 eine Zündkerze zum Zünden eines brennbaren Gasgemisches beim Verbrennungsmotor bekannt, umfassend: eine Zündelektrode, eine elektrische Versorgungsleitung, an welche die Zündelektrode angeschlossen ist, einen Isolatorkörper, durch den die Versorgungsleitung hindurchgeführt ist, ein Gehäusekopf, der dichtend auf dem Isolatorkörper sitzt und ein Außengewinde zum Einschrauben in einen Verbrennungsmotor, ein Rohrgehäuse, das an dem Gehäusekopf befestigt ist, den Isolatorkörper umgibt und einen Sechskant trägt, wobei das Rohrgehäuse eine Isolatorkörper-Halterung umgibt, die über eine Schweißnaht mit dem Gehäusekopf verschweißt ist und den Isolatorkörper mit einer Vorspannung gegen den Gehäusekopf presst.
Zum weiteren technischen Umfeld wird ferner auf die deutsche Offenlegungsschrift DE 102016 120984 A1 hingewiesen. Aus dieser Offenlegungsschrift ist eine Vorkammerzündkerze für eine mit Gas betriebene Brennkraftmaschine und ein Verfahren zu deren Herstellung bekannt.
Weiter ist aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 102016206992 A1 eine Zündkerze bekannt. Bei der Zündkerze handelt es sich insbesondere um eine Vorkammerzündkerze, mit einem Gehäuse, einer Zündelektrode und einer Masseelektrode, wobei die Zündelektrode über eine Versorgungsleitung mit einer elektrischen Spannung beaufschlagbar ist und wobei die Versorgungsleitung zumindest teilweise innerhalb eines Isolators verläuft, wobei zumindest ein Ableitungsbereich des Gehäuses aus einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von über 150 W/mK hergestellt ist.
Passive und aktive Vorkammerzündkerzen-Varianten weisen eine gewisse Anzahl von Durchbrüchen zum Durchtritt der Flammen in den Brennraum in ihren Deckeln auf und sie unterscheiden sich vor allem in der Anzahl der Durchbrüche, deren Durchmesser und deren Ausrichtung.
Im Hinblick auf einen Lambda=1 (stöchiometrischen) Betrieb der Brennkraftmaschine im gesamten Kennfeld ist es entscheidend, die Abgastemperatur vor der Turbine eines Abgasturboladers sowie die Abgastemperatur im Katalysator zu senken um thermische Bauteilschäden zu vermeiden. Nachteilig an diesen bekannten Vorkammerzündsystemen ist, dass im niedrigen Last- und/oder Drehzahlbereich einer Brennkraftmaschine kein oder kaum ein ausreichender Gasaustauch innerhalb des Vorkammerzündsystems stattfindet, sodass in diesen Last-und/oder Drehzahlbereichen eine sichere Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches nicht immer gewährleistet ist. Auch eine Absenkung der Abgastemperaturen ist für einen stöchiometrischen Betrieb zum Bauteilschutz anzustreben.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Maßnahme aufzuzeigen, mit der die Zündfähigkeit eines Vorkammerzündsystems in einem niedrigen Last- und/oder Drehzahlbereich einer Brennkraftmaschine sichergestellt und die Abgastemperaturen abgesenkt werden können.
Diese Aufgabe wird durch das Merkmal im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist in dem Unteranspruch beschrieben.
Erfindungsgemäß sollte das Verhältnis des Volumens (= Hohlraum) des Vorkammerzündsystems / Strahlquerschnitt [mm3/mm2] zwischen 100 und 300 liegen, bevorzugt größer 150 und kleiner 220 sein. Ein Verhältnis von unter 150 führt zu einer verlangsamten Verbrennung in den Brennräumen der Brennkraftmaschine, welche nicht ausreichend für die Senkung der Abgastemperatur bei einer Literleistung von 120 kW/i ist. Unter dem Volumen versteht man das Volumen des Vorkammerzündsystems, der Strahlquerschnitt definiert sich als die Summe der Querschnitte aller Durchbrüche im Deckel des Vorkammerzündsystems zum Brennraum hin.
Liegt das Verhältnis von Volumen / Strahlquerschnitt [mm3/mm2] zwischen 150 - 220 so haben die Brennstrahlen (Jets) die aus dem Vorkammerzündsystem bei einer Verbrennung hervortreten die größte Eindringtiefe in den Brennraum welches zu einer schnellen Verbrennung führt. Je schneller die Verbrennung desto schneller werden auch mögliche Klopfnester entflammt. Zudem sinkt die Abgastemperatur in vorteilhafter Weise. Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn der Durchbruch im Deckel aus zumindest drei Teildurchbrüchen besteht, dann ist die Eindringtiefe der Brennstrahlen (Jets) in den Brennraum besonders groß, für eine sichere Entzündung des Kraftstoff-/Luft-Gemisches.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels kurz erläutert.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch ein Vorkammerzündsystem.
Figur 1 zeigt einen Schnitt durch ein Vorkammerzündsystem 1 für eine fremd gezündete Flubkolben-Brennkraftmaschine mit einem Gehäuse 2, welches in diesem Ausführungsbeispiel radial außen von einem Zylinderkopfmaterial eines Zylinderkopfes 3 der Flubkolben-Brennkraftmaschine gebildet ist. In dem Vorkammerzündsystem 1 ist eine Zündvorrichtung 4 angeordnet ist, die in einen Flohlraum 5 in dem Gehäuse 2 ragt. Als Zündvorrichtung kann beispielsweise eine Zündkerze, ein Corona-Zündsystem oder eine sonstige Zündvorrichtung für fremd gezündete Brennkraftmaschinen vorgesehen werden.
Weiter ist der Flohlraum 5 auf der, der Zündvorrichtung 4 abgewandten Seite gegenüber einem Brennraum 6 der Flubkolben-Brennkraftmaschine von einem Deckel 7 abgedeckt. Der Deckel 7 weist zumindest einen ersten Durchbruch 8 auf, der den Flohlraum 5 und den Brennraum 6 Gas führend miteinander verbindet. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind zwei Durchbrüche 8 erkennbar. Diese Durchbrüche 8 können beispielsweise Bohrungen in dem Deckel 7 sein. Der Deckel 7 kann selber Stoff- und/oder formschlüssig mit dem Zylinderkopf 3 verbunden sein.
Weiter ist in Fig. 1 ein Kraftstoffinjektor 9 erkennbar, mit dem Kraftstoff in den Brennraum 6 der Flubkolben-Brennkraftmaschine zur Darstellung eines brennbaren Kraftstoff-/Luftgemisches in dem Brennraum 6 einbringbar ist.
Erfindungsgemäß weisen das Gehäuse 2 bzw. der Flohlraum 5 ein Volumen und der zumindest eine Durchbruch 8 einen Strahlquerschnitt auf, wobei das Verhältnis von Volumen zu Strahlquerschnitt größer als 100 und kleiner als 300, insbesondere größer als 150 und kleiner als 220 ist. In bevorzugterWeise ist der Durchbruch 8 von zumindest drei Einzeldurchbrüchen gebildet.
Beispiel:
Ein Hohlraum 5 eines Vorkammerzündsystems 1 hat beispielsweise ein Volumen V von 1848 mm3 und ist mit acht Durchbrüchen 8 in Form von Bohrungen mit einem Durchmesser D von je 1 ,3 mm versehen.
Die Rechnung lautetet:
Verhältnis = V [mm3] / (D2 * pi/4) [mm2] * Anzahl Durchbrüche = 1848 [mm3] / (1 ,32 * 3,14/4) [mm2] * 8 = 1848 [mm3] / 10,6 [mm2]
= 174,3 [mm]
Abschließend sei noch gesagt, dass die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Vorkammerzündsystems 1 sowohl für passive Vorkammerzündsysteme, wie hier dargestellt, als auch für aktive Vorkammerzündsysteme, mit eigener Einbringung von Kraftstoff in den Hohlraum 5, eingesetzt werden kann.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das Gehäuse 2 anstelle von dem Zylinderkopfmaterial gebildet, auch als ein separates Gehäuse 2, welches in den Zylinderkopf 3 eingebracht wird, dargestellt werden.
Bezugszeichenliste
1. Vorkammerzündsystem
2. Gehäuse
3. Zylinderkopf
4. Zündvorrichtung
5. Hohlraum
6. Brennraum
7. Deckel
8. Durchbruch
9. Kraftstoffinjektor

Claims

Ansprüche
1. Fremd gezündete Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem Vorkammerzündsystem (1) mit einem Gehäuse (2), welches in einem Zylinderkopf (3) der Hubkolben-Brennkraftmaschine verbaubar ist und in dem eine Zündvorrichtung (4) angeordnet ist, die in einen Hohlraum (5) in dem Gehäuse (2) ragt, wobei der Hohlraum (5) gegenüber einem Brennraum (6) der Hubkolben-Brennkraftmaschine von einem Deckel (7) abgedeckt ist, wobei der Deckel (7) zumindest einen ersten Durchbruch (8) aufweist, der den Hohlraum (5) und den Brennraum (6) Gas führend miteinander verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) ein Volumen und der zumindest eine Durchbruch (8) einen Strahlquerschnitt aufweist und das Verhältnis Volumen zu Strahlquerschnitt größer als 100 und kleiner als 300, insbesondere größer als 150 und kleiner als 220 ist.
2. Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Durchbruch (8) von zumindest drei Einzeldurchbrüchen gebildet ist.
EP21704210.0A 2020-03-05 2021-02-04 Fremd gezündete hubkolben-brennkraftmaschine mit einem vorkammerzündsystem Withdrawn EP4115064A1 (de)

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