WO2014191085A1 - Vorkammer-zündkerze und gasmotor - Google Patents

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WO2014191085A1
WO2014191085A1 PCT/EP2014/001327 EP2014001327W WO2014191085A1 WO 2014191085 A1 WO2014191085 A1 WO 2014191085A1 EP 2014001327 W EP2014001327 W EP 2014001327W WO 2014191085 A1 WO2014191085 A1 WO 2014191085A1
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WO
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spark plug
chamber
housing
prechamber
channel
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PCT/EP2014/001327
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English (en)
French (fr)
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Anko Ernst
Frederik HAHN
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MTU Friedrichshafen GmbH
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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
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B19/00—Engines characterised by precombustion chambers
    • F02B19/10—Engines characterised by precombustion chambers with fuel introduced partly into pre-combustion chamber, and partly into cylinder
    • F02B19/1004—Engines characterised by precombustion chambers with fuel introduced partly into pre-combustion chamber, and partly into cylinder details of combustion chamber, e.g. mounting arrangements
    • F02B19/1009—Engines characterised by precombustion chambers with fuel introduced partly into pre-combustion chamber, and partly into cylinder details of combustion chamber, e.g. mounting arrangements heating, cooling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B19/00—Engines characterised by precombustion chambers
    • F02B19/12—Engines characterised by precombustion chambers with positive ignition
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M57/00—Fuel-injectors combined or associated with other devices
    • F02M57/06—Fuel-injectors combined or associated with other devices the devices being sparking plugs
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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
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    • H01T13/40—Sparking plugs structurally combined with other devices
    • 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 a pre-chamber spark plug according to the preamble of claim 1 and a gas engine according to the preamble of claim 11.
  • a conflict of interest between high efficiency on the one hand and low pollutant emission on the other hand comes to the fore.
  • a fresh charge supplied to a combustion chamber of the gas engine is heavily emaciated.
  • the resulting loss of power can be at least partially offset by charging again. It turns out, however, that it is very difficult, especially for large gas engines, to safely ignite the heavily leaned mixture in the combustion chamber. To remedy this problem, it is possible to divide the combustion chamber into a main combustion chamber on the one hand and an antechamber on the other hand.
  • pre-chamber spark plugs which have a housing with a wall which is penetrated by at least one firing channel.
  • the wall encloses an antechamber, which has a much smaller volume than the main combustion chamber.
  • An ignition device is provided, which is designed to ignite an ignitable mixture arranged in the pre-chamber. It can be differentiated between rinsed atria and unsprayed atria. In particular, unsprayed atria are regularly integrated with the spark plug as
  • Prechamber spark plug formed, wherein the gas engine has an integrated pre-chamber spark plug.
  • fresh gas is forced out of the main combustion chamber via the at least one firing channel into the prechamber.
  • Ignition device is sufficient to secure the mixture present in the prechamber
  • the inflamed mixture shoots in the form of a so-called Zündfackel on the at least one firing channel in the main combustion chamber and ignites there with an increased by the energy of the burned in the pre-chamber mixture ignition energy and the Mixture in the main chamber.
  • sufficient ignition energy is also available for safe ignition of the mixture in the main combustion chamber.
  • rinsed pre-chambers are often not integrated with the spark plug, so not formed as a pre-chamber spark plug, but part of the cylinder or a
  • Cylinder head through which the main combustion chamber - seen in the longitudinal direction of the cylinder - the piston opposite is completed.
  • the purged prechamber is supplied via a separate fuel gas supply fuel gas, whereby the mixture is locally enriched in the prechamber.
  • the correspondingly rich mixture is ignited by means of the ignition device in the antechamber and shoots as Zündfackel through the at least one shot channel in the main combustion chamber, where now the much leaner mixture can be safely inflamed.
  • a purged or an unsprayed prechamber depends on the size of the gas engine. Due to the separate fuel gas supply, a purged prechamber requires a significantly larger space than an unsprayed pre-chamber, which can be realized much more compact. Especially with medium or small gas engines, therefore, the concept of the rinsed pre-chamber is hardly used. On the other hand, it can be seen that the gain effect of the ignition energy provided by the ignition device, which can be achieved with unsprayed prechambers, is limited, above all, by the compact design of such prechambers. At the same time, the lean mixture from the main combustion chamber, which is further emaciated and rendered inert by the residual gas remaining in the pre-chamber, limits the maximum achievable
  • Prechamber volume at unspurged antechambers is therefore not sufficient for larger gas engines, especially for large engines.
  • German Offenlegungsschrift DE 101 33 190 A1 discloses a prechamber spark plug in which the housing is penetrated by a feed channel which at a first end into the prechamber and at a second end outside the housing into a feed device for a richer fuel empties.
  • the feed channel extends in the housing over a very short distance substantially obliquely. He has a large diameter compared to its length.
  • a valve is used, with which one of
  • Pre-chamber supplied amount of enrichment fuel can be controlled. Based on the volume of the pre-chamber, the feed channel comprises a not inconsiderable amount of space, estimated at about 40% of the prechamber volume. Due to the relatively large Diameter of the channel, it is possible that flames from the main combustion chamber and the antechamber in the feed channel and ultimately also in the supply device strike back, which is why a flame filter must be provided in this. It also turns out that a considerable amount of residual gas can be forced into the relatively large volume of the channel, so that it is necessary to flush the channel regularly with purge gas or air.
  • the invention has for its object to provide a pre-chamber spark plug and a gas engine, which do not have the disadvantages mentioned.
  • the prechamber spark plug should be made as compact as possible and so have the advantages of an unsprayed
  • a prechamber spark plug having the features of claim 1.
  • the supply channel is capillary-shaped, wherein it extends substantially in the longitudinal direction of the prechamber spark plug.
  • the term "capillary-shaped" is based on the fact that the feed channel has a small diameter compared to its length Considerably space can be saved - viewed in the radial direction - the pre-chamber spark plug, which includes the feed channel as an integral part of the housing, can be built so very compact and small, so that they also smaller
  • Gas engines can be used. At the same time, it is possible to lead enrichment fuel into the pre-chamber via the feed channel, so that over a region enrichment of the mixture in the prechamber a larger increase in the ignition energy can be obtained, as is the case with an unspurged antechamber.
  • the feed channel extends substantially in the longitudinal direction does not exclude that it also comprises at least one channel section, which extends in regions substantially in the radial direction or obliquely in the housing. Rather, the extent of the feed channel substantially in the longitudinal direction, that its basic orientation - considered overall - and thus also a flow direction of the Anfettungsbrunstoffs in the
  • Feed channel extend substantially in the longitudinal direction. It is particularly preferred that an extent of the feed channel in the longitudinal direction is greater than an extent in the radial direction. Particularly preferably, the ratio between the extent of the feed channel in the longitudinal direction and its extent in the radial direction is at least 2, wherein it is preferably greater than 2.
  • the longitudinal direction or axial direction is to be understood as meaning a direction which extends in the direction of a longitudinal and preferably also symmetry axis of the prechamber spark plug.
  • a radial direction is a direction perpendicular to the longitudinal direction.
  • a circumferential direction is a direction concentrically surrounding the longitudinal direction.
  • a fuel enrichment fuel gas is preferably used, and thus in particular the same fuel, which is also used for the rest of the operation of the gas engine.
  • the at least one feed channel Due to its capillary shape, the at least one feed channel has a high ratio of a surface to its volume. Therefore, significant amounts of heat over the
  • Feed channel is excluded. On a separate flame filter can be omitted. This is inexpensive and still saves space. Due to the very compact design of the integrated pre-chamber spark plug, it is also possible for a given size of the gas engine, in which the pre-chamber spark plug is used to make the cylinder head smaller and more compact. As a result, space can be saved in the gas engine itself.
  • the prechamber spark plug in a gas engine, the following is apparent:
  • purged prechambers are used from a main combustion chamber defining bore diameter of a cylinder of approximately 200 mm.
  • unspulled antechambers are typically used.
  • open spark plugs without pre-chamber are common.
  • the pre-chamber spark plug proposed here can be advantageously used thanks to the fully integrated design. It is particularly preferably used in a gas engine having a cylinder bore with a
  • Diameter of about 170 mm the available space readily enough to mount the compact, integrated pre-chamber spark plug, this at the same time on the capillary feeding a sufficient enrichment of the mixture in the pre-chamber allows to safely ignite the mixture in the
  • Regeneration fuel increases fuel gas content within the prechamber, thereby improving ignition performance and increasing energy input in the main combustion chamber. This results in an increase in efficiency for the gas engine, in particular by ensuring faster burn through and an increase in the effective mean pressure in the
  • Main combustion chamber is effected. In this way it is possible to use the mixture in the
  • a ratio of the diameter to the length of the at least one feed channel is preferably from at least 0.5% to at most 3%, preferably from at least 1% to at most 2.5%, more preferably 2%.
  • a pre-chamber spark plug is preferred, which is characterized in that it is designed to be arranged in a sleeve, preferably a water sleeve.
  • the housing preferably has an external thread, which is provided for screwing into a corresponding internal thread of the sleeve, in particular the water sleeve.
  • the sleeve is therefore not part of the housing itself, but the fully integrated spark plug, which comprises the housing, is disposed in accordance with the intended use in the sleeve and particularly preferably screwed with this.
  • the sleeve but rather the housing of the spark plug has the at least one capillary-shaped feed channel extending essentially in the longitudinal direction of the pre-chamber spark plug. This is thus fully integrated into the pre-chamber spark plug, resulting in a very compact, integral design.
  • a pre-chamber spark plug which is characterized in that the at least one feed channel has a diameter which amounts to at least 0.5% to at most 10% of a diameter of the prechamber. Typical diameter of
  • Prechambers of the type discussed here are in the range of about 10 mm to 20 mm.
  • the feed channel is therefore very small compared to the pre-chamber. Accordingly, a volume of the at least one feed channel is small in relation to the volume of the prechamber.
  • the diameter of the at least one feed channel is preferably from at least 0.1 mm to at most 1 mm, particularly preferably 0.4 mm. It is possible that the feed channel is made in the housing by drilling. It will, however, also one
  • Embodiment preferred in which the capillary-shaped feed channel is made by erosion. It is readily possible, even in large series feed channels with a diameter of 0.4 mm to a length of up to 50 mm to erode.
  • the at least one feed channel has a very small volume, in particular in relation to the volume of the prechamber.
  • at most a very small proportion of the remaining gas remaining in the pre-chamber can also be forced into the at least one feed channel.
  • This small volume of residual gas is readily blown directly into the antechamber via the feed channel when injecting enrichment fuel. It therefore requires no separate flushing of the feed channel with a purge gas or with air.
  • the enrichment fuel has a high flow velocity in the region of the capillary, thus very thin feed channel, which easily expels the residual gas. Partially blows a flame back into the feed channel, can in the short time, before it is thermally extinguished, only a small amount of soot in the feed channel arise. However, this is so low that the soot, in particular by the high flow rate of Anfettungsbrunstoffs in the very thin feed channel during injection of the
  • Main combustion chamber or the pre-chamber can only be done over a very short time, since the flame is quenched almost directly due to the high surface of the feed channel compared to its volume thermally. If necessary, still emerging soot can be readily expelled in the feed channel on the next injection of fuel richer in the antechamber due to the high flow rate of the Anfettungsbrunstoffs. It is only a very small proportion of residual gas from the antechamber in the
  • An antechamber spark plug is preferred, which is characterized in that the at least one feed channel in the region of the first end to an ignition region in the
  • the prechamber has an ignition region in which essentially the ignition of the mixture present in the prechamber takes place.
  • the antechamber can be a so-called near-ignition location, so a
  • Greasing fuel specifically introduced into the ignition, so here is a safe
  • the feed channel is aligned in the region of its first end such that a
  • Residual gas flow in the antechamber is influenced by the inflowing Anfettungsbrennstoff such that residual gas is discharged via the at least one firing channel in the main combustion chamber.
  • the pre-chamber volume is typically of the order of about 1000 mm 3 to 1600 mm 3 , with about 200 mm 3 of intertimized residual gas thereof. This volume fraction is not insignificant for the ignition in the antechamber.
  • the volume of the main combustion chamber is typically of the order of magnitude of 4 L to 5 L. It is obvious that here a residual gas volume of 200 mm 3 , which is expelled from the antechamber, does not play a significant role in terms of combustion development.
  • the first end of the feed channel is not aligned to the ignition area, but to another area of the pre-chamber, however, that arise in the ignition area by an affected by the enrichment fuel enriched fuel gas ignition conditions .
  • the feed channel is aligned in the region of the first end to at least one area to be cooled.
  • Feed channel is aligned with an insulator of the ignition device, in particular a Isolatorfuß a center electrode, wherein the surface is cooled in an advantageous manner in addition to the enrichment of the mixture in the pre-chamber by the incoming Anfettungsbrennstoff.
  • the targeted metering of the enrichment fuel locally raises the quality of the mixture in the prechamber. While in the main combustion chamber, for example, a lambda value of 1.7 is sought, targeted enrichment in the antechamber will at least
  • This effect can be used in particular to separate the individual cylinders of the gas engine, which preferably comprises several cylinders, with regard to their
  • Performance-disadvantaged cylinders which are supplied, for example, with a small amount of fresh gas compared to other cylinders, can receive an increased proportion of enrichment fuel via the cylinder-specific overblown prechamber, so that the performance-preferred cylinders are equalized.
  • a pressure sensor is preferably provided in at least one cylinder, optionally in each case a cylinder of different cylinder banks of the gas engine, or in each cylinder. It is possible that the pre-chamber spark plug has an integrated pressure sensor. This is a particularly space-saving, efficient and cost-effective solution.
  • the pre-chamber has a central shot channel and a plurality of radially or tangentially aligned shot channels.
  • the central firing channel is typically designed to be enlarged in the case of unsprayed prechambers, in order to be able to introduce as much mixture as possible into the prechamber during the compression stroke of the piston.
  • the charge movement is very high, especially in the ignition range, which is unfavorable for the ignition of the mixture in the prechamber.
  • the targeted, possibly stratified enrichment of the mixture in the prechamber spark plug proposed here it is possible to significantly reduce the central shot channel, which is also referred to as the center hole.
  • the radial or tangential bores or shot channels are functionally strengthened fluid dynamics. The charge movement in the prechamber is evened out and makes it cheaper, especially with regard to the ignition range.
  • pre-chamber spark plug which is characterized in that a
  • a plurality of supply channels along a circumference of the housing is arranged.
  • the plurality of feed channels is preferably distributed symmetrically along the circumference, ie in particular at equal angular distances from one another.
  • an embodiment is preferred in which three feed channels are provided.
  • a plurality of supply channels along a circumference of the housing is arranged.
  • Embodiment preferred in which four supply channels are provided. If three supply channels are provided, these are preferably spaced apart by an angle of 120 °, as viewed in the circumferential direction. Four feed channels are preferably spaced apart by an angle of 90 °. Alternatively, it is also possible to provide an annular gap extending along the circumference of the housing as a feed channel. Even so, a symmetrical supply of Anfettungsbrennstoffs is ensured in the ignition chamber.
  • Housing must have sufficient mechanical stability. It must therefore not be weakened too much by the feed channels. However, since the individual feed channels kapillarfb 'are RMIG and thus very thin, also results in a larger number of feed channels no relevant weakening of the housing.
  • a pre-chamber spark plug which is characterized in that the housing is integrally formed.
  • the at least one feed channel is introduced as a bore preferably by drilling or by erosion in the one-piece housing.
  • the housing preferably has, on an outer circumference, a circumferentially extending distributor groove, via which the enriched fuel supplied by the feed device is distributed to the various feed channels. These lead to the distribution groove. Even if only one feed channel is provided, nevertheless a distributor groove can be provided.
  • this also makes it possible to compensate for an angular offset between the at least one supply channel and a further channel encompassed by the supply device, in that - as seen in the circumferential direction - it can open at any point into the distributor groove, wherein the enriched fuel feeds the at least one feed channel in each case Case reached via the distributor groove. On a precise alignment of the feed channel to the other channel of the feeder can then be dispensed with.
  • a prechamber spark plug is preferred in which the housing is two
  • Housing parts includes.
  • an inner housing part is preferably arranged concentrically in an outer housing part, in particular so that there is an annular gap between the inner housing part and the outer housing part.
  • the feed channel preferably comprises in regions the annular gap arranged between the inner and the outer housing part.
  • Ring gaps in a simple manner by the arrangement of the inner housing part in the outer housing part results.
  • at least one drilled or eroded section of the feed channel is preferably provided, which opens on the one hand into the pre-chamber and on the other hand into the annular gap.
  • the inner housing part and the outer housing part are preferably made with clearance fit to each other, so that the annular gap results.
  • the inner housing part is preferably shrunk onto an element of the ignition device. For this purpose, first the corresponding element of the ignition device in the inner
  • Joining methods connectable to each other, for example by screwing, welding, gluing, soldering, shrinking or in any other suitable manner.
  • An exemplary embodiment of the prechamber spark plug is also preferred, which has a valve device integrated into the housing, by means of which the at least one supply channel can be released in a first functional position and locked in a second functional position.
  • a valve device integrated into the housing, by means of which the at least one supply channel can be released in a first functional position and locked in a second functional position.
  • the pre-chamber spark plug itself has no valve means, but then preferably the supply means - as seen in the flow direction of the Anfettungsbrunstoffs - upstream of the pre-chamber spark plug a Valve means, by which a fluid connection to the antechamber is lockable and releasable.
  • the disadvantage here is the spatial separation between the
  • a reduction of this dead volume also has the advantage that the amount of enrichment fuel to be introduced into the pre-chamber can be metered in a more accurate manner and can also be supplied more precisely in time.
  • valve device is integrated into the housing of the pre-chamber spark plug, the advantages described here result. By then very small dead volume between the
  • Valve device and the mouth of the feed channel into the pre-chamber can be precisely and accurately metered in time small amounts of Anfettungsbrunstoff in the antechamber. At the same time, soot formation in the feed channel is again significantly reduced.
  • valve device With the aid of the valve device, it is possible to select a cylinder of segregating fuel supplied to the individual prechambers in a gas engine which has a plurality of cylinders and thus also a plurality of prechamber spark plugs in a cylinder-selective manner, for example by differences in the supply of enrichment fuel for the individual Equalize pre-chambers or cylinder-specific performance differences. Furthermore, it is possible to design the metering of enrichment fuel into the pre-chamber depending on an operating point of the gas engine. The metered amount of enrichment fuel can also be varied depending on other parameters, in particular parameters of the gas engine.
  • the valve device preferably has an actuator and an actuatable by the actuator locking member.
  • the locking member is preferably operable in a direction perpendicular to a direction of action of gas forces or compressive forces, which act on the locking member by the Anfettungsbrennstoff. Unlike known from the prior art, a lifting movement of the locking member is thus not effected in the effective direction of these compressive forces, but perpendicular thereto.
  • the actuator does not have to be against the
  • Actuator is annular. It is preferably arranged in an annular space between the housing and the ignition device arranged radially inside the housing, particularly preferably in a heat shrinkage zone. In this way, it is very space-saving possible to integrate the actuator in the pre-chamber spark plug.
  • the blocking member is annular, wherein it is preferably in the annulus between the housing and the radially arranged inside the housing ignition device, preferably in the heat shrink zone, is arranged.
  • the locking member preferably cooperates with a plurality - viewed in the circumferential direction - arranged in the housing feed channels, where it can open and lock by a lifting movement perpendicular to the extension of a channel portion with which the actuator cooperates.
  • the small stroke of the locking member and the actuator also has the advantage that a particularly accurate and fine dosage of Anfettungsbrunstoffs is possible.
  • the actuator is designed as a piezoelectric element. It is possible due to the only small, required for the stroke of the actuator force to use a simple piezoelectric element without power amplification and without Hubverstärkung.
  • the valve device is thus simple, inexpensive and extremely space-saving design.
  • a pre-chamber spark plug is also preferred, which is characterized in that the ignition device comprises a center electrode extending in the longitudinal direction and at least one ground electrode spaced radially from the center electrode. Between the at least one ground electrode and the center electrode, a spark gap is formed.
  • the at least one ground electrode - seen in the circumferential direction - surrounds the center electrode.
  • the center electrode is substantially cylindrical.
  • the ground electrode is formed as a ring, which surrounds the center electrode along its circumference with a radial distance, so that the ignition gap is formed in the region of the radial distance.
  • the ground electrode it is possible for the ground electrode to comprise a plurality of electrode segments, which are preferably arranged symmetrically around the center electrode and which are likewise provided at a radial distance from the center electrode, so that here too the spark gap in the radial distance between the electrode segments Ground electrode and the center electrode results.
  • the pre-chamber spark plug is therefore preferred as an electric spark plug with central
  • Center electrode is preferably in the longitudinal direction above the Massenelektrode- in
  • the first end of the at least one feed channel aligned with the spark gap or on the Isolatorfuß out.
  • pre-chamber spark plug possible, in which a wall near ignition position is realized.
  • an embodiment is possible, which is designed as an electric spark plug with near-spark location.
  • pre-chamber spark plug is preferred.
  • the prechamber spark plug is preferred.
  • the at least one, integrated into the housing supply channel is not least part of a cooling concept for the pre-chamber spark plug.
  • a heat dissipation in the region of a pre-chamber spark plug exclusively via the thermal contact of the housing with the wall of the sleeve and / or the cylinder head.
  • the one arranged in the feed channel is not least part of a cooling concept for the pre-chamber spark plug.
  • Regeneration fuel always at a temperature which is lower than the temperature in the pre-chamber, in particular as the temperature at the surface of the Isolatorfußes.
  • the comparatively cool enrichment fuel already contributes to the cooling of the prechamber spark plug in the supply channel, the temperature of which can be lowered permanently during operation by approximately 50 K.
  • Pre-chamber a mixture quality in the range of surfaces of the pre-chamber, in particular surfaces of the electrodes and / or the Isolatorfußes to reduce, so there is a lower conversion during combustion and thus a lower heat input into the
  • the prechamber or prechamber spark plug requires a relatively large installation space in order to ensure sufficient heat dissipation via the thermal contact with the cylinder head.
  • the additional cooling concept which results here by the at least one capillary-shaped feed channel integrated into the housing, allows a space-saving design of the pre-chamber spark plug by the additional cooling power, without the risk of an excessive temperature.
  • the task is finally solved by a gas engine with the characteristics of the
  • the gas engine which is designed as a reciprocating engine, has at least one cylinder, which comprises a main combustion chamber.
  • a piston is added to oscillate.
  • the gas engine has a cylinder head, through which the main combustion chamber - seen in the longitudinal direction of the cylinder - on a piston opposite side is completed.
  • the gas engine is characterized in that in the cylinder head a pre-chamber spark plug according to one of the preceding
  • Embodiments is arranged such that the prechamber is in fluid communication with the main combustion chamber via the at least one shot channel.
  • the gas engine has a cylinder bore with a diameter of at least 130 mm to at most 200 mm, preferably from at least 140 mm to at most 190 mm, preferably from at least 150 mm to at most 180 mm, particularly preferably 170 mm.
  • the advantages of the pre-chamber spark plug which is both very compact and compared to an unspurged pre-chamber spark plug significantly improved increase in the ignition energy allows.
  • a gas engine is preferred, which is characterized in that a sleeve, in particular a water sleeve is arranged in the cylinder head, in which the pre-chamber spark plug is received.
  • the sleeve serves as a water sleeve in particular the isolated, dry arrangement of the pre-chamber spark plug in a volume of the cylinder head flushed by cooling water.
  • the sleeve preferably has at least one channel section as part of the feed fuel feed device in the at least one feed channel of the prechamber spark plug. The Anfettungsbrennstoff is therefore preferably supplied to the feed channel via the sleeve.
  • the cylinder head Since essential parts of the feed fuel supply are integrated on the one hand into the pre-chamber spark plug itself and on the other hand into the sleeve, the cylinder head is only minimally weakened by additional bores. In particular, there is no need for drilling in the region of a combustion deck of the cylinder head in order to supply the enrichment fuel, so that it can be designed to be very stable and permanently load-resistant. It is also preferred a gas engine, which is characterized in that the cylinder head has a cooling area by the water sleeve is arranged. This has a cooling bore through which an outer peripheral surface of the housing of the prechamber spark plug is in fluid communication with the cooling region. The cooling hole complements the previously described
  • Cooling concept of the prechamber spark plug by placing in an outer area of the housing Cooling water can be performed. This is an even smaller training the
  • Control device preferably controllable so that they are in phase relative to a
  • Gas flow in the pre-chamber is such that there is a spatially-geometrically favorable distribution of Anfettungsbrunstoffs in the antechamber.
  • time varying swirl and Tumbleströmungen can be advantageously used by a suitable control of the actuator such that in several
  • Greasing fuel can be reduced because it does not have to be ensured by overdosing that sufficient enrichment fuel is present in the relevant areas. This leads to a total fuel saving. Although in this way a complete homogenization of the mixture in the pre-chamber can not be represented. However, this is not absolutely necessary. Rather, by the on the multiple supply of Anfettungsbrunstoff actively initialized or at least influenced mixing and
  • Reduced mixture qualities, or locally lower mixture qualities are converted by enrichment in better.
  • This in turn can be used to - as already indicated - to throttle the central shot channel or center channel, so that this neither the charge movement in the antechamber nor the deployment of the ignition torches in the
  • the prechamber spark plug preferably has at least one
  • Aligning means for example, a projection or a recess in order to ensure a positonsgenau arrangement relative to the main combustion chamber.
  • Design parameters include the pre-chamber volume, the distribution of the prechamber volume, in particular in a volume part above the ignition position and a volume part below the ignition, a structural design of the Isolatorfußes, a suitable geometric design to form defined swirl and / or TumbleInstitut, and a suitable constructive design of an inner contour of the antechamber.
  • the gas engine, in which the pre-chamber spark plug is used, is preferably used to drive a land, water or aircraft, in particular heavy agricultural machinery, open-pit vehicles or trains come into question. So he can for example in a
  • Railcar or a locomotive can be used. Also a use in a ship is possible. Furthermore, it is possible that the gas engine for stationary applications,
  • Continuous load operation or a peak load operation is provided.
  • the gas engine in a combined heat and power plant.
  • the gas engine in a combined heat and power plant.
  • Gas engine in a stationary environment for driving auxiliary and / or auxiliary equipment, such as fire pumps on a drilling rig, is used.
  • Figure 1 is a schematic representation of a first embodiment of a pre-chamber spark plug
  • Figure 2 is a schematic representation of a second embodiment of a pre-chamber spark plug
  • Figure 3 is a schematic representation of a third embodiment of a pre-chamber spark plug
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a first embodiment of a prechamber spark plug 1.
  • This has a housing 3 with a wall 5, which is referred to by a central shot channel 7, which also referred to as the center hole is, and is penetrated by radial or tangential shot channels 9.
  • the wall 5 encloses an antechamber 11, which in a conventional manner, the increase of the ignition energy, in particular for the operation of a
  • Magergasmotors thus the safe ignition of a very lean fuel-air mixture in a main combustion chamber, not shown, serves a gas engine.
  • the prechamber spark plug 1 has an ignition device 13, which here comprises a center electrode 15 and a mass electrode 17 encompassing this circumference.
  • an ignition region 18 or ignition gap 19 is formed, as viewed in the radial direction.
  • the ground electrode is preferably connected to the ground potential via the housing 3, while to the center electrode 15 via an electrical connection 21 to a predetermined
  • the housing 3 is in the illustrated embodiment by a total of four
  • capillary-shaped feed channels 23 passes through, wherein in the sectional plane shown schematically of Figure 1, two feed channels 23 are shown.
  • the four supply channels 23 are preferably distributed symmetrically along a circumference of the pre-chamber spark plug 1, wherein they each have an angular distance of 90 ° to each other in pairs.
  • a third supply channel arranged here on a side facing the viewer in front of the image plane of Figure 1, while a fourth feed channel is arranged on a side facing away from the viewer behind the image plane of Figure 1.
  • the feed channels open in the region of a first end 25, of which the better
  • the feed channels 23 are capillary-shaped, thus very thin in relation to their length, that is to say they are designed with a very small diameter.
  • the ratio of the diameter to the length of the channels is preferably about 2%. It can also be seen that the feed channels 23 extend substantially in the longitudinal direction of the
  • Prechamber spark plug thus substantially along a vertical direction in Figure 1 direction. This is not precluded that channel sections are formed, which extend in regions substantially in the radial direction or obliquely in the housing 3.
  • the essential basic orientation of the feed channels 23 and the flow direction of the enrichment fuel from the distributor groove 29 into the prechamber 3, however, are vertical in FIG. 1, thus in the longitudinal direction of the prechamber spark plug.
  • the feed channels 23 are in the housing 3, which in the illustrated in Figure 1
  • Embodiment is integrally formed, preferably produced by drilling or more preferably by erosion.
  • feed channels 23 which have a diameter of less than 1 mm, preferably of 0.4 mm, to a length of up to 50 mm.
  • the feed channels 23 are here partially drilled or eroded, with partial through holes were created, which were introduced from an outer engineerssfikiee 31 and from the antechamber 11 ago in the housing 3.
  • These through-holes are closed by plugs 33 at the ends at which intended use of the pre-chamber spark plug 1 is not intended to escape enrichment fuel.
  • supply channels 23 are aligned in the region of the first end 25 in the illustrated embodiment so that the injected into the prechamber 11
  • Anfettungsbrennstoff is directed to a Isolatorfuß 35, which surrounds the center electrode 15. This contributes in particular to the cooling of a surface, in particular a circumferential surface of the insulator foot 35.
  • a surface in particular a circumferential surface of the insulator foot 35.
  • a suitable flow wherein by introducing enrichment fuel, a suitable, especially layered course of mixture qualities in the prechamber 11 can be generated in order to maximize the ignition energy with the lowest possible amount of Anfettungsbrennstoff and a rapid and complete burn-through Ensure shot channels 7, 9.
  • Shot channels 7, 9 emerging Zündfackeln can then be in the not shown
  • Main combustion chamber present, lean mixture safely and as homogeneously inflamed.
  • Ignition gap 19 raised so that there is a safe ignition.
  • an optimum stratification of the mixture qualities around the central spark location is achieved for the combustion.
  • the pre-chamber spark plug has on the housing 3 on an external thread 37, with which it can be screwed into a sleeve, not shown in Figure 1.
  • the sleeve has a corresponding internal thread. 1
  • the pre-chamber spark plug 1 due to its fully integrated design with the capillary feed channels 23, which extend substantially in the longitudinal direction, in particular in the radial direction can be made very compact. It can therefore save space even at medium It may also be possible to make a cylinder head in which the prechamber spark plug 1 is used smaller and more compact than a conventional cylinder head in which a known prechamber spark plug is used.
  • the integrated in the housing 3, capillary feed channels 23 have the advantage that a static of the cylinder head and especially a combustion deck of the same is not affected by additional channels that would otherwise have to be provided for feeding Anfettungsbrennstoff into the pre-chamber 11.
  • the feed channels 23 serve at the same time a cooling concept of the pre-chamber spark plug 1.
  • the existing in the feed channels 23 Anfettungsbrennstoff, which always has a lower temperature than the pre-chamber 11, cooling, which alone by this effect, the temperature of the pre-chamber spark plug 1 to can be lowered to 50K.
  • the ignition region 18, in particular the insulator base 35, and / or the surfaces of the electrodes 15, 17, are cooled by the introduced enrichment fuel. This is possible in a special way with central ignition or spark position, which is realized in the embodiment according to FIG.
  • Another contribution to the cooling concept is that the introduction of the enrichment fuel can be controlled such that in the area of surfaces, in particular in the region of the insulator foot 35, a
  • the ignition device 13 comprises in the illustrated embodiment a
  • Supporting element 39 which is also formed as an insulating element and therefore made of an insulating material.
  • the support member 39 takes in a central bore 41, the center electrode 15.
  • the housing 3 is in a mounting portion 43 on the
  • the ground electrode 17 is preferably again on the
  • Housing 3 is arranged and grounded via this. This preferably requires no separate cable. Rather, the housing 3 and therefore also at the same time the ground electrode 17th preferably earthed via the external thread 37 and the corresponding internal thread of the sleeve, which in turn is grounded in turn via the cylinder head.
  • Fig. 2 shows a schematic representation of a second embodiment of a
  • the pre-chamber spark plug 1 is here in a sleeve 44, namely a water sleeve 45th
  • the water sleeve 45 is inserted into a cylinder head 49 of a gas engine 51, wherein it has an external thread 53 which meshes with an internal thread 55 of the cylinder head 49.
  • the internal thread 55 is here in a combustion deck 57 of the cylinder head
  • combustion deck 57 a arranged in a cylinder 59 main combustion chamber 61 on one side, the one here only schematically illustrated, in the cylinder 59
  • the antechamber 11 is in fluid communication with the main combustion chamber 61 via the firing channels 7, 9.
  • the housing 3 is formed in two parts, wherein it comprises an inner housing part 65 which is arranged concentrically in an outer housing part 67.
  • the support member 39 is preferably in particular in the region of
  • the inner housing part 65 and the outer housing part 67 can be connected to one another by various joining methods, for example by screwing, welding, soldering, gluing, shrinking or in another suitable manner.
  • the heat shrinking results in a gas-tight
  • the housing 3 in a heat shrink zone 71 on the ignition device 13, in particular on the
  • Retaining element 39 is shrunk.
  • Cooling region 73 of the cylinder head 49 arranged, which is traversed by cooling water.
  • the pre-chamber spark plug 1 is spatially separated from the cooling water by the water sleeve 45 in a conventional manner and so before water damage and in particular ago
  • a channel portion 75 is arranged, which is part of a feed device 77 for the Anfettungsbrennstoff. From the channel 75 is the
  • the cylinder head 49 has an inflow channel 79 for the enrichment fuel, which in turn opens into a sleeve distributor groove 81 which is provided in the water sleeve 45.
  • the channel section 75 opens into the sleeve distribution groove 81, so that the
  • valve means whereby the fuel repellent fuel path to the prechamber 11 is locked in a first operative position and released in a second operative position of the valve means can.
  • the water sleeve 45 shown in FIG. 2 has a cooling bore 83, through which the outer peripheral surface 31 of the housing 3 is in fluid communication with the cooling region 73.
  • the prechamber spark plug 1 can be actively cooled with the cooling medium, in particular the cooling water in the cooling region 73 of the cylinder head 49. This carries - as well as the others
  • Cooling mechanisms - in that the pre-chamber spark plug 1 can be built smaller overall and thus designed space-saving.
  • Regeneration fuel in the pre-chamber 11 has its smallest diameter in the region of the feed channels 23, in particular in the region of the first ends 25, ie where the Anfettungsbrennstoff enters the prechambers. Furthermore, it is important that this thinnest line section, thus in particular the feed channels 23, have a not too short length, wherein the length preferably corresponds to at least one diameter of the prechamber, wherein it is preferably larger than the prechamber diameter. As a result, the capillary shape of the channels is ensured, whereby the stated advantages are realized.
  • a ratio of the length of the feed channels 23 to the diameter of the pre-chamber is from at least 100% to at most 150%, preferably 130%.
  • Fig. 3 shows a schematic representation of a third embodiment of the pre-chamber spark plug 1.
  • the same and functionally identical elements are provided with the same reference numerals, so that reference is made to the preceding description. Also in connection with FIG. 3 is essentially based on the differences from the preceding ones
  • the center electrode 15 is not shown in Figure 3 for the sake of clarity.
  • the supply channels 23 run as far as possible vertically, that is to say in the longitudinal direction of the prechamber spark plug 1, and they also open vertically into the prechamber 11 in the area of the first end 25. They include two
  • Channel sections namely one of the distributor groove 29 in the radial direction - in Figure 3 therefore horizontal - extending first portion 85, which opens into a vertically extending and in the region of the first end 25 into the pre-chamber 11, second section 87.
  • first portion 85 which opens into a vertically extending and in the region of the first end 25 into the pre-chamber 11, second section 87.
  • subsections 85, 87 are here identified in each case with the respective reference symbol. Total includes also
  • Embodiment according to Figure 3 preferably four feed channels 23, each of these
  • Feed channels 23 each have a first and a second section 85, 87.
  • a valve device 89 is integrated here, by means of which the supply channels 23 are releasable in a first functional position and can be blocked in a second functional position.
  • the valve device 89 has an actuator 91 and a locking member 93 which can be actuated by the latter.
  • the actuator 91 and the locking member 93 are arranged here in the heat shrink zone 71 between the support member 39 and the housing 3.
  • the valve device 89 is very space-saving, small and compact integrated into the prechamber spark plug 1.
  • the actuator 91 and the locking member 93 are annular and surround here in particular the support member 39. They are thus arranged in an annular space 95 between the housing 3 and the ignition device 13, in particular the encompassed by the ignition device 13 support member 39.
  • the support member 39 is arranged radially inside the housing 3 here.
  • FIG. 3 a detail of the valve device 89 is identified by a circle K.
  • Fig. 4 shows the marked in Figure 3 with the circle K detail in an enlarged view. Identical and functionally identical elements are provided with the same reference numerals, so that reference is made to the preceding description.
  • the actuator 91 is designed as an annular piezoelectric element, which expand and / or contract when an electrical voltage is applied-in FIG. 4 -in the vertical direction can.
  • the actuator 91 acts on the locking member 93, which is biased by a spring element 96, which is preferably designed as a plate spring, against the actuator 91.
  • the spring element 96 - seen in the longitudinal direction - is supported on a shoulder 97 of the housing 3.
  • the locking member 93 is annular and extends with an annular
  • the locking member 93 has a bore 103 which is not aligned in a first functional position of the locking member 93 with the first portion 85, so that it is closed by the locking member 93. In this first functional position, the actuator 91 is preferably
  • Spring element 96 is urged in Figure 4 up against the actuator 91. If the actuator 91 is energized, it expands - in Figure 4 in the vertical direction - and thus urges the actuator 91.
  • the blocking member can be actuated in one direction-namely, in the longitudinal direction-which is perpendicular to a direction of action of compressive forces which are exerted on the blocking member by the enriching fuel. These act here namely in the first section 85 in the radial direction.
  • the blocking member 93 does not have to be displaced by the actuator 91 against the compressive forces exerted by the enrichment fuel on it, so that only the biasing force of the spring member 96 must be overcome by the actuator 91.
  • This can therefore be made very small and requires no power amplification mechanisms.
  • the first section 85 also has a very small diameter, there is only a very small stroke for the locking member 93 to open or close the first section.
  • the actuator 91 must apply only a very small stroke. It therefore requires neither a power gain nor a stroke path extension or stroke amplification for the actuator 91. This can therefore be formed directly as an annular piezoelectric element, without the need for further elements. As a result, the entire valve device 89 can be accommodated in a space-saving manner, in particular in the heat-shrinking zone 71 or the annular space 95, without thereby increasing the installation space of the pre-chamber spark plug 1. Due to the small stroke of the locking member 93 and the actuator 91, a very fine dosage of Anfettungsbrunstoffs in the pre-chamber 11 is possible. In addition, due to the spatially very close arrangement of the valve device 89 to the pre-chamber 11 very small amounts of Anfettungsbrunstoff can be precisely and accurately timed fed.
  • a volume of the feed channels downstream of the valve device 89 is structurally kept as small as possible, wherein this volume preferably corresponds at most to the volume of the pre-chamber 11. Most preferably, much smaller volumes are desired.
  • FIG. 4 also shows schematically a control device 105, which is operatively connected to the actuator 91 via an operative connection 107.
  • the control device 105 is the engine control unit of the gas engine 51.
  • the actuator 91 is preferably pulsed controllable.
  • a multiple, multiple metering of the Anfettungsbrunstoffs is particularly preferably possible in the prechamber 11, wherein the dosage is in-phase tuned to a gas flow, in particular to a time-varying swirl and Tumbleströmung the gas in the antechamber. This makes it possible, the enrichment fuel in time exactly the same way
  • Ignition energy for safe ignition of a very lean mixture in a main combustion chamber 61 is given.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorkammer-Zündkerze (1) mit einem Gehäuse (3), das eine von einer von mindestens einem Schusskanal (7,9) durchsetzten Wandung (5) umschlossene Vorkammer (11) aufweist, und mit einer Zündeinrichtung (13), die ausgebildet ist, um ein in der Vorkammer (11) angeordnetes zündfähiges Gemisch zu entzünden, wobei das Gehäuse (3) durch mindestens einen Zuführkanal (23) durchsetzt ist, der an einem ersten Ende (25) in die Vorkammer (11) und an einem zweiten Ende (27) außerhalb des Gehäuses (3) in eine Zuführ-Einrichtung (77) für einen Anfettungsbrennstoff mündet. Dabei ist vorgesehen, dass der Zuführkanal (23) kapillarförmig ausgebildet ist und sich im Wesentlichen in Längsrichtung der Vorkammer- Zündkerze (1) erstreckt.

Description

BESCHREIBUNG Vorkammer-Zündkerze und Gasmotor
Die Erfindung betrifft eine Vorkammer-Zündkerze gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen Gasmotor gemäß Oberbegriff des Anspruchs 11. Bei der Entwicklung von Gasmotoren tritt in zu nehmendem Maße ein Zielkonflikt zwischen einem hohen Wirkungsgrad einerseits und einer geringen Schadstoffemission andererseits in den Vordergrund. Um die Schadstoffemissionen, insbesondere Stickoxid-Emissionen, abzusenken, wird eine einem Brennraum des Gasmotors zugeführte Frischladung stark abgemagert. Der hierdurch auftretende Leistungsverlust kann zumindest teilweise durch Aufladung wieder ausgeglichen werden. Es zeigt sich allerdings, dass es insbesondere bei großen Gasmotoren nur schwer möglich ist, das stark abgemagerte Gemsich in dem Brennraum sicher zu entflammen. Um diesem Problem abzuhelfen, ist es möglich, den Brennraum in einen Hauptbrennraum einerseits und eine Vorkammer andererseits zu unterteilen. Hierzu sind inbesondere Vorkammer- Zündkerzen bekannt geworden, welche ein Gehäuse mit einer Wandung aufweisen, die durch mindestens einen Schusskanal durchsetzt ist. Die Wandung umschließt eine Vorkammer, die ein sehr viel kleineres Volumen als der Hauptbrennraum aufweist. Es ist eine Zündeinrichtung vorgesehen, die ausgebildet ist, um ein in der Vorkammer angeordnetes, zündfähiges Gemisch zu entzünden. Es kann unterschieden werden zwischen gespülten Vorkammern und ungespülten Vorkammern. Insbesondere ungespülte Vorkammern sind regelmäßig integriert mit der Zündkerze als
Vorkammer-Zündkerze ausgebildet, wobei der Gasmotor eine integrierte Vorkammer-Zündkerze aufweist. Während eines Kompressionshubs eines in einem den Hauptbrennraum umfassenden Zylinder oszillierbar aufgenommenen Kolbens wird Frischgas aus dem Hauptbrennraum über den mindestens einen Schusskanal in die Vorkammer gedrängt. Die Zündenergie der
Zündeinrichtung reicht aus, um das in der Vorkammer vorhandene Gemisch sicher zu
entflammen. Das entflammte Gemisch schießt in Form einer sogenannten Zündfackel über den mindestens einen Schusskanal in den Hauptbrennraum und entzündet dort mit einer um die Energie des in der Vorkammer verbrannten Gemischs vermehrten Zündenergie auch das Gemisch in der Hauptkammer. Somit steht eine ausreichende Zündenergie auch zur sicheren Entflammung des Gemischs in dem Hauptbrennraum zur Verfügung.
Demgegenüber sind gespülte Vorkammern häufig nicht integriert mit der Zündkerze, mithin nicht als Vorkammer-Zündkerze ausgebildet, sondern Teil des Zylinders oder eines
Zylinderkopfes, durch den der Hauptbrennraum - in Längsrichtung des Zylinders gesehen - dem Kolben gegenüberliegend abgeschlossen ist. Der gespülten Vorkammer wird über eine separate Brenngasversorgung Brenngas zugeführt, wodurch das Gemisch in der Vorkammer lokal angefettet wird. Das entsprechend fette Gemisch wird mithilfe der Zündeinrichtung in der Vorkammer entzündet und schießt als Zündfackel durch den mindestens einen Schusskanal in den Hauptbrennraum, wo nun auch das sehr viel magerere Gemisch sicher entflammt werden kann.
Ob eine gespülte oder eine ungespülte Vorkammer eingesetzt wird, hängt von der Größe des Gasmotors ab. Aufgrund der separaten Brenngasversorgung benötigt eine gespülte Vorkammer einen deutlich größeren Bauraum als eine ungespülte Vorkammer, die sehr viel kompakter realisiert werden kann. Gerade bei mittleren oder kleinen Gasmotoren ist daher das Konzept der gespülten Vorkammer kaum einsetzbar. Andererseits zeigt sich, dass der mit ungespülten Vorkammern erzielbare Verstärkungseffekt der durch die Zündeinrichtung bereitgestellten Zündenergie vor allem durch die kompakte Bauweise solcher Vorkammern limitiert ist. Zugleich begrenzt das magere Gemisch aus dem Hauptbrennraum, welches durch das in der Vorkammer verbleibende Restgas weiter abgemagert und inertisiert wird, das maximal realisierbare
Vorkammervolumen bei ungespülten Vorkammern. Der Verstärkungseffekt einer ungespülten Vorkammer reicht daher für größere Gasmotoren, insbesondere für Großmotoren, nicht aus.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 101 33 190 AI geht eine Vorkammer-Zündkerze hervor, bei der das Gehäuse von einem Zuführkanal durchsetzt ist, der an einem ersten Ende in die Vorkammer und an einem zweiten Ende außerhalb des Gehäuses in eine Zuführ-Einrichtung für einen Anfettungsbrennstoff mündet. Der Zuführkanal verläuft in dem Gehäuse über eine sehr kurze Strecke im Wesentlichen schräg. Dabei weist er einen im Vergleich zu seiner Länge großen Durchmesser auf. In den Zuführkanal ist ein Ventil eingesetzt, mit dem eine der
Vorkammer zugeführte Menge an Anfettungsbrennstoff gesteuert werden kann. Bezogen auf das Volumen der Vorkammer umfasst der Zuführkanal einen nicht unerheblichen Bauraum, schätzungsweise etwa 40 % des Vorkammervolumens. Aufgrund des relativ großen Durchmessers des Kanals ist es möglich, dass Flammen aus dem Hauptbrennraum und der Vorkammer in den Zuführkanal und letztlich auch in die Zuführ-Einrichtung zurückschlagen, weshalb in dieser ein Flammenfilter vorgesehen sein muss. Es zeigt sich auch, dass eine nicht unerhebliche Menge an Restgas in das relativ große Volumen des Kanals gedrängt werden kann, sodass es nötig ist, den Kanal regelmäßig mit Spülgas oder Luft zu spülen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorkammer-Zündkerze und einen Gasmotor zu schaffen, welche die genannten Nachteile nicht aufweisen. Insbesondere soll die Vorkammer- Zündkerze möglichst kompakt ausgebildet sein und so die Vorteile einer ungespülten
Vorkammer mit den Vorteilen einer gespülten Vorkammer kombinieren. Es soll somit möglich sein, die Vorkammer-Zündkerze auch bei kleineren Gasmotoren einzusetzen, bei welchen die Verwendung einer klassischen, gespülten Vorkammer nicht möglich ist.
Die Aufgabe wird gelöst, indem eine Vorkammer-Zündkerze mit den Merkmalen des Anspruchs 1 geschaffen wird. Diese zeichnet sich dadurch aus, dass der Zuführkanal kapillarfÖrmig ausgebildet ist, wobei er sich im Wesentlichen in Längsrichtung der Vorkammer-Zündkerze erstreckt. Dabei spricht der Begriff„kapillarfÖrmig" an, dass der Zuführkanal einen im Vergleich zu seiner Länge kleinen Durchmesser aufweist. Bevorzugt liegt ein Verhältnis des Durchmessers zu der Länge des Zuführkanals im einstelligen Prozentbereich. Daher, und weil sich der kapillarförmige Zuführkanal im Wesentlichen in Längsrichtung der Vorkammer-Zündkerze erstreckt, kann - in radialer Richtung gesehen - erheblich Bauraum eingespart werden. Die Vorkammer-Zündkerze, welche den Zuführkanal als integralen Bestandteil des Gehäuses umfasst, kann so sehr kompakt und klein gebaut werden, sodass sie auch bei kleineren
Gasmotoren einsetzbar ist. Zugleich ist es möglich, über den Zuführkanal Anfettungsbrennstoff in die Vorkammer zu führen, sodass über eine bereichsweise Anfettung des Gemischs in der Vorkammer eine größere Erhöhung der Zündenergie erhalten werden kann, als dies bei einer ungespülten Vorkammer der Fall ist.
Dass sich der Zuführkanal im Wesentlichen in Längsrichtung erstreckt, schließt nicht aus, dass er auch mindestens einen Kanalabschnitt umfasst, der sich bereichsweise im Wesentlichen in radialer Richtung oder schräg in dem Gehäuse erstreckt. Vielmehr spricht die Erstreckung des Zuführkanals im Wesentlichen in Längsrichtung an, dass dessen Grundausrichtung - insgesamt betrachtet - und somit auch eine Strömungsrichtung des Anfettungsbrennstoffs in dem
Zuführkanal im Wesentlichen in Längsrichtung verlaufen. Dabei wird insbesondere bevorzugt, dass eine Erstreckung des Zuführkanals in Längsrichtung größer ist als eine Erstreckung in radialer Richtung. Besonders bevorzugt beträgt das Verhältnis zwischen der Erstreckung des Zuführkanals in Längsrichtung und dessen Erstreckung in radialer Richtung mindestens 2, wobei es bevorzugt größer als 2 ist.
Unter der Längsrichtung oder axialen Richtung ist eine Richtung zu verstehen, die sich in Richtung einer Längs- und bevorzugt auch Symmetrieachse der Vorkammer-Zündkerze erstreckt. Eine radiale Richtung ist eine Richtung, die senkrecht auf der Längsrichtung steht. Eine Umfangsrichtung ist eine Richtung, welche die Längsrichtung konzentrisch umgreift.
Als Anfettungsbrennstoff wird vorzugsweise Brenngas verwendet, mithin insbesondere der gleiche Brennstoff, der auch im Übrigen zum Betrieb des Gasmotors verwendet wird. Alternativ ist es möglich, über den mindestens einen Zuführkanal ein Brenngas/Luft-Gemisch zuzuführen. Aufgrund des sehr kleinen Volumens, welches der kapillarförmige Zuführkanal aufweist, bedarf es keines Ventils unmittelbar im Bereich der Einmündung des Zuführkanals in die Vorkammer. Trotzdem kann aufgrund des sehr kleinen Totvolumens innerhalb des Kanals eine präzise Dosierung auch kleiner Mengen an Anfettungsbrennstoff realisiert werden. Auch dies trägt zur Bauraumersparnis und zur kompakten Ausbildung der Vorkammer-Zündkerze bei. Insgesamt ist es möglich, die Vorkammer-Zündkerze in Hinblick auf ihren Bauraum ähnlich kompakt auszubilden wie eine Vorkammer-Zündkerze mit klassischer, ungespülter Vorkammer. Somit ist es möglich, den Vorteil der Kompaktheit einer ungespülten Vorkammer mit dem Vorteil einer verstärkten Zündenergieerhöhung einer gespülten Vorkammer zu kombinieren. Durch seine Kapillarform weist der mindestens eine Zuführkanal ein hohes Verhältnis einer Oberfläche zu seinem Volumen auf. Daher können erhebliche Wärmemengen über die
Oberfläche des Zuführkanals an das Gehäuse abgeführt werden. Eine gegebenenfalls aus dem Hauptbrennraum oder der Vorkammer in den Zuführkanal zurückschlagende Flamme wird - ähnlich wie in einem Flammfilter - in dem kapillarformigen Zuführkanal thermisch gelöscht, weil ihr über die hohe Oberfläche des Zuführkanals soviel Wärmeenergie entzogen wird, dass die Verbrennung stoppt. Ein bauteilschädigendes Rückschlagen von Flammen in den
Zuführkanal ist damit ausgeschlossen. Auf einen separaten Flammfilter kann verzichtet werden. Dies ist kostengünstig und spart weiterhin Bauraum. Aufgrund der sehr kompakten Bauweise der integrierten Vorkammer-Zündkerze ist es weiterhin möglich, bei gegebener Größe des Gasmotors, in welchem die Vorkammer-Zündkerze verwendet wird, den Zylinderkopf kleiner und kompakter auszubilden. Hierdurch kann bei dem Gasmotor selbst Bauraum eingespart werden.
In Hinblick auf die Verwendung der Vorkammer-Zündkerze in einem Gasmotor zeigt sich Folgendes: Typischerweise werden gespülte Vorkammern ab einem den Hauptbrennraum definierenden Bohrungsdurchmesser eines Zylinders von ungefähr 200 mm verwendet. Ab einem Bohrungsdurchmesser von 130 mm werden typischerweise ungespülte Vorkammern verwendet. Bei kleineren Bohrungsdurchmessern sind offene Zündkerzen ohne Vorkammer üblich. Gerade in einem Bereich des Bohrungsdurchmessers von etwa 150 mm bis 180 mm ergibt sich das Problem, dass für eine gespülte Vorkammer eigentlich zu wenig Bauraum zur Verfügung steht, wobei das Volumen des Hauptbrennraums wiederum zu groß ist, um noch effizient und wirksam mithilfe einer ungespülten Vorkammer entflammt zu werden. Gerade in diesem Bereich sowie bei Bauraumbeschränkungen anderer Art ist die hier vorgeschlagene Vorkammer-Zündkerze dank der voll integrierten Bauweise vorteilhaft einsetzbar. Besonders bevorzugt wird sie bei einem Gasmotor eingesetzt, der eine Zylinderbohrung mit einem
Durchmesser von ungefähr 170 mm aufweist. Dabei reicht der zur Verfügung stehende Bauraum ohne Weiteres aus, die kompakte, integrierte Vorkammer-Zündkerze zu montieren, wobei diese zugleich über den kapillarformigen Zuführkanal eine ausreichende Anfettung des Gemischs in der Vorkammer ermöglicht, um eine sichere Entflammung des Gemischs in dem
Hauptbrennraum zu gewährleisten. Insbesondere wird durch die Zufuhr von
Anfettungsbrennstoff ein Brenngasanteil innerhalb der Vorkammer erhöht, wodurch sich das Zündverhalten verbessert und ein Energieeintrag in dem Hauptbrennraum erhöht wird. Hierdurch ergibt sich eine Wirkungsgradsteigerung für den Gasmotor, insbesondere indem ein schnellerer Durchbrand gewährleistet sowie eine Anhebung des effektiven Mitteldruckes in dem
Hauptbrennraum bewirkt wird. Auf diese Weise ist es möglich, das Gemisch in dem
Hauptbrennraum zum Zwecke der Stickoxid-Reduzierung abzumagern, wobei gleichwohl die Zündsicherheit gewahrt bleibt. Die Verbrennungsstabilität wird verbessert, was insbesondere dazu beiträgt, dass Zyklenschwankungen reduziert werden.
Ein Verhältnis des Durchmessers zu der Länge des mindestens einen Zuführkanals beträgt vorzugsweise von mindestens 0,5 % bis höchstens 3 %, vorzugsweise von mindestens 1 % bis höchstens 2,5 %, besonders bevorzugt 2 %. Es wird eine Vorkammer-Zündkerze bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass sie zur Anordnung in einer Hülse, vorzugsweise einer Wasserhülse, ausgebildet ist. Dabei weist das Gehäuse bevorzugt ein Außengewinde auf, welches zum Einschrauben in ein entsprechendes Innengewinde der Hülse, insbesondere der Wasserhülse vorgesehen ist. Die Hülse ist also nicht selbst Teil des Gehäuses, sondern die voll integrierte Zündkerze, welche das Gehäuse umfasst, wird bestimmungsgemäß in der Hülse angeordnet und besonders bevorzugt mit dieser verschraubt. Dabei weist nicht die Hülse, sondern vielmehr das Gehäuse der Zündkerze den mindestens einen, kapillarförmigen und sich im Wesentlichen in Längsrichtung der Vorkammer- Zündkerze erstreckenden Zuführkanal auf. Dieser ist somit voll in die Vorkammer-Zündkerze integriert, wodurch sich eine sehr kompakte, integrale Bauweise ergibt.
Es wird auch eine Vorkammer-Zündkerze bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass der mindestens eine Zuführkanal einen Durchmesser aufweist, der von mindestens 0,5 % bis höchstens 10 % eines Durchmessers der Vorkammer beträgt. Typische Durchmesser von
Vorkammern der hier angesprochenen Art liegen im Bereich von ungefähr 10 mm bis 20 mm. Der Zuführkanal ist also im Vergleich zu der Vorkammer sehr klein ausgebildet. Entsprechend ist auch ein Volumen des mindestens einen Zuführkanals klein im Verhältnis zu dem Volumen der Vorkammer. Bevorzugt beträgt der Durchmesser des mindestens einen Zuführkanals von mindestens 0,1 mm bis höchstens 1 mm, besonders bevorzugt 0,4 mm. Es ist möglich, dass der Zuführkanal in dem Gehäuse durch Bohren hergestellt ist. Es wird allerdings auch ein
Ausführungsbeispiel bevorzugt, bei dem der kapillarförmige Zuführkanal durch Erodieren hergestellt ist. Dabei ist es ohne Weiteres möglich, auch in Großserie Zuführkanäle mit einem Durchmesser von 0,4 mm auf eine Länge von bis zu 50 mm zu erodieren.
Es zeigt sich, dass der mindestens eine Zuführkanal insbesondere im Verhältnis zum Volumen der Vorkammer ein sehr kleines Volumen aufweist. Hierdurch kann auch höchstens ein sehr kleiner Anteil des in der Vorkammer noch vorhandenen Restgases in den mindestens einen Zuführkanal gedrängt werden. Dieses kleine Restgasvolumen ist ohne Weiteres unmittelbar beim Eindüsen von Anfettungsbrennstoff über den Zuführkanal in die Vorkammer ausblasbar. Es bedarf daher keiner separaten Spülung des Zuführkanals mit einem Spülgas oder mit Luft.
Vorteilhaft kommt hinzu, dass der Anfettungsbrennstoff im Bereich des kapillarförmigen, mithin sehr dünnen Zuführkanals eine hohe Strömungsgeschwindigkeit aufweist, welche das Restgas leicht austreibt. Schlägt partiell eine Flamme in den Zuführkanal zurück, kann in der kurzen Zeit, bevor diese thermisch gelöscht wird, nur eine geringe Menge Ruß in dem Zuführkanal entstehen. Diese ist jedoch so gering, dass der Ruß insbesondere durch die hohe Strömungsgeschwindigkeit des Anfettungsbrennstoffs in dem sehr dünnen Zuführkanal beim Eindüsen des
Anfettungsbrennstoffs ausgetrieben wird. Es besteht daher keine Gefahr, dass der Zuführkanal durch den Ruß verstopft wird.
Aufgrund der Kapillarform des Zuführkanals, also insbesondere durch den sehr kleinen
Durchmesser und das sehr kleine Volumen, ergeben sich insgesamt im Vergleich zu einem größeren Zuführkanal folgende Vorteile: Ein Rückschlagen von Flammen aus dem
Hauptbrennraum oder der Vorkammer kann nur über eine sehr kurze Zeit erfolgen, da die Flamme quasi unmittelbar aufgrund der hohen Oberfläche des Zuführkanals im Vergleich zu dessen Volumen thermisch gelöscht wird. Dabei gegebenenfalls noch entstehender Ruß kann ohne Weiteres aufgrund der hohen Strömungsgeschwindigkeit des Anfettungsbrennstoffs in dem Zuführkanal beim nächsten Einblasen von Anfettungsbrennstoff in die Vorkammer ausgetrieben werden. Es wird nur ein sehr geringer Anteil von Restgas aus der Vorkammer in den
Zuführkanal gedrängt. Dieser kleine Anteil kann ebenfalls durch den Anfettungsbrennstoff insbesondere aufgrund von dessen hoher Strömungsgeschwindigkeit ohne zusätzliche Spülung ausgetrieben werden. Die Bauform der Vorkammer-Zündkerze ist äußerst kompakt. Es wird eine Vorkammer-Zündkerze bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass der mindestens eine Zuführkanal im Bereich des ersten Endes auf einen Zündbereich in der
Vorkammer hin ausgerichtet ist. Die Vorkammer weist einen Zündbereich auf, in welchem im Wesentlichen die Zündung des in der Vorkammer vorliegenden Gemischs stattfindet. Je nach Konstruktion der Vorkammer kann dabei eine sogenannte wandnahe Zündlage, also eine
Zündung im Bereich der Wandung, oder eine zentrale Zündlage, mithin eine Zündung in einem mittleren Bereich der Vorkammer, realisiert werden. Durch die Ausrichtung des Zuführkanals im Bereich seines ersten Endes auf den Zündbereich wird inertisiertes Restgas beim Einblasen des Anfettungsbrennstoffs aus dem Zündbereich ausgetrieben. Zugleich wird der
Anfettungsbrennstoff gezielt in den Zündbereich eingebracht, sodass hier eine sichere
Entflammung mit guter Erhöhung der Zündenergie erreicht werden kann. Besonders bevorzugt ist der Zuführkanal im Bereich seines ersten Endes derart ausgerichtet, dass eine
Restgasströmung in der Vorkammer durch den einströmenden Anfettungsbrennstoff derart beeinflusst wird, dass Restgas über den mindestens einen Schusskanal in den Hauptbrennraum ausgetragen wird. Es zeigt sich, dass das Vorkammervolumen typischerweise in der Größenordnung von ungefähr 1000 mm3 bis 1600 mm3 liegt, wobei zirka 200 mm3 an intertisiertem Restgas hiervon umfasst sind. Dieser Volumenanteil ist für die Zündung in der Vorkammer nicht unerheblich. Ist es aber möglich, das Restgas weitgehend in den Hauptbrennraum auszutragen, entfaltet es dort kaum noch eine störende Wirkung, weil das Volumen des Hauptbrennraums typischerweise in der Größenordnung von 4 L bis 5 L liegt. Es ist offensichtlich, dass hier ein Restgasvolumen von 200 mm3, das aus der Vorkammer ausgetrieben wird, keine bedeutende Rolle in Hinblick auf die Verbrennungsentwicklung spielt.
Es ist auch bei einem Ausführungsbeispiel der Vorkammer-Zündkerze möglich, dass das erste Ende des Zuführkanals nicht auf den Zündbereich, sondern auf einen anderen Bereich der Vorkammer derart ausgerichtet ist, dass sich gleichwohl im Zündbereich durch eine von dem eingebrachten Anfettungsbrennstoff beeinflusste Gasströmung verbesserte Zündbedingungen ergeben. Bevorzugt ist der Zuführkanal im Bereich des ersten Endes auf mindestens einen zu kühlenden Bereich ausgerichtet. Insbesondere ist es möglich, dass das erste Ende des
Zuführkanals auf einen Isolatorfuß der Zündeinrichtung, insbesondere einen Isolatorfuß einer Mittelelektrode, ausgerichtet ist, wobei dessen Oberfläche in vorteilhafter Weise zusätzlich zu der Anfettung des Gemischs in der Vorkammer durch den einströmenden Anfettungsbrennstoff gekühlt wird.
Durch die gezielte Eindosierung des Anfettungsbrennstoffs wird die Gemischqualität in der Vorkammer lokal angehoben. Während im Hauptbrennraum beispielsweise ein Lambda-Wert von 1,7 angestrebt wird, wird durch gezielte Anfettung in der Vorkammer zumindest
bereichsweise ein Lambda-Wert von 1 erreicht. Dabei wird der Anfettungsbrennstoff
vorzugsweise über die Ausrichtung des Zuführkanals derart um den Zündbereich geschichtet, dass sich ein schneller, gleichmäßiger Durchbrand in Richtung der Schusskanäle ergibt. Damit ist es möglich, nur die Menge an Anfettungsbrennstoff über den Zuführkanal in die Vorkammer einzubringen, die tatsächlich zur Erhöhung der Zündenergie benötigt wird. Weil diese nämlich räumlich-geometrisch günstig in der Vorkammer verteilt wird, sodass sich genau dort eine gute Gemischqualität ergibt, wo dies erforderlich ist, bedarf es keiner Überdosierung des
Anfettungsbrennstoffs. Anders als bei gespülten Vorkammern, die typischerweise mit Anfettungsbrennstoff geflutet werden, ist es bei der hier vorgeschlagenen Vorkammer-Zündkerze durch die gezielte
Ausrichtung des Zuführkanals möglich, nur partiell genau den Volumenbereich innerhalb der Vorkammer anzufetten, in welchem tatsächlich die Zündung stattfindet beziehungsweise die Zündenergie erhöht werden soll. Es wird somit das Konzept einer teilweise gespülten, lokal gespülten oder partiell gespülten Vorkammer realisiert, wodurch eine sehr hohe Effizienz der Zündenergieverstärkung bei zugleich minimierter Zufuhr von Anfettungsbrennstoff gegeben ist. Dadurch ist es nicht zuletzt möglich, den Brennstoffverbrauch des Gasmotors, in welchem die Vorkammer-Zündkerze eingesetzt wird, zu senken. Dabei liegt der Fokus des hier
vorgeschlagenen Konzepts nicht primär auf einer quantitativen Verdrängung von Restgas aus dem gesamten Vorkammervolumen, sondern vielmehr auf einer gezielten, lokalen Anhebung der Gemischqualität in den Bereichen, in denen dies gewünscht, sinnvoll und effizient ist.
Selbstverständlich wird dabei zugleich auch Restgas verdrängt und insbesondere in den
Hauptbrennraum ausgeschoben.
Durch die partielle Spülung der Vorkammerzündkerze wird nur so viel Brenngas in die
Vorkammer eingebracht wie für die Erreichung der gewünschten Effekte notwendig ist.
Hierdurch wird gegenüber dem Stand der Technik per se weniger Wärme eingetragen und eine dem gegenüber verlängerte Zündkerzen- Lebensdauer ermöglicht. Des Weiteren wird durch Ladungsschichtung in der Vorkammer vor allem eine geringere Stickoxid- (NOx) und/oder Gesamtkohlenwasserstoff-Emission (THC) erreicht.
Gleichwohl ist es jedoch auch bei der hier vorgeschlagenen Vorkammer-Zündkerze möglich, die Vorkammer mit Anfettungsbrennstoff zu fluten oder sogar zu überblasen, sodass
Anfettungsbrennstoff über den mindestens einen Schusskanal in den Hauptbrennraum
ausgetragen wird. Dieser Effekt kann insbesondere genutzt werden, um die einzelnen Zylinder des bevorzugt mehrere Zylinder umfassenden Gasmotors in Hinblick auf ihre
zylinderindividuelle Leistungsabgabe gleichzustellen. Leistungsmäßig benachteiligte Zylinder, die beispielsweise mit einer im Vergleich zu anderen Zylindern zu geringen Frischgasmenge versorgt werden, können über die zylinderindividuell überblasene Vorkammer einen erhöhten Anteil an Anfettungsbrennstoff erhalten, sodass sei den leistungsmäßig bevorzugten Zylindern angeglichen werden. Dadurch wird insgesamt das Verbrennungsverhalten des Gasmotors vergleichmäßigt, Zyklenschwankungen werden reduziert, und sein Wirkungsgrad wird erhöht. Insbesondere um eine Ungleichverteilung der zylinderindividuellen Leistung festzustellen, ist vorzugsweise ein Drucksensor in mindestens einem Zylinder, gegebenenfalls in jeweils einem Zylinder verschiedener Zylinderbänke des Gasmotors, oder in jedem Zylinder vorgesehen. Dabei ist es möglich, dass die Vorkammer-Zündkerze einen integrierten Drucksensor aufweist. Dies ist eine besonders bauraumsparende, effiziente und kostengünstige Lösung.
Typischerweise weist die Vorkammer einen zentralen Schusskanal sowie eine Mehrzahl radial oder tangential ausgerichteter Schusskanäle auf. Dabei wird typischerweise bei ungespülten Vorkammern insbesondere der zentrale Schusskanal vergrößert ausgebildet, um möglichst viel Gemisch während des Kompressionshubs des Kolbens in die Vorkammer einbringen zu können. Hierdurch ist aber die Ladungsbewegung gerade im Zündbereich sehr hoch, was ungünstig für die Entflammung des Gemischs in der Vorkammer ist. Durch die gezielte, gegebenenfalls geschichtete Anfettung des Gemischs bei der hier vorgeschlagenen Vorkammer-Zündkerze ist es möglich, den zentralen Schusskanal, der auch als Mittelbohrung bezeichnet wird, deutlich zu verkleinern. Damit werden strömungsdynamisch die radialen oder tangentialen Bohrungen beziehungsweise Schusskanäle funktional gestärkt. Die Ladungsbewegung in der Vorkammer wird vergleichmäßigt und gestaltet sich gerade in Hinblick auf den Zündbereich günstiger.
Es wird eine Vorkammer-Zündkerze bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass eine
Mehrzahl von Zuführkanälen entlang eines Umfangs des Gehäuses angeordnet ist. Dabei ist die Mehrzahl von Zuführkanälen vorzugsweise symmetrisch entlang des Umfangs verteilt, also insbesondere in gleichen Winkelabständen zueinander. Besonders wird ein Ausführungsbeispiel bevorzugt, bei welchem drei Zuführkanäle vorgesehen sind. Alternativ wird ein
Ausführungsbeispiel bevorzugt, bei welchem vier Zuführkanäle vorgesehen sind. Sind drei Zuführkanäle vorgesehen, sind diese vorzugsweise - in Umfangsrichtung gesehen - jeweils durch einen Winkel von 120° voneinander beabstandet. Vier Zuführkanäle sind vorzugsweise durch einen Winkel von 90° voneinander beabstandet. Alternativ ist es auch möglich, einen sich entlang des Umfangs des Gehäuses erstreckenden Ringspalt als Zuführkanal vorzusehen. Auch so ist eine symmetrische Zufuhr des Anfettungsbrennstoffs in die Zündkammer gewährleistet.
Bei der Bestimmung der Zahl und Anordnung der Zuführkanäle ist zu beachten, dass das
Gehäuse eine ausreichende mechanische Stabilität aufweisen muss. Es darf daher durch die Zuführkanäle nicht zu sehr geschwächt werden. Da die einzelnen Zuführkanäle jedoch kapillarfb'rmig und damit sehr dünn ausgebildet sind, ergibt sich auch bei einer größeren Zahl von Zuführkanälen keine relevante Schwächung des Gehäuses.
Es wird auch eine Vorkammer-Zündkerze bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass das Gehäuse einteilig ausgebildet ist. Der mindestens eine Zuführkanal ist als Bohrung vorzugsweise durch Bohren oder durch Erodieren in das einteilige Gehäuse eingebracht. Insbesondere dann, wenn mehr als ein Zuführkanal vorgesehen ist, weist das Gehäuse an einem äußeren Umfang bevorzugt eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Verteilernut auf, über die der durch die Zuführeinrichtung herangeführte Anfettungsbrennstoff auf die verschiedenen Zuführkanäle verteilt wird. Diese münden in die Verteilernut. Auch wenn nur ein Zuführkanal vorgesehen ist, kann gleichwohl eine Verteilernut vorgesehen sein. Diese ermöglicht nämlich auch einen Ausgleich eines Winkelversatzes zwischen dem mindestens einen Zufuhrkanal und einem weiteren, von der Zuführ-Einrichtung umfassten Kanal, indem dieser - in Umfangsrichtung gesehen - an beliebiger Stelle in die Verteilernut münden kann, wobei der Anfettungsbrennstoff den mindestens einen Zuführkanal in jedem Fall über die Verteilernut erreicht. Auf eine passgenaue Ausrichtung des Zufuhr-Kanals zu dem weiteren Kanal der Zuführ-Einrichtung kann dann verzichtet werden.
Alternativ wird eine Vorkammer-Zündkerze bevorzugt, bei welcher das Gehäuse zwei
Gehäuseteile umfasst. Dabei ist bevorzugt ein innerer Gehäuseteil konzentrisch in einem äußeren Gehäuseteil angeordnet, insbesondere so, dass sich zwischen dem inneren Gehäuseteil und dem äußeren Gehäuseteil ein Ringspalt ergibt. Der Zuführkanal umfasst bevorzugt bereichsweise den zwischen dem inneren und dem äußeren Gehäuseteil angeordneten Ringspalt. Diese
Ausgestaltung ist deswegen besonders günstig, weil der Zuführkanal nicht vollständig durch Bohren oder Erodieren hergestellt werden muss, sondern sich vielmehr im Bereich des
Ringspalts auf einfache Weise durch die Anordnung des inneren Gehäuseteils in dem äußeren Gehäuseteil ergibt. Dort ist eine äußere Umfangsfläche des inneren Gehäuseteils - in radialer Richtung gesehen - von einer inneren Umfangsfläche des äußeren Gehäuseteils beabstandet, sodass ein ringförmiges Volumen zwischen den Gehäuseteilen verbleibt, durch welches der Anfettungsbrennstoff strömen kann. Insbesondere in einem der Vorkammer zugewandten Bereich ist allerdings vorzugsweise mindestens ein gebohrter oder erodierter Abschnitt des Zuführkanals vorgesehen, der einerseits in die Vorkammer und andererseits in den Ringspalt mündet. Der innere Gehäuseteil und der äußere Gehäuseteil sind bevorzugt mit Spielpassung zueinander gefertigt, sodass sich der Ringspalt ergibt. Bei der Tolerierung der Spielpassung muss eine Erwärmung im befeuerten Betrieb der Vorkammer-Zündkerze berücksichtigt werden, wobei der Ringspalt einerseits keine zu große Aufweitung und andererseits keine zu große Verengung erfahren darf, sodass er einerseits seine kapillarartige Eigenschaft behält und andererseits nicht verschlossen wird.
Der innere Gehäuseteil ist vorzugsweise auf ein Element der Zündeinrichtung aufgeschrumpft. Hierzu wird zunächst das entsprechende Element der Zündeinrichtung in den inneren
Gehäuseteil eingesteckt. Bei einer Erwärmung beider Teile erfolgt aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten in einer Warmschrumpfzone eine Relatiwerlagerung der beiden Elemente, wobei sich beim anschließenden Abkühlen eine Verspannung ergibt, sodass das Element der Zündeinrichtung, insbesondere ein Halterungselement und/oder ein Isolator derselben, und der innere Gehäuseteil nicht mehr zerstörungsfrei voneinander getrennt werden können. Der innere Gehäuseteil und der äußere Gehäuseteil sind durch verschiedene
Fügeverfahren miteinander verbindbar, beispielsweise durch Schrauben, Schweißen, Kleben, Löten, Schrumpfen oder in anderer geeigneter Weise.
Auch bei einer Vorkammer-Zündkerze mit einteiligem Gehäuse ist es möglich, dass das Gehäuse in einer Warmschrumpfzone auf ein Element der Zündeinrichtung aufgeschrumpft ist. Zur
Herstellung der Vorkammer-Zündkerze ist es möglich, das Gehäuse bereits als Halbzeug mit den die Zuführkanäle bildenden Kapillaren zu versehen. Weiterhin ist es möglich, bei der
Herstellung des Gehäuses in der Warmschrumpfzone eine Ventileinrichtung, insbesondere einen Aktuator und ein Sperrelement, anzuordnen.
Es wird auch ein Ausführungsbeispiel der Vorkammer-Zündkerze bevorzugt, welches eine in das Gehäuse integrierte Ventileinrichtung aufweist, durch welche der mindestens eine Zuführkanal in einer ersten Funktionsstellung freigebbar und in einer zweiten Funktionsstellung sperrbar ist. Mithilfe der Ventileinrichtung ist es möglich, den Anfettungsbrennstoff zu vorherbestimmten Zeitpunkten präzise in die Vorkammer zu dosieren.
Alternativ ist es möglich, dass die Vorkammer-Zündkerze selbst keine Ventileinrichtung aufweist, wobei dann jedoch bevorzugt die Zuführ-Einrichtung - in Strömungsrichtung des Anfettungsbrennstoffs gesehen - stromaufwärts der Vorkammer-Zündkerze eine Ventileinrichtung aufweist, durch welche eine Fluidverbindung zu der Vorkammer sperrbar und freigebbar ist. Nachteilig hierbei ist allerdings die räumliche Trennung zwischen der
Dosiereinrichtung und der Vorkammer-Zündkerze. Hierdurch entsteht ein vergleichsweise großes Totvolumen, welches während eines Ladungswechsels mit reinem Anfettungsbrennstoff, insbesondere Brenngas, gefüllt ist. In der Kompressionsphase des Zylinders wird das in dem Totvolumen angeordnete Brenngas komprimiert, und es wird zusätzlich ein Brenngas/Luft- Gemisch eingebracht. Lediglich in einer räumlich begrenzten Grenzschicht findet eine
Durchmischung dieses Gemischs mit dem Brenngas statt. Bei der Verbrennung ist es möglich, dass das Gemisch und Gasanteile in der Grenzschicht zumindest teilweise umgesetzt werden. Hierbei wird Ruß generiert. Zwar kann dieser durch den kleinen Strömungsquerschnitt des Zuführkanals - wie oben bereits beschrieben - ausgetrieben werden, gleichwohl ist es erstrebenswert, so wenig Ruß wie möglich zu generieren. Vorteilhaft ist es hierzu, das
Totvolumen zwischen der Ventileinrichtung und der Mündung des Zuführkanals in die
Vorkammer zu verringern. Eine Verkleinerung dieses Totvolumens hat außerdem den Vorteil, dass die in die Vorkammer einzubringende Menge an Anfettungsbrennstoff genauer dosiert und auch zeitlich präziser zugeführt werden kann.
Ist die Ventileinrichtung in das Gehäuse der Vorkammer-Zündkerze integriert, ergeben sich die hier beschriebenen Vorteile. Durch das dann sehr kleine Totvolumen zwischen der
Ventileinrichtung und der Mündung des Zuführkanals in die Vorkammer lassen sich auch geringe Mengen des Anfettungsbrennstoffs präzise und zeitlich genau in die Vorkammer eindosieren. Zugleich wird eine Rußbildung in dem Zuführkanal nochmals deutlich reduziert.
Mithilfe der Ventileinrichtung ist es möglich, bei einem Gasmotor, der eine Mehrzahl von Zylindern und somit auch eine Mehrzahl von Vorkammer-Zündkerzen aufweist, eine den einzelnen Vorkammern zugeführte Menge an Anfettungsbrennstoff zylinderselektiv zu wählen, um beispielsweise Unterschiede in der Versorgung mit Anfettungsbrennstoff für die einzelnen Vorkammern oder zylinderindividuelle Leistungsunterschiede auszugleichen. Weiterhin ist es möglich, die Eindosierung von Anfettungsbrennstoff in die Vorkammer abhängig von einem Betriebspunkt des Gasmotors zu gestalten. Die eindosierte Menge an Anfettungsbrennstoff kann auch abhängig von anderen Parametern, insbesondere von Parametern des Gasmotors, variiert werden. Die Ventileinrichtung weist vorzugsweise einen Aktuator und ein durch den Aktuator betätigbares Sperrglied auf. Das Sperrglied ist bevorzugt in einer Richtung betätigbar, die senkrecht auf einer Wirkrichtung von Gaskräften beziehungsweise Druckkräften steht, welche durch den Anfettungsbrennstoff auf das Sperrglied wirken. Anders als aus dem Stand der Technik bekannt, wird eine Hubbewegung des Sperrglieds also nicht in Wirkrichtung dieser Druckkräfte, sondern senkrecht dazu bewirkt. Der Aktuator muss somit nicht gegen die
Druckkräfte anarbeiten, wodurch er nur eine sehr geringe Kraft aufbringen muss und sehr klein ausgebildet sein kann. Es wird auch eine Vorkammer-Zündkerze bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass der
Aktuator ringförmig ausgebildet ist. Bevorzugt ist er in einem Ringraum zwischen dem Gehäuse und der radial innerhalb des Gehäuses angeordneten Zündeinrichtung, besonders bevorzugt in einer Warmschrumpfzone, angeordnet. Auf diese Weise ist es sehr bauraumsparend möglich, den Aktuator in die Vorkammer-Zündkerze zu integrieren.
Alternativ oder zusätzlich ist vorzugsweise das Sperrglied ringförmig ausgebildet, wobei es bevorzugt in dem Ringraum zwischen dem Gehäuse und der radial innerhalb des Gehäuses angeordneten Zündeinrichtung, vorzugsweise in der Warmschrumpfzone, angeordnet ist. Dabei wirkt das Sperrglied bevorzugt mit einer Mehrzahl - in Umfangsrichtung gesehen - in dem Gehäuse angeordneter Zuführkanäle zusammen, wobei es diese durch eine Hubbewegung senkrecht zu der Erstreckung eines Kanalabschnitts, mit welchem das Stellglied zusammenwirkt, öffnen und sperren kann. Dadurch, dass das Sperrglied bei seinem Hub eine Mehrzahl von Zuführkanälen freigibt und sperrt, ergibt sich insgesamt ein hinreichender Förderquerschnitt, sodass ein kleiner Hubweg trotz der im Vergleich zu einem flüssigen Brennstoff geringen Energie- und Volumendichte des gasförmigen Anfettungsbrennstoffs ausreicht, um über den sich insgesamt ergebenden Förderquerschnitt eine ausreichende Aiifettungsbrennstoffmenge in die Vorkammer zu dosieren. Somit bedarf es für die Ventileinrichtung weder einer Kraft- noch einer Hubverstärkung, und es kann ein kleiner Aktuator genutzt werden, welcher vergleichsweise geringe Kräfte über einen kleinen Hubweg erzeugt. Dies ermöglicht eine bauraumsparende, voll integrierte Bauweise der Vorkammer-Zündkerze beziehungsweise der Ventileinrichtung in der Vorkammer-Zündkerze.
Der kleine Hubweg des Sperrglieds und des Aktuators hat auch den Vorteil, dass eine besonders genaue und feine Dosierung des Anfettungsbrennstoffs möglich ist. In diesem Zusammenhang wird bevorzugt, dass der Aktuator als Piezoelement ausgebildet ist. Dabei ist es aufgrund der nur geringen, für den Hub des Stellglieds erforderlichen Kraft möglich, ein einfaches Piezoelement ohne Kraftverstärkung und ohne Hubverstärkung zu verwenden. Die Ventileinrichtung ist dadurch einfach, kostengünstig und äußerst bauraumsparend ausgebildet.
Es wird auch eine Vorkammer-Zündkerze bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass die Zündeinrichtung eine - sich in Längsrichtung erstreckende - Mittelelektrode und mindestens eine radial von der Mittelelektrode beabstandete Massenelektrode umfasst. Zwischen der mindestens einen Massenelektrode und der Mittelelektrode ist ein Zündspalt ausgebildet.
Vorzugsweise umgreift die mindestens eine Massenelektrode - in Umfangsrichtung gesehen - die Mittelelektrode. Es wird ein Ausführungsbeispiel bevorzugt, bei welchem die Mittelelektrode im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet ist. Weiterhin wird ein Ausführungsbeispiel bevorzugt, bei welchem die Massenelektrode als Ring ausgebildet ist, welcher die Mittelektrode entlang von deren Umfang mit einem radialen Abstand umgreift, sodass der Zündspalt im Bereich des radialen Abstands ausgebildet ist. Alternativ ist es möglich, dass die Massenelektrode mehrere— in Umfangsrichtung gesehen - vorzugsweise symmetrisch um die Mittelelektrode herum angeordnete Elektrodensegmente umfasst, die ebenfalls mit einem radialen Abstand zu der Mittelelktrode vorgesehen sind, sodass sich auch hier der Zündspalt in dem radialen Abstand zwischen den Elektrodensegmenten der Massenelektrode und der Mittelelektrode ergibt. Die Vorkammer-Zündkerze ist demnach bevorzugt als elektrische Zündkerze mit zentraler
Funkenlage ausgebildet, wobei der Zündbereich in dem Zündspalt angeordnet ist. Die
Mittelelektrode ist vorzugsweise in Längsrichtung oberhalb der Massenelektrode— in
Umfangsrichtung gesehen - von einem Isolatorfuß umgriffen. Entsprechend ist hier
vorzugsweise das erste Ende des mindestens einen Zuführkanals auf den Zündspalt oder auf den Isolatorfuß hin ausgerichtet.
Es ist auch ein Ausführungsbeispiel der Vorkammer-Zündkerze möglich, bei welchem eine wandnahe Zündlage realisiert wird. Insbesondere ist ein Ausführungsbeispiel möglich, das als elektrische Zündkerze mit wandnaher Funkenlage ausgebildet ist.
Auch andere Ausgestaltungen der Vorkammer-Zündkerze sind möglich. Beispielsweise wird auch ein Ausführungsbeispiel bevorzugt, bei welchem die Vorkammer-Zündkerze als
Laserzündkerze ausgebildet ist. Insgesamt zeigt sich, dass der mindestens eine, in das Gehäuse integrierte Zufuhrkanal nicht zuletzt auch Teil eines Kühlkonzepts für die Vorkammer-Zündkerze ist. Üblicherweise erfolgt eine Wärmeabfuhr im Bereich einer Vorkammer-Zündkerze ausschließlich über den thermischen Kontakt des Gehäuses mit der Wandung der Hülse und/oder des Zylinderkopfs. Bei der hier vorgeschlagenen Vorkammer-Zündkerze weist der in dem Zuführkanal angeordnete
Anfettungsbrennstoff stets eine Temperatur auf, die kleiner ist, als die Temperatur in der Vorkammer, insbesondere als die Temperatur an der Oberfläche des Isolatorfußes. Hierdurch trägt der vergleichsweise kühle Anfettungsbrennstoff schon in dem Zuführkanal zur Kühlung der Vorkammer-Zündkerze bei, wobei die Temperatur derselben dauerhaft im Betrieb um ungefähr 50 K abgesenkt werden kann. Durch geschickte Ausrichtung des Zuführkanals, insbesondere von dessen ersten Ende, ist es möglich, den Zündbereich und/oder die Elektroden durch den frisch zugeführten Anfettungsbrennstoff zu kühlen. Diese Vorgehensweise ist besonders
erfolgversprechend, wenn zugleich eine zentrale Zündlage in der Vorkammer realisiert wird. Weiterhin ist es möglich, durch geeignete Eindüsung des Anfettungsbrennstoffs in die
Vorkammer eine Gemischqualität im Bereich von Oberflächen der Vorkammer, insbesondere von Oberflächen der Elektroden und/oder des Isolatorfußes, zu reduzieren, sodass sich dort ein geringerer Umsatz bei der Verbrennung und somit ein geringerer Wärmeeintrag in die
Oberflächen ergibt. Auf diese Weise kann bereits eine Aufheizung der Vorkammer-Zündkerze im Betrieb reduziert werden.
Bei dem herkömmlichen Kühlkonzept führt die Vorkammer beziehungsweise Vorkammer- Zündkerze bedarf es eines relativ großen Bauraums, um eine ausreichende Wärmeabfuhr über den thermischen Kontakt mit dem Zylinderkopf zu gewährleisten. Das zusätzliche Kühlkonzept, welches sich hier durch den mindestens einen, in das Gehäuse integrierten, kapillarförmigen Zuführkanal ergibt, ermöglicht durch die hinzukommende Kühlleistung eine bauraumsparende Ausgestaltung der Vorkammer-Zündkerze, ohne dass deswegen eine überhöhte Temperatur zu befürchten ist. Die Aufgabe wird schließlich auch gelöst, indem ein Gasmotor mit den Merkmalen des
Anspruchs 11 geschaffen wird. Der Gasmotor, der als Hubkolbenmaschine ausgebildet ist, weist mindestens einen Zylinder auf, der einen Hauptbrennraum umfasst. In dem Zylinder ist ein Kolben oszillierbar aufgenommen. Weiterhin weist der Gasmotor einen Zylinderkopf auf, durch den der Hauptbrennraum - in Längsrichtung des Zylinders gesehen - auf einer dem Kolben gegenüberliegenden Seite abgeschlossen ist. Der Gasmotor zeichnet sich dadurch aus, dass in dem Zylinderkopf eine Vorkammer-Zündkerze nach einem der vorhergehenden
Ausführungsbeispiele derart angeordnet ist, dass die Vorkammer über den mindestens einen Schusskanal mit dem Hauptbrennraum in Fluidverbindung steht. Auf diese Weise ist es möglich, ein auch stark abgemagertes Gemisch in dem Hauptbrennraum durch die in der Vorkammer erhöhte Zündenergie über den mindestens einen Schusskanal sicher zu entflammen. Weiterhin ergeben sich die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit der Vorkammer-Zündkerze erläutert wurden. Bevorzugt weist der Gasmotor eine Zylinderbohrung mit einem Durchmesser von mindestens 130 mm bis höchstens 200 mm, vorzugsweise von mindestens 140 mm bis höchstens 190 mm, vorzugsweise von mindestens 150 mm bis höchstens 180 mm, besonders bevorzugt von 170 mm auf. Gerade bei Gasmotoren dieser Größe verwirklichen sich in besonderer Weise die Vorteile der Vorkammer-Zündkerze, welche sowohl sehr kompakt ist als auch eine im Vergleich zu einer ungespülten Vorkammer-Zündkerze deutlich verbesserte Erhöhung der Zündenergie ermöglicht.
Es wird ein Gasmotor bevorzugt, der sich dadurch auszeichnet, dass in dem Zylinderkopf eine Hülse, insbesondere eine Wasserhülse angeordnet ist, in der die Vorkammer-Zündkerze aufgenommen ist. Die Hülse dient als Wasserhülse insbesondere der isolierten, trockenen Anordnung der Vorkammer-Zündkerze in einem von Kühlwasser durchspülten Volumen des Zylinderkopfs. Bevorzugt weist die Hülse mindestens einen Kanalabschnitt als Teil der Zuführ- Einrichtung für den Anfettungsbrennstoff in den mindestens einen Zuführkanal der Vorkammer- Zündkerze auf. Der Anfettungsbrennstoff wird demnach dem Zuführkanal bevorzugt über die Hülse zugeführt. Da wesentliche Teile der Zufuhr für den Anfettungsbrennstoff einerseits in die Vorkammer-Zündkerze selbst und andererseits in die Hülse integriert sind, ist der Zylinderkopf nur minimal durch zusätzliche Bohrungen geschwächt. Insbesondere bedarf es keiner Bohrung im Bereich eines Brenndecks des Zylinderkopfs, um den Anfettungsbrennstoff zuzuführen, sodass dieses sehr stabil und dauerlastfest ausgebildet sein kann. Es wird auch ein Gasmotor bevorzugt, der sich dadurch auszeichnet, dass der Zylinderkopf einen Kühlbereich aufweist, indem die Wasserhülse angeordnet ist. Diese weist eine Kühlbohrung auf, durch welche eine äußere Umfangsfläche des Gehäuses der Vorkammer-Zündkerze mit dem Kühlbereich in Fluidverbindung ist. Die Kühlbohrung ergänzt das zuvor beschriebene
Kühlkonzept der Vorkammer-Zündkerze, indem in einen äußeren Bereich des Gehäuses Kühlwasser geführt werden kann. Hierdurch ist eine nochmals kleinere Ausbildung der
Vorkammer-Zündkerze möglich, weil diese zusätzlich noch aktiv über das durch die
Wasserhülse zugeführte Kühlwasser gekühlt wird. Schließlich wird ein Gasmotor bevorzugt, der sich durch eine Steuerungseinrichtung
auszeichnet, mit welcher der Aktuator der Vorkammer-Zündkerze insbesondere gepulst ansteuerbar ist. Es ist dann möglich, den Anfettungsbrennstoff nicht nur auf einmal, sondern insbesondere im Sinne einer zeitlich getakteten, mehrfachen Dosierung in die Vorkammer einzubringen. Dabei ist diese multiple Dosierung durch die entsprechend ausgebildete
Steuerungseinrichtung bevorzugt so steuerbar, dass sie phasenrichtig relativ zu einer
Gasströmung in der Vorkammer derart erfolgt, dass sich eine räumlich-geometrisch günstige Verteilung des Anfettungsbrennstoffs in der Vorkammer ergibt. Insbesondere während des Kompressionshubs des Kolbens ergeben sich in der Vorkammer zeitlich variierende Drall- und Tumbleströmungen. Die zeitliche Variation dieser Strömungen kann vorteilhaft durch eine geeignete Ansteuerung des Aktuators derart genutzt werden, dass der in mehreren
Eindüsereignissen zugeführte Anfettungsbrennstoff optimal verteilt wird. Auf diese Weise ist es möglich, den Anfettungsbrennstoff gezielt dorthin zu bringen, wo er seine maximale Wirkung entfaltet. Dies wiederum führt dazu, dass die Gesamtmenge an eingebrachtem
Anfettungsbrennstoff reduziert werden kann, weil nicht durch Überdosierung sichergestellt werden muss, dass in den relevanten Bereichen genügend Anfettungsbrennstoff vorhanden ist. Dies führt insgesamt zu einer Brennstoffeinsparung. Zwar ist auch auf dieser Weise eine vollständige Homogenisierung des Gemischs in der Vorkammer nicht darstellbar. Allerdings ist dies auch nicht zwingend erforderlich. Vielmehr wird durch das über die multiple Zufuhr von Anfettungsbrennstoff aktiv initialisierte oder zumindest beeinflusste Mischungs- und
Spülverhalten der Vorkammer ein Abstand zwischen lokal geringen und besseren
Gemischqualitäten reduziert, beziehungsweise es werden örtlich geringere Gemischqualitäten durch Anfettung in bessere überführt. Dabei ist es insbesondere möglich, um eine zentrale Zündoder Funkenlage herum symmetrisch Gemischqualitäten zu generieren, insbesondere zu schichten, die einen schnellen und gleichmäßigen Durchbrand in Richtung aller in der Wandung vorhandenen Schusskanäle ermöglicht. Dies wiederum kann genutzt werden, um - wie bereits angedeutet - den zentralen Schusskanal oder Mittelkanal zu drosseln, sodass dieser weder die Ladungsbewegung in der Vorkammer noch das Ausbringen der Zündfackeln in den
Hauptbrennraum dominiert. Vielmehr werden die radialen oder tangentialen Bohrungen funktional gestärkt, wodurch zum einen die Ladungsbewegung in der Vorkammer vergleichmäßigt wird, und wodurch zum anderen eine besonders symmetrische, einen homogenen Durchbrand gewährleistende Ausbringung der Zündfackeln in den Hauptbrennraum ermöglicht wird. In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn die verschiedenen Schusskanäle der
Vorkammer-Zündkerze auf die geometrischen Bedingungen sowie einen gewünschten
Verbrennungsverlauf in dem Hauptbrennraum abgestimmt und positionsrichtig relativ zu diesem angeordnet sind. Hierzu weist die Vorkammer-Zündkerze vorzugsweise mindestens ein
Ausrichtungsmittel, beispielsweise einen Vorsprung oder eine Ausnehmung auf, um eine positonsgenaue Anordnung relativ zu dem Hauptbrennraum sicherzustellen.
Insgesamt ist es möglich, die Restgasverteilung in der Vorkammer durch eine geeignete Abstimmung von Konstruktionsparametern derselben zu optimieren. Solche
Konstruktionsparameter umfassen das Vorkammer- Volumen, die Verteilung des Vorkammer- Volumens insbesondere in einen Volumenteil oberhalb der Zündlage sowie einen Volumenteil unterhalb der Zündlage, eine konstruktive Gestaltung des Isolatorfußes, eine geeignete geometrische Gestaltung zur Ausbildung definierter Drall- und/oder Tumbleverhältnisse, sowie eine geeignete konstruktive Gestaltung einer Innenkontur der Vorkammer. Der Gasmotor, in dem die Vorkammer-Zündkerze eingesetzt wird, dient bevorzugt dem Antrieb eines Land-, Wasser- oder Luftfahrzeugs, wobei insbesondere schwere Landmaschinen, Fahrzeuge im Tagebau oder Züge infrage kommen. So kann er beispielsweise in einem
Triebwagen oder einer Lokomotive eingesetzt werden. Auch ein Einsatz in einem Schiff ist möglich. Weiterhin ist es möglich, dass der Gasmotor für stationäre Anwendungen,
beispielsweise zum Antreiben eines Generators für einen Notstrombetrieb, einen
Dauerlastbetrieb oder einen Spitzenlastbetrieb vorgesehen ist. Insbesondere ist es möglich, den Gasmotor in einem Blockheizkraftwerk einzusetzen. Weiterhin ist es möglich, dass der
Gasmotor in einer stationären Umgebung zum Antrieb von Hilfs- und/oder Nebenaggregaten, beispielsweise von Feuerlöschpumpen auf einer Bohrinsel, eingesetzt wird.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Vorkammer- Zündkerze; Figur 2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Vorkammer- Zündkerze; Figur 3 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer Vorkammer- Zündkerze, und
Figur 4 eine Detaildarstellung des dritten Ausführungsbeispiels gemäß Figur 3. Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Vorkammer- Zündkerze 1. Diese weist ein Gehäuse 3 mit einer Wandung 5 auf, die von einem zentralen Schusskanal 7, der auch als Mittelbohrung bezeichnet wird, sowie von radialen oder tangentialen Schusskanälen 9 durchsetzt ist. Die Wandung 5 umschließt eine Vorkammer 11 , die in an sich bekannter Weise der Erhöhung der Zündenergie, insbesondere für den Betrieb eines
Magergasmotors, mithin der sicheren Entflammung eines sehr mageren Brennstoff- Luft- Gemischs in einem nicht dargestellten Hauptbrennraum eines Gasmotors dient.
Die Vorkammer-Zündkerze 1 weist eine Zündeinrichtung 13 auf, die hier eine Mittelelektrode 15 und eine diese - in Umfangsrichtung gesehen - umgreifende Massenelektrode 17 umfasst.
Zwischen der Mittelelektrode 15 und der Massenelektrode 17 ist - in radialer Richtung gesehen - ein Zündbereich 18 beziehungsweise Zündspalt 19 ausgebildet.
Die Massenelektrode liegt vorzugsweise über das Gehäuse 3 auf Massepotential, während an die Mittelelektrode 15 über einen elektrischen Anschluss 21 zu einem vorherbestimmten
Zündzeitpunkt eine Hochspannung angelegt wird. Es kommt dann in dem Zündspalt 19 zu einem Überschlag zwischen der Mittelelektrode 15 und der Massenelektrode 17, sodass hier ein
Zündfunke ausgebildet wird, durch den ein in dem Zündspalt 19 vorhandenes, brennbares Gemisch gezündet wird. Das Gehäuse 3 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch insgesamt vier
kapillarförmige Zuführkanäle 23 durchsetzt, wobei in der schematisch dargestellten Schnittebene von Figur 1 zwei Zuführkanäle 23 dargestellt sind. Insgesamt sind die vier Zuführkanäle 23 bevorzugt symmetrisch entlang eines Umfangs der Vorkammer-Zündkerze 1 verteilt, wobei sie jeweils paarweise einen Winkelabstand von 90° zueinander aufweisen. Entsprechend ist ein dritter Zuführkanal hier auf einer dem Betrachter zugewandten Seite vor der Bildebene von Figur 1 angeordnet, während ein vierter Zuführkanal auf einer dem Betrachter abgewandten Seite hinter der Bildebene von Figur 1 angeordnet ist. Die Zuführkanäle münden im Bereich eines ersten Endes 25, von denen der besseren
Übersichtlichkeit hier nur eines mit dem Bezugszeichen 25 bezeichnet ist, in die Vorkammer 11. An einem zweiten Ende 27 münden die Zuführkanäle 23 in eine Zufuhr-Einrichtung für einen Anfettungsbrennstoff, welche hier eine in das Gehäuse 3 eingebrachte, sich in Umfangsrichtung erstreckende Verteilernut 29 aufweist. Alle vier Zuführkanäle 23 münden somit mit ihrem zweiten Ende 27 in die Verteilernut 29, die sich bevorzugt entlang des gesamten Umfangs des Gehäuses 3 erstreckt. Somit können alle Zuführkanäle 23 über die eine Verteilernut 29 mit Anfettungsbrennstoff, insbesondere mit Brenngas, versorgt werden. Der besseren
Übersichtlichkeit wegen ist hier nur eines der zweiten Enden mit dem Bezugszeichen 27 gekennzeichnet.
Die Zuführkanäle 23 sind kapillarförmig, mithin im Verhältnis zu ihrer Länge sehr dünn, also mit sehr kleinem Durchmesser ausgebildet. Dabei beträgt das Verhältnis des Durchmessers zu der Länge der Kanäle bevorzugt ungefähr 2 %. Es zeigt sich auch, dass sich die Zuführkanäle 23 im Wesentlichen in Längsrichtung der
Vorkammer-Zündkerze erstrecken, mithin im Wesentlichen entlang einer in Figur 1 vertikalen Richtung. Dem steht nicht entgegen, dass Kanalabschnitte ausgebildet sind, welche sich bereichsweise im Wesentlichen in radialer Richtung beziehungsweise schräg in dem Gehäuse 3 erstrecken. Die wesentliche Grundausrichtung der Zuführkanäle 23 und die Strömungsrichtung des Anfettungsbrennstoffs von der Verteilernut 29 in die Vorkammer 3 verläuft gleichwohl in Figur 1 vertikal, mithin in Längsrichtung der Vorkammer-Zündkerze.
Die Zuführkanäle 23 sind in dem Gehäuse 3, welches bei dem in Figur 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel einteilig ausgebildet ist, vorzugsweise durch Bohren oder besonders bevorzugt durch Erodieren hergestellt. Dabei ist es insbesondere durch Erodieren ohne Weiteres möglich, Zuführkanäle 23 auszubilden, die einen Durchmesser von weniger als 1 mm, vorzugsweise von 0,4 mm, auf eine Länge von bis zu 50 mm aufweisen. Aus fertigungstechnischen Gründen sind die Zuführkanäle 23 hier abschnittsweise gebohrt oder erodiert, wobei teilweise Durchgangsbohrungen erstellt wurden, welche von einer äußeren Umfangsfiäche 31 beziehungsweise von der Vorkammer 11 her in das Gehäuse 3 eingebracht wurden. Diese Durchgangsbohrungen sind an den Enden, an welchen bestimmungsgemäß beim Gebrauch der Vorkammer-Zündkerze 1 kein Anfettungsbrennstoff austreten soll, durch Stopfen 33 verschlossen.
Es zeigt sich, dass die Zuführkanäle 23 im Bereich des ersten Endes 25 bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel so ausgerichtet sind, dass der in die Vorkammer 11 eingeblasene
Anfettungsbrennstoff auf einen Isolatorfuß 35 gerichtet ist, der die Mittelelektrode 15 umgreift. Dies trägt insbesondere zur Kühlung einer Oberfläche, insbesondere einer Umfangsfiäche des Isolatorfußes 35 bei. Zugleich ergibt sich aufgrund der Ausrichtung der Zuführkanäle 23 im Bereich des ersten Endes 25 vorzugsweise eine im Gesamtkontext der dynamischen
Strömungsverhältnisse innerhalb der Vorkammer 11 eine geeignete Strömung, wobei durch Einbringen von Anfettungsbrennstoff ein geeigneter, insbesondere geschichteter Verlauf von Gemischqualitäten in der Vorkammer 11 erzeugt werden kann, um mit einer möglichst geringen Menge an Anfettungsbrennstoff die Zündenergie zu maximieren sowie einen raschen und vollständigen Durchbrand zu den Schusskanälen 7, 9 sicherzustellen. Durch die aus den
Schusskanälen 7, 9 austretenden Zündfackeln kann dann ein in dem nicht dargestellten
Hauptbrennraum vorliegendes, mageres Gemisch sicher und möglichst homogen entflammt werden.
Insbesondere wird in Hinblick auf die Einbringung des Anfettungsbrennstoffs einerseits und die Gasströmung in der Vorkammer 11 andererseits bevorzugt eine Gemischqualität in dem
Zündspalt 19 angehoben, sodass sich dort eine sichere Entflammung ergibt. Insbesondere wird eine für die Verbrennung optimale Schichtung der Gemischqualitäten um die hier zentrale Funkenlage verwirklicht.
Die Vorkammer-Zündkerze weist an dem Gehäuse 3 ein Außengewinde 37 auf, mit welchem sie in eine in Figur 1 nicht dargestellte Hülse einschraubbar ist. Hierzu weist die Hülse ein entsprechendes Innengewinde auf. Anhand von Figur 1 ist offensichtlich, dass die Vorkammer- Zündkerze 1 aufgrund ihrer voll integrierten Bauweise mit den kapillarförmigen Zuführkanälen 23, die sich im Wesentlichen in Längsrichtung erstrecken, insbesondere in radialer Richtung gesehen sehr kompakt ausgebildet sein kann. Sie kann daher bauraumsparend auch bei mittleren und kleineren Gasmotoren eingesetzt werden, beziehungsweise es ist gegebenenfalls möglich, einen Zylinderkopf, in dem die Vorkammer-Zündkerze 1 verwendet wird, kleiner und kompakter auszubilden, als einen herkömmlichen Zylinderkopf, in welchem eine bekannte Vorkammer- Zündkerze eingesetzt wird. Dabei haben die in das Gehäuse 3 integrierten, kapillarförmigen Zuführkanäle 23 den Vorteil, dass eine Statik des Zylinderkopfs und ganz besonders eines Brenndecks desselben nicht durch zusätzliche Kanäle beeinträchtigt wird, die andernfalls zur Zuführung von Anfettungsbrennstoff in die Vorkammer 11 vorgesehen sein müssten.
Die Zuführkanäle 23 dienen zugleich einem Kühlkonzept der Vorkammer-Zündkerze 1. Hierbei wirkt der in den Zuführkanälen 23 vorhandene Anfettungsbrennstoff, welcher stets eine niedrigere Temperatur als die Vorkammer 11 aufweist, kühlend, wobei allein durch diesen Effekt die Temperatur der Vorkammer-Zündkerze 1 um bis zu 50 K gesenkt werden kann. Hinzu kommt, dass der Zündbereich 18, insbesondere der Isolatorfuß 35, und/oder die Oberflächen der Elektroden 15, 17, durch den eingebrachten Anfettungsbrennstoff gekühlt werden. Dies ist in besonderer Weise bei zentraler Zünd- beziehungsweise Funkenlage möglich, welche bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 verwirklicht ist. Ein weiterer Beitrag zu dem Kühlkonzept besteht darin, dass die Einbringung des Anfettungsbrennstoffs derart gesteuert werden kann, dass sich im Bereich von Oberflächen, insbesondere im Bereich des Isolatorfußes 35, eine
vergleichsweise niedrige Gemischqualität ergibt, sodass hier eine verringerte Umsetzung und damit auch ein geringerer Wärmeeintrag in die Oberflächen stattfindet. Diese werden dadurch weniger stark aufgeheizt als bei einer herkömmlichen Vorkammer-Zündkerze.
Durch diese kombinierten Maßnahmen zur Vermeidung eines überhöhten Wärmeeintrags und zur Kühlung der Vorkammer-Zündkerze 1 ist es möglich, einen thermischen Kontakt der Vorkammer-Zündkerze 1 zu dem Zylinderkopf zu verringern und somit weiterhin Bauraum einzusparen.
Die Zündeinrichtung 13 umfasst bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein
Halterungselement 39, welches zugleich als Isolationselement ausgebildet und daher aus einem isolierenden Material gefertigt ist. Das Halterungselement 39 nimmt in einer zentralen Bohrung 41 die Mittel elektrode 15 auf. Das Gehäuse 3 ist in einem Befestigungsbereich 43 an dem
Halterungselement 39 befestigt. Die Massenelektrode 17 ist bevorzugt wiederum an dem
Gehäuse 3 angeordnet und über dieses geerdet. Hierzu bedarf es bevorzugt keines separaten Kabels. Vielmehr ist das Gehäuse 3 und mithin auch zugleich die Massenelektrode 17 vorzugsweise über das Außengewinde 37 und das entsprechende Innengewinde der Hülse geerdet, die ihrerseits wiederum über den Zylinderkopf geerdet ist.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer
Vorkammer-Zündkerze 1. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen
Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Im Folgenden wird im Wesentlichen auf die Unterschiede zwischen dem ersten
Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 und dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 eingegangen. Im Übrigen wird auf die vorangehende Beschreibung verwiesen. Der besseren Übersichtlichkeit wegen ist in Figur 2 die Mittel elektrode 15 nicht dargestellt.
Die Vorkammer-Zündkerze 1 ist hier in eine Hülse 44, nämlich eine Wasserhülse 45
eingeschraubt, wobei das Außengewinde 37 mit einem Innengewinde 47 der Wasserhülse 45 kämmt. Zugleich ist die Wasserhülse 45 in einen Zylinderkopf 49 eines Gasmotors 51 eingesetzt, wobei sie ein Außengewinde 53 aufweist, das mit einem Innengewinde 55 des Zylinderkopfs 49 kämmt. Dabei ist das Innengewinde 55 hier in einem Brenndeck 57 des Zylinderkopfs
angeordnet, wobei das Brenndeck 57 einen in einem Zylinder 59 angeordneten Hauptbrennraum 61 auf einer Seite, die einem hier nur schematisch dargestellten, in dem Zylinder 59
oszillierbaren Kolben 63 - in Längsrichtung des Zylinders 59 gesehen - gegenüberliegt, verschließt. Dabei steht die Vorkammer 11 über die Schusskanäle 7, 9 mit dem Hauptbrennraum 61 in Fluidverbindung.
Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 ist bei dem zweiten
Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 das Gehäuse 3 zweiteilig ausgebildet, wobei es einen inneren Gehäuseteil 65 umfasst, der in einem äußeren Gehäuseteil 67 konzentrisch angeordnet ist.
Zwischen dem inneren Gehäuseteil 65 und dem äußeren Gehäuseteil 67, die mit Spielpassung ineinander angeordnet sind, ergibt sich ein Ringspalt 69, mithin ein radialer Abstand zwischen den beiden Gehäuseteilen 65, 67, der Teil der Zuführkanäle 23 ist. Es ist daher hier lediglich erforderlich, die Kanalabschnitte der Zuführkanäle 23 im Bereich der ersten Enden 25 zu bohren oder zu erodieren, während sich ein erheblicher Teil der Zuführkanäle 23 - in Längsrichtung gesehen - durch den Ringspalt 69 in wenig aufwendiger und kostengünstiger Weise ergibt. Das Halterungselement 39 wird vorzugsweise insbesondere im Bereich einer
Warmschrumpfzone 71 in den inneren Gehäuseteil 65 eingeschrumpft. Der innere Gehäuseteil 65 und der äußere Gehäuseteil 67 können durch verschiedene Fügeverfahren, beispielsweise durch Schrauben, Schweißen, Löten, Kleben, Schrumpfen oder in anderer geeigneter Weise miteinander verbunden werden. Durch das Warmschrumpfen ergibt sich eine gasdichte
Verbindung zwischen dem Halterungselement 39 und dem inneren Gehäuseteil 65.
Auch bei dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 ist es möglich, dass das Gehäuse 3 in einer Warmschrumpfzone 71 auf die Zündeinrichtung 13, insbesondere auf das
Halterungselement 39, aufgeschrumpft wird.
Die Anordnung aus der Wasserhülse 45 und der Vorkammer-Zündkerze 1 ist in einem
Kühlbereich 73 des Zylinderkopfs 49 angeordnet, der von Kühlwasser durchströmt ist. Dabei wird die Vorkammer-Zündkerze 1 durch die Wasserhülse 45 in an sich bekannter Weise von dem Kühlwasser räumlich getrennt und so vor Wasserschäden und insbesondere vor
kühlwasserbedingten Kurzschlüssen geschützt.
In der Wasserhülse 45 ist hier ein Kanalabschnitt 75 angeordnet, der Teil einer Zuführ- Einrichtung 77 für den Anfettungsbrennstoff ist. Von dem Kanal 75 wird der
Anfettungsbrennstoff an die Zuführkanäle 23, besonders bevorzugt an die Verteilernut 29 übergeben. Der Zylinderkopf 49 weist einen Zuströmkanal 79 für den Anfettungsbrennstoff auf, der seinerseits in einer Hülsen- Verteilernut 81 mündet, welche in der Wasserhülse 45 vorgesehen ist. Dabei mündet auch der Kanalabschnitt 75 in die Hülsen- Verteilernut 81, sodass der
Anfettungsbrennstoff über den Zuströmkanal 79, die Hülsen- Verteilernut 81 , den Kanalabschnitt 75, die Verteilernut 29 und die Zuführkanäle 23 in die Vorkammer 11 gelangen kann.
Vorzugsweise ist stromaufwärts des Zuströmkanals 79, oder stromaufwärts des in Figur 2 dargestellten Abschnitts des Zuströmkanals 79 in demselben, eine Ventileinrichtung angeordnet, durch welche der Fluidpfad für den Anfettungsbrennstoff zu der Vorkammer 11 in einer ersten Funktionsstellung gesperrt und in einer zweiten Funktionsstellung der Ventileinrichtung freigegeben werden kann. Mithilfe der Ventileinrichtung ist es dann möglich, den
Anfettungsbrennstoff gezielt zu dosieren und zeitgesteuert in die Vorkammer 11 zu leiten. Dabei entsteht jedoch ein relativ großes Totvolumen zwischen der in Figur 2 nicht dargestellten Ventileinrichtung und der Vorkammer 11 im Bereich des Zuströmkanals 79, des Kanalabschnitts 75 und der Zuführkanäle 23.
Die in Figur 2 dargestellte Wasserhülse 45 weist eine Kühlbohrung 83 auf, durch welche die äußere Umfangsfläche 31 des Gehäuses 3 mit dem Kühlbereich 73 in Fluidverbindung ist.
Hierdurch kann zusätzlich zu den bereits erwähnten Kühlmechanismen die Vorkammer- Zündkerze 1 aktiv mit dem Kühlmedium, insbesondere dem Kühlwasser in dem Kühlbereich 73 des Zylinderkopfs 49 gekühlt werden. Dies trägt - wie auch bereits die anderen
Kühlmechanismen - dazu bei, dass die Vorkammer-Zündkerze 1 insgesamt kleiner gebaut und somit bauraumsparend ausgestaltet sein kann.
Anhand der Figuren 1 und 2 zeigt sich noch Folgendes: Die gesamte Zuleitung für den
Anfettungsbrennstoff in die Vorkammer 11 weist ihren kleinsten Durchmesser in dem Bereich der Zuführkanäle 23, insbesondere im Bereich von deren ersten Enden 25 auf, also dort, wo der Anfettungsbrennstoff in die Vorkammern eintritt. Weiterhin ist es wichtig, dass dieser dünnste Leitungsabschnitt, mithin insbesondere die Zuführkanäle 23, eine nicht zu geringe Länge aufweisen, wobei die Länge vorzugsweise mindestens einem Durchmesser der Vorkammer entspricht, wobei sie bevorzugt größer ist als der Vorkammerdurchmesser. Hierdurch wird die Kapillarform der Kanäle sichergestellt, wodurch die genannten Vorteile verwirklicht werden. Durch eine geschickte Verschaltung beziehungsweise Wahl der verschiedenen Volumina und Leitungsquerschnitte im Bereich der Zuführung des Anfettungsbrennstoffs in die Vorkammer 11 ist eine mechanische und vorzugsweise auch eine thermische Entlastung der Ventileinrichtung möglich, die zur Dosierung des Anfettungsbrennstoffs vorgesehen ist. Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt ein Verhältnis der Länge der Zuführkanäle 23 zu dem Durchmesser der Vorkammer von mindestens 100 % bis höchstens 150 %, vorzugsweise 130 %.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels der Vorkammer- Zündkerze 1. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Auch in Zusammenhang mit Figur 3 wird im Wesentlichen auf die Unterschiede zu den vorangegangenen
Ausführungsbeispielen eingegangen. Weiterhin ist auch in Figur 3 der besseren Übersichtlichkeit wegen die Mittelelektrode 15 nicht dargestellt. Bei dem Ausfuhrungsbeispiel gemäß Figur 3 verlaufen die Zufuhrkanäle 23 weitestgehend vertikal, mithin in Längsrichtung der Vorkammer-Zündkerze 1 , wobei sie auch im Bereich des ersten Endes 25 vertikal in die Vorkammer 11 einmünden. Sie umfassen hierbei zwei
Kanalabschnitte, nämlich einen von der Verteilernut 29 sich in radialer Richtung - in Figur 3 demnach horizontal - erstreckenden, ersten Teilabschnitt 85, der in einen vertikal verlaufenden und im Bereich des ersten Endes 25 in die Vorkammer 11 einmündenden, zweiten Teilabschnitt 87 mündet. Der besseren Übersichtlichkeit wegen ist hier jeweils nur einer der Teilabschnitte 85, 87 mit dem jeweiligen Bezugszeichen gekennzeichnet. Insgesamt umfasst auch das
Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 bevorzugt vier Zuführkanäle 23, wobei jeder dieser
Zuführkanäle 23 jeweils einen ersten und einen zweiten Teilabschnitt 85, 87 aufweist.
In das Gehäuse 3 ist hier eine Ventileinrichtung 89 integriert, durch welche die Zuführkanäle 23 in einer ersten Funktionsstellung freigebbar und in einer zweiten Funktionsstellung sperrbar sind. Die Ventileinrichtung 89 weist einen Aktuator 91 sowie ein durch diesen betätigbares Sperrglied 93 auf. Dabei sind der Aktuator 91 und das Sperrglied 93 hier in der Warmschrumpfzone 71 zwischen dem Halterungselement 39 und dem Gehäuse 3 angeordnet. Insgesamt ist so die Ventileinrichtung 89 sehr bauraumsparend, klein und kompakt in die Vorkammer-Zündkerze 1 integriert.
Der Aktuator 91 und das Sperrglied 93 sind ringförmig ausgebildet und umgreifen hier insbesondere das Halterungselement 39. Sie sind somit in einem Ringraum 95 zwischen dem Gehäuse 3 und der Zündeinrichtung 13, insbesondere dem von der Zündeinrichtung 13 umfassten Halterungselement 39, angeordnet. Dabei ist das Halterungselement 39 hier radial innerhalb des Gehäuses 3 angeordnet.
In Figur 3 ist ein Detail der Ventileinrichtung 89 mit einem Kreis K gekennzeichnet.
Fig. 4 zeigt das in Figur 3 mit dem Kreis K gekennzeichnet Detail in vergrößerter Darstellung. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird.
Der Aktuator 91 ist als ringförmiges Piezoelement ausgebildet, welches sich bei Anlegen einer elektrischen Spannung - in Figur 4 - in vertikaler Richtung ausdehnen und/oder kontrahieren kann. Dabei wirkt der Aktuator 91 auf das Sperrglied 93, welches durch ein Federelement 96, das bevorzugt als Tellerfeder ausgebildet ist, gegen den Aktuator 91 vorgespannt ist. Dabei stützt sich das Federelement 96 - in Längsrichtung gesehen - auf einer Schulter 97 des Gehäuses 3 ab. Das Sperrglied 93 ist ringförmig ausgebildet und erstreckt sich mit einem ringförmigen
Vorsprung 99 in eine ebenfalls ringförmige Ausnehmung 101 des Gehäuses 3 hinein, wobei die ringförmige Ausnehmung 101 den ersten Teilabschnitt 85 der Zuführkanäle 23 unterbricht. Das Sperrglied 93 weist eine Bohrung 103 auf, die in einer ersten Funktionsstellung des Sperrglieds 93 nicht mit dem ersten Teilabschnitt 85 fluchtet, sodass dieser durch das Sperrglied 93 verschlossen ist. In dieser ersten Funktionsstellung ist vorzugsweise der Aktuator 91
spannungslos und nicht ausgedehnt, wobei das Sperrglied 93 durch die Vorspannkraft des
Federelements 96 in Figur 4 nach oben gegen den Aktuator 91 gedrängt wird. Wird der Aktuator 91 bestromt, dehnt er sich - in Figur 4 in vertikaler Richtung - aus und drängt somit das
Sperrelement 93 gegen die Kraft des Federelements 96 in Figur 4 nach unten in seine zweite Funktionsstellung. In dieser fluchtet die Bohrung 103 mit dem ersten Teilabschnitt 85 des Zuführkanals 23, sodass dieser freigegeben ist. In dieser Funktionsstellung kann dann
Anfettungsbrennstoff durch die Verteilernut 29 und den ersten Teilabschnitt 85 in den zweiten Teilabschnitt 87 und letztlich in die Vorkammer 11 einströmen.
In Figur 4 ist deutlich erkennbar, dass das Sperrglied in einer Richtung betätigbar ist - hier nämlich in Längsrichtung - die senkrecht auf einer Wirkrichtung von Druckkräften steht, welche durch den Anfettungsbrennstoff auf das Sperrglied ausgeübt werden. Diese wirken hier nämlich in dem ersten Teilabschnitt 85 in radialer Richtung. Somit muss das Sperrglied 93 durch den Aktuator 91 nicht entgegen der Druckkräfte, welche der Anfettungsbrennstoff auf es ausübt, verlagert werden, sodass lediglich die Vorspannkraft des Federelements 96 durch den Aktuator 91 überwunden werden muss. Dieser kann daher sehr klein ausgebildet sein und bedarf keiner Kraftverstärkungsmechanismen. Da der erste Teilabschnitt 85 außerdem einen sehr kleinen Durchmesser aufweist, ergibt sich nur ein sehr kleiner Hubweg für das Sperrglied 93, um den ersten Teilabschnitt zu öffnen oder zu verschließen. Entsprechend muss auch der Aktuator 91 nur einen sehr kleinen Hubweg aufbringen. Es bedarf daher weder einer Kraftverstärkung noch einer Hub Wegverlängerung oder Hub Verstärkung für den Aktuator 91. Dieser kann daher unmittelbar als ringförmiges Piezoelement ausgebildet sein, ohne dass es weiterer Elemente bedarf. Dadurch ist die gesamte Ventileinrichtung 89 sehr bauraumsparend insbesondere in der Warmschrumpfzone 71 beziehungsweise dem Ringraum 95 unterbringbar, ohne dass hierdurch der Bauraum der Vorkammer-Zündkerze 1 vergrößert wird. Durch den kleinen Hubweg des Sperrglieds 93 und des Aktuators 91 wird auch eine sehr feine Dosierung des Anfettungsbrennstoffs in die Vorkammer 11 möglich. Hinzu kommt, dass durch die räumlich sehr nahe Anordnung der Ventileinrichtung 89 an der Vorkammer 11 sehr kleine Mengen an Anfettungsbrennstoff präzise und zeitlich exakt gesteuert zugeführt werden können.
Dadurch, dass das Sperrglied 93 auf eine Mehrzahl von Zuführkanälen 23 wirkt, ergibt sich insgesamt ein relativ großer Förderquerschnitt, ohne dass es deswegen eines großen Hubwegs bedarf. Daher ist auch mit einem kleinen Hub des Sperrglieds 93 trotz der geringen
Energiedichte und der geringen Volumendichte des Anfettungsbrennstoffs, der bevorzugt gasförmig ist, die Einbringung einer ausreichenden Menge desselben und damit eine
ausreichende Erhöhung der Zündenergie in der Vorkammer 11 möglich.
Ein Volumen der Zuführkanäle stromabwärts der Ventileinrichtung 89 wird konstruktiv so klein wie möglich gehalten, wobei dieses Volumen bevorzugt maximal dem Volumen der Vorkammer 11 entspricht. Besonders bevorzugt werden sehr viel kleinere Volumina angestrebt.
In Figur 4 ist noch schematisch eine Steuerungseinrichtung 105 dargestellt, die über eine Wirkverbindung 107 mit dem Aktuator 91 wirkverbunden ist. Dabei ist es möglich, dass es sich bei der Steuerungseinrichtung 105 um das Motorsteuergerät des Gasmotors 51 handelt. Mithilfe der Steuerungseinrichtung 105 ist der Aktuator 91 vorzugsweise gepulst ansteuerbar. Somit ist besonders bevorzugt eine mehrfache, multiple Dosierung des Anfettungsbrennstoffs in die Vorkammer 11 möglich, wobei die Dosierung phasenrichtig auf eine Gasströmung, insbesondere auf eine zeitlich variierende Drall- und Tumbleströmung des Gases in der Vorkammer abstimmbar ist. Hierdurch ist es möglich, den Anfettungsbrennstoff zeitlich genau so
einzudosieren, dass sich eine vorzugsweise geschichtete, optimale Verteilung des
Anfettungsbrennstoffs in der Vorkammer 11 ergibt. Dadurch, dass es auf diese Weise möglich ist, den Anfettungsbrennstoff mit maximaler Effizienz innerhalb der Vorkammer 11 zu verteilen, ist es nicht mehr nötig, ein Übermaß an Anfettungsbrennstoff in die Vorkammer 11
einzudosieren, um sicherzustellen, dass in den relevanten Bereichen eine ausreichend hohe Gemischqualität vorliegt. Daher kann insbesondere durch die multiple Dosierung mittels der Steuerungseinrichtung 105 und des Aktuators 91 Brennstoff im Betrieb des Gasmotors 51 eingespart werden. Damit zeigt sich insgesamt, dass es mithilfe der Vorkammer-Zündkerze 1 möglich ist, auch kleinere Gasmotoren 51 mit begrenztem Bauraum derart zu betreiben, dass die Vorteile einer gespülten Vorkammer jedenfalls insoweit verwirklicht werden, als eine ausreichende
Zündenergie zur sicheren Entflammung eines sehr mageren Gemischs in einem Hauptbrennraum 61 gegeben ist.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Vorkammer-Zündkerze ( 1 ) mit
- einem Gehäuse (3), das
eine von einer von mindestens einem Schusskanal (7,9) durchsetzten Wandung (5) umschlossene Vorkammer (11) aufweist, und mit
einer Zündeinrichtung (13), die ausgebildet ist, um ein in der Vorkammer (11) angeordnetes zündfähiges Gemisch zu entzünden, wobei
- das Gehäuse (3) durch mindestens einen Zuführkanal (23) durchsetzt ist, der
an einem ersten Ende (25) in die Vorkammer (11) und
an einem zweiten Ende (27) außerhalb des Gehäuses (3) in eine Zufuhr-Einrichtung (77) für einen Anfettungsbrennstoff mündet,
dadurch gekennzeichnet, dass
- der Zuführkanal (23) kapillarförmig ausgebildet ist und
sich im Wesentlichen in Längsrichtung der Vorkammer-Zündkerze (1) erstreckt.
2. Vorkammer-Zündkerze (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die
Vorkammer-Zündkerze (1) zur Anordnung in einer Hülse (44), vorzugsweise einer Wasserhülse (45), ausgebildet ist, wobei das Gehäuse (3) bevorzugt ein Außengewinde (37) zum
Einschrauben in ein entsprechendes Innengewinde (47) der Hülse (44), insbesondere der Wasserhülse (45), aufweist.
3. Vorkammer-Zündkerze (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuführkanal (23) einen Durchmesser aufweist, der von mindestens 0,5 % bis höchstens 10 % eines Durchmessers der Vorkammer (11), vorzugsweise von mindestens 0,1 mm bis höchstens 1 mm, besonders bevorzugt 0,4 mm beträgt.
4. Vorkammer-Zündkerze (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet; dass der mindestens eine Zuführkanal (23) im Bereich des ersten Endes (25) auf einen Zündbereich (18) oder auf mindestens einen zu kühlenden Bereich in der Vorkammer (11) ausgerichtet ist.
5. Vorkammer-Zündkerze (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Zuführkanälen (23) vorzugsweise symmetrisch entlang eines Umfangs des Gehäuses (3) angeordnet ist, wobei bevorzugt drei Zuführkanäle (23), vier Zuführkanäle (23) oder ein Ringspalt vorgesehen ist/sind.
6. Vorkammer-Zündkerze (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (3) einteilig ausgebildet ist, oder dass das Gehäuse (3) zwei Gehäuseteile umfasst, wobei ein innerer Gehäuseteil (65) konzentrisch in einem äußeren
Gehäuseteil (67) angeordnet ist, und wobei der Zuführkanal (23) bereichsweise einen zwischen dem inneren Gehäuseteil (65) und dem äußeren Gehäuseteil (67) angeordneten Ringspalt (69) umfasst.
7. Vorkammer-Zündkerze (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorkammer-Zündkerze (1) eine in das Gehäuse (3) integrierte
Ventileinrichtung (89) aufweist, durch die der mindestens eine Zuführkanal (23) freigebbar und sperrbar ist, wobei die Ventileinrichtung (89) vorzugsweise einen Aktuator (91) und ein durch den Aktuator (91) betätigbares Sperrglied (93) aufweist, wobei das Sperrglied (93) bevorzugt in einer Richtung betätigbar ist, die senkrecht auf einer Wirkrichtung von auf das Sperrglied (93) wirkenden Druckkräften des Anfettungsbrennstoffs steht.
8. Vorkammer-Zündkerze (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (91) und/oder das Sperrglied (93) ringförmig ausgebildet ist/sind, wobei der Aktuator (91) und/oder das Sperrglied (93) bevorzugt in einem Ringraum (95) zwischen dem Gehäuse (3) und der radial innerhalb des Gehäuses (3) angeordneten Zündeinrichtung (13) angeordnet ist/sind.
9. Vorkammer-Zündkerze (1) nach einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (91) als Piezoelement ausgebildet ist.
10. Vorkammer-Zündkerze (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Zündeinrichtung (13) eine Mittelelektrode (15) und mindestens eine radial von der Mittelelektrode (15) beabstandete Massenelektrode (17) aufweist, wobei zwischen der mindestens einen Massenelektrode (17) und der Mittelelektrode (15) ein Zündspalt (19) ausgebildet ist, wobei bevorzugt die mindestens eine Massenelektrode (17) die Mittelelektrode (15) - in Umfangsrichtung gesehen - umgreift.
11. Gasmotor (51) mit mindestens einem einen Hauptbrennraum (61) umfassenden Zylinder (59), in dem ein Kolben (63) oszillierbar aufgenommen ist, und mit einem Zylinderkopf (49), durch den der Hauptbrennraum (61) - in Längsrichtung des Zylinders (59) gesehen - dem Kolben (63) gegenüberliegend abgeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem
Zylinderkopf (49) eine Vorkammer-Zündkerze (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 derart angeordnet ist, dass die Vorkammer (11) über den mindestens einen Schusskanal (7,9) mit dem Hauptbrennraum (61) in Fluidverbindung steht.
12. Gasmotor (51) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Zylinderkopf (49) eine Hülse (44), insbesondere eine Wasserhülse (45), angeordnet ist, in der die Vorkammer- Zündkerze (1) aufgenommen ist, wobei die Hülse (44), vorzugsweise die Wasserhülse (45), mindestens einen Kanalabschnitt (75) als Teil der Zuführ-Einrichtung (77) für den
Anfettungsbrennstoff in den mindestens einen Zuführkanal (23) der Vorkammer-Zündkerze (1) aufweist.
13. Gasmotor (51) nach einem der Ansprüche 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderkopf (49) einen Kühlbereich (73) aufweist, in dem die Wasserhülse (45) angeordnet ist, wobei die Wasserhülse (45) eine Kühlbohrung (83) aufweist, durch die eine äußere
Umfangsfläche (31) des Gehäuses (3) der Vorkammer-Zündkerze (1 ) mit dem Kühlbereich (73) in Fluidverbindung ist.
14. Gasmotor (51) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, gekennzeichnet durch eine
Steuerungseinrichtung (105), die ausgebildet ist zur insbesondere gepulsten Ansteuerung des Aktuators (91).
PCT/EP2014/001327 2013-05-29 2014-05-16 Vorkammer-zündkerze und gasmotor Ceased WO2014191085A1 (de)

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