WO2020048775A1 - Vorkammerzündkerze für einen brennraum einer verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines kraftfahrzeugs - Google Patents

Vorkammerzündkerze für einen brennraum einer verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines kraftfahrzeugs Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a prechamber spark plug for a combustion chamber
  • the prechamber spark plug has a prechamber with a plurality of openings designed as through openings, so that the prechamber can be fluidly connected via the openings to the combustion chamber, for example, which is designed as a cylinder or is formed by a cylinder.
  • a fuel-air mixture can be introduced from the combustion chamber into the prechamber via the openings, so that the fuel-air mixture introduced into the prechamber can be ignited in the prechamber.
  • JP 2010096089 A discloses a spark plug for one
  • the object of the present invention is to improve a prechamber spark plug of the type mentioned at the outset.
  • Pre-chamber inflowing fuel-air mixture to cause.
  • the openings when the internal combustion engine is fired, the openings, for example due to their arrangement and / or their number and / or their geometry, cause a tumble-shaped flow of the fuel, which is also simply referred to as a mixture and flows through the openings and thereby flows into the prechamber from the combustion chamber -Air mixture.
  • the openings for example in the form of through openings, characterize the mixture flowing through the openings and thus flowing out of the combustion chamber into the prechamber into a tumble flow, at least essentially tumble-shaped and thus cylindrical, so that the prechamber spark plug can be operated particularly advantageously and thus the
  • the tumble-shaped flow is also a roll-shaped flow, which is also referred to as a roll flow and extends, for example, at least partially in one plane or runs in one plane, in which the main axis lies.
  • the tumble-shaped flow also known as tumble flow
  • there is a better purging of the residual gas in the area of the spark plug gap which results in a more stable ignition.
  • nozzles which are also referred to as nozzles or are designed as nozzles. Due to the better flushing and the cheaper convection, one can
  • the openings bring about a particularly due to their symmetrical or uniform arrangement at least essentially swirling flow of the mixture flowing through the opening and thereby flowing out of the combustion chamber into the prechamber.
  • Antechamber nozzles designated convection is.
  • the diameters differ in their diameters.
  • at least two of the openings enclose two mutually different angles with the main axis of the prechamber.
  • the angle is an angle between the main axis and a respective axis of the opening.
  • the tumble-shaped flow is further improved by a corresponding number of openings and / or a corresponding distribution of the nozzles around the main axis, the openings around the main axis of the prechamber
  • the combustion in the antechamber is stabilized and improved by the tumble flow. This enlarges the working area of the pre-chamber so that a more stable ignition at idle and a lower pre-ignition risk at full load can be realized. Furthermore, the better combustion results in a greater pressure increase in the prechamber and consequently a deeper torch penetration into the combustion chamber. This also improves combustion in the
  • the torch penetration depth is to be understood as a distance or a depth that the respective torches penetrate into the antechamber.
  • the respective torch results from the fact that the mixture is ignited in the antechamber and subsequently burned.
  • Fig. 1 is a schematic and sectional side view of a
  • Prechamber spark plug according to the invention for a combustion chamber of an internal combustion engine of a motor vehicle
  • Fig. 2 shows a further schematic and sectional side view of the
  • Fig. 3 is a schematic representation of the prechamber spark plug according to one in
  • Fig. 2 designated A view.
  • a prechamber spark plug 10 for a combustion chamber for example formed by a cylinder or formed as a cylinder, of an internal combustion engine of a motor vehicle, for example a piston engine, in particular a motor vehicle such as a passenger car.
  • the motor vehicle can be driven by means of the internal combustion engine.
  • the prechamber spark plug 10 has at least or exactly one prechamber 12, the contour of which is designated by 14 in FIG. 1.
  • the prechamber 12 has several, also referred to as nozzles and as
  • the internal combustion engine has the aforementioned combustion chamber and the
  • the prechamber spark plug 12 is fluidly connected to the combustion chamber via the openings 16. This allows a fuel-air mixture from the combustion chamber at least partially through the openings 16 and thereby flow into the prechamber 12, so that at least in part of the fuel-air mixture, also referred to simply as a mixture, flows from the combustion chamber and the openings 16 into the prechamber 12.
  • the prechamber spark plug 10 has at least one or more electrodes, wherein one of the electrodes of the prechamber spark plug 10, designated 18, can be seen in FIG. 1.
  • the electrode 18 is designed, for example, as a ground electrode.
  • At least one ignition spark can be provided in the prechamber 12 by means of the electrode 18.
  • the mixture which has flowed into the pre-chamber 12 via the openings 16 is ignited by means of the ignition spark. This results in flares which flow through the openings 16 and thus flow through the openings 16 from the prechamber 12 into the combustion chamber. This ignites, for example, a further part of the fuel-air mixture remaining in the combustion chamber.
  • the openings 16 are designed to accommodate a tumble-shaped flow of the flow through the openings 16 into the flow through the openings 16 which is shown by arrows in FIG To effect prechamber 12 flowing mixture.
  • FIG. 1 also illustrate one as
  • Flow contour is the contour of the tumble-shaped flow.
  • a main axis of the prechamber 12 is designated by 20.
  • the main axis 20 runs in a plane, around whose normal to the plane the tumble-shaped flow runs. Due to the tumble-shaped flow, a volume V of the pre-chamber 12, also known as the harmful volume, can be kept particularly low, so that a particularly large working area of the pre-chamber 12 can be ensured.
  • respective axes of the respective openings 16 are designated 22.
  • the respective axis 22 coincides with a direction of passage along which the mixture can flow from the combustion chamber through the respective opening 16 and thus can flow into the prechamber 12.
  • the respective torch which results from the ignition of the part of the mixture in the pre-chamber 12, can flow through the respective opening 16 and thus flow from the pre-chamber 12 into the combustion chamber.
  • the respective axis 22 and thus the respective opening 16 encloses an angle cd or a2 with the main axis 20.
  • the angles a1 and o2 differ.
  • a first of the openings 16 has a first diameter through which the mixture can flow, a second of the openings 16 having a second diameter of the mixture that is different from the first diameter
  • the openings 16 can be arranged unevenly or asymmetrically around the main axis 20.
  • the tumble-shaped flow is thus determined, for example, by the different diameters and / or by the
  • Fig. 3 with ß is an angle, for example, two of the axes 22 include each other.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorkammerzündkerze (10) für einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine, mit einer mehrere Öffnungen (16) aufweisenden Vorkammer (12), welche mit dem Brennraum über die Öffnungen (16) fluidisch verbindbar ist, über die ein Kraftstoff-Luft-Gemisch aus dem Brennraum in die Vorkammer (12) einleitbar ist, wobei die Öffnungen (16) dazu ausgebildet sind, eine tumbleförmige Strömung des über die Öffnungen (16) in die Vorkammer (12) einströmenden Kraftstoff-Luft-Gemisches zu bewirken, wobei zumindest zwei der Öffnungen (16) voneinander unterschiedliche, von dem Kraftstoff-Luft-Gemisch durchströmbare Durchmesser aufweisen, wobei zumindest zwei der Öffnungen (16) voneinander unterschiedliche Winkel (α1, α2) mit einer Hauptachse (20) der Vorkammer (12) einschließen.

Description

Vorkammerzündkerze für einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs
Die Erfindung betrifft eine Vorkammerzündkerze für einen Brennraum einer
Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Eine solche Vorkammerzündkerze für einen Brennraum einer
Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, ist beispielsweise bereits der DE 29 16 285 A1 als bekannt zu entnehmen. Die Vorkammerzündkerze weist eine Vorkammer mit mehreren, als Durchgangsöffnungen ausgebildeten Öffnungen auf, sodass die Vorkammer über die Öffnungen fluidisch mit dem beispielsweise als ein Zylinder ausgebildeten beziehungsweise durch einen Zylinder gebildeten Brennraum verbindbar ist. Über die Öffnungen kann ein Kraftstoff-Luft-Gemisch aus dem Brennraum in die Vorkammer eingeleitet werden, sodass das beispielsweise in die Vorkammer eingeleitete Kraftstoff-Luft-Gemisch in der Vorkammer gezündet werden kann.
Des Weiteren offenbart die JP 2010096089 A eine Zündkerze für eine
Verbrennungskraftmaschine.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorkammerzündkerze der eingangs genannten Art zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorkammerzündkerze mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen
Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben. Um eine Vorkammerzündkerze der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art zu verbessern, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Öffnungen dazu ausgebildet sind, eine tumbleförmige Strömung des über die Öffnungen in die
Vorkammer einströmenden Kraftstoff-Luft-Gemisches zu bewirken. Mit anderen Worten, bei einem befeuerten Betrieb der Verbrennungskraftmaschine bewirken die Öffnungen beispielsweise durch ihre Anordnung und/oder ihre Anzahl und/oder ihre Geometrie eine tumbleförmige Strömung des einfach auch als Gemisch bezeichneten und die Öffnungen durchströmenden und dadurch aus dem Brennraum in die Vorkammer einströmenden Kraftstoff-Luft-Gemisches. Wieder mit anderen Worten ausgedrückt prägen die beispielsweise als Durchgangsöffnungen ausgebildeten Öffnungen den die Öffnungen durchströmenden und dadurch aus dem Brennraum in die Vorkammer strömenden Gemisch eine auch als Tumbleströmung bezeichnete, zumindest im Wesentlichen tumbleförmige und somit walzenförmige Strömung auf, sodass sich ein besonders vorteilhafter Betrieb der Vorkammerzündkerze und somit der
Verbrennungskraftmaschine insgesamt realisieren lässt. Im Gegensatz zu einer drallförmigen Strömung, die sich beispielsweise schraubenartig um eine Hauptachse beziehungsweise um eine Längsachse der Vorkammer erstreckt, ist die tumbleförmige Strömung eine auch als Walzenströmung bezeichnete, walzenförmige Strömung, die sich beispielsweise zumindest teilweise in einer Ebene erstreckt beziehungsweise in einer Ebene verläuft, in der die Hauptachse liegt.
Durch die auch als Tumbleströmung bezeichnete, tumbleförmige Strömung wird die Verbrennung in der Vorkammer auf mehreren Wegen positive beeinflusst, wodurch ein besonders großer Arbeitsbereich in der Vorkammer realisiert werden kann. Zum einen ergibt sich eine bessere Spülung des Restgases im Bereich des Zündkerzenspalts, woraus eine stabilere Zündung resultiert. Im Vergleich zu herkömmlichen Zündkerzen ergibt sich eine günstigere Konvektion des anfänglichen Flammenkerns in Richtung der auch als Düsen bezeichneten oder als Düsen ausgebildeten Öffnungen. Durch die bessere Spülung und durch die günstigere Konvektion kann eine
verbrennungsgünstigere Gestaltung der Elektrode der Zündkerze erreicht werden, insbesondere im Hinblick auf eine geringere Eindringtiefe der Masseelektrode. Daraus resultiert eine geringere Oberfläche, woraus wiederum geringere Wandwärmeverluste resultieren. Hierdurch kann die Vorentflammungsneigung im Vergleich zu herkömmlichen Vorkammerzündkerzen reduziert werden.
Bei herkömmlichen Vorkammerzündkerzen bewirken die Öffnungen insbesondere aufgrund ihrer symmetrischen beziehungsweise gleichmäßigen Anordnung eine zumindest im Wesentlichen drallförmige Strömung des die Öffnung durchströmenden und dadurch aus dem Brennraum in die Vorkammer einströmenden Gemisches.
Nachteilig dabei ist, dass geringere Turbulenzintensitäten der Vorkammer erreicht werden und der anfängliche Flammenkern nicht oder weg von den auch als
Vorkammerdüsen bezeichneten Öffnungen konvektiert wird.
Um bei herkömmlichen Vorkammerzündkerzen hinreichend geringe Restgasgehalte im Bereich des Zündkerzenspalts sicherzustellen, muss eine lange Elektrode verwendet werden, die tief in die Vorkammer hinein ragt. Dadurch ergibt sich eine zerklüftete Oberfläche in der Vorkammer und ein großes Schadvolumen. Die zuvor genannten Probleme und Nachteile können bei der erfindungsgemäßen Vorkammerzündkerze vermieden werden.
Die Düsen unterscheiden sich in ihren Durchmessern. Zur Verbesserung der Tumble- Strömung schließen wenigstens zwei der Öffnungen zwei voneinander unterschiedliche Winkel mit der Hauptachse der Vorkammer ein. Insbesondere ist der Winkel ein Winkel zwischen der Hauptachse und einer jeweiligen Achse der Öffnung.
Zusätzlich wird die tumbleförmige Strömung durch eine entsprechende Anzahl der Öffnungen und/oder eine entsprechende Verteilung der Düsen um die Hauptachse weiter verbessert, wobei die Öffnungen um die Hauptachse der Vorkammer
ungleichmäßig beziehungsweise unsymmetrisch oder asymmetrisch verteilt angeordnet sind.
Die Verbrennung in der Vorkammer wird durch die Tumbleströmung stabilisiert und verbessert. Dadurch wird das Arbeitsgebiet der Vorkammer vergrößert, sodass eine stabilere Entflammung bei Leerlauf und ein geringeres Vorentflammungsrisiko bei Volllast realisiert werden können. Weiterhin ergibt sich durch die bessere Verbrennung ein größerer Druckanstieg in der Vorkammer und folglich eine tiefere Fackeleindringtiefe in den Brennraum. Dadurch verbessert sich ebenfalls die Verbrennung im
Hauptbrennraum. Unter der Fackeleindringtiefe ist eine Strecke oder eine Tiefe zu verstehen, die jeweilige Fackeln in die Vorkammer eindringe. Die jeweilige Fackel resultiert daraus, dass das Gemisch in der Vorkammer gezündet und in der Folge verbrannt wird.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und
Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen
Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:
Fig. 1 eine schematische und geschnittene Seitenansicht einer
erfindungsgemäßen Vorkammerzündkerze für einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs;
Fig. 2 eine weitere schematische und geschnittene Seitenansicht der
Vorkammerzündkerze; und
Fig. 3 eine schematische Darstellung der Vorkammerzündkerze gemäß einer in
Fig. 2 mit A bezeichneten Ansicht.
In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 und 2 zeigen jeweils in einer schematischen und geschnittenen Seitenansicht eine Vorkammerzündkerze 10 für einen beispielsweise durch einen Zylinder gebildeten oder als Zylinder ausgebildeten Brennraum einer beispielsweise als Hubkolbenmaschine ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Kraftwagens wie beispielsweise eines Personenkraftwagens. Das Kraftfahrzeug ist mittels der Verbrennungskraftmaschine antreibbar. Die Vorkammerzündkerze 10 weist wenigstens oder genau eine Vorkammer 12 auf, deren Kontur in Fig. 1 mit 14 bezeichnet ist. Die Vorkammer 12 weist mehrere, auch als Düsen bezeichnete und als
Durchgangsöffnungen ausgebildet Öffnungen 16 auf, über welche die Vorkammer 12 fluidisch mit dem Brennraum verbindbar ist. In ihrem vollständig hergestellten Zustand weist die Verbrennungskraftmaschine den zuvor genannten Brennraum und die
Vorkammerzündkerze 10 auf, sodass im vollständig hergestellten Zustand der
Verbrennungskraftmaschine die Vorkammerzündkerze 12 über die Öffnungen 16 fluidisch mit dem Brennraum verbunden ist. Hierdurch kann ein Kraftstoff-Luft-Gemisch aus dem Brennraum zumindest teileweise durch die Öffnungen 16 hindurch und dadurch in die Vorkammer 12 strömen, sodass zumindest in Teil des einfach auch als Gemisch bezeichneten Kraftstoff-Luft-Gemisches aus dem Brennraum und die Öffnungen 16 in die Vorkammer 12 einströmt.
Die Vorkammerzündkerze 10 weist dabei wenigstens eine oder mehrere Elektroden auf, wobei in Fig. 1 eine mit 18 bezeichnete der Elektroden der Vorkammerzündkerze 10 erkennbar ist. Die Elektrode 18 ist beispielsweise als eine Masseelektrode ausgebildet. Mittels der Elektrode 18 kann wenigstens ein Zündfunke in der Vorkammer 12 bereitgestellt werden. Mittels des Zündfunkens wird das Gemisch, welches über die Öffnungen 16 in die Vorkammer 12 eingeströmt ist, gezündet. Daraus resultieren Fackeln, die die Öffnungen 16 durchströmen und somit über die Öffnungen 16 aus der Vorkammer 12 in die Brennraum strömen. Dadurch wird beispielsweise ein weiterer, im Brennraum verbleibender Teil des Kraftstoff-Luft-Gemisches gezündet.
Um nun einen besonders vorteilhaften Betrieb der Vorkammerzündkerze 10 und somit der Verbrennungskraftmaschine insgesamt realisieren zu können, sind die Öffnungen 16 dazu ausgebildet, eine in Fig. 1 durch Pfeile dargestellte und auch als walzenförmige Strömung oder Walzenströmung bezeichnete tumbleförmige Strömung des über die Öffnungen 16 in die Vorkammer 12 einströmenden Gemisches zu bewirken.
Insbesondere veranschaulichen die in Fig. 1 gezeigten Pfeile eine auch als
Strömungskontur bezeichnete Kontur der tumbleförmigen Strömung.
In Fig. 2 ist mit 20 eine Hauptachse der Vorkammer 12 bezeichnet. Die Hauptachse 20 verläuft dabei in einer Ebene, um deren Ebenennormale die tumbleförmige Strömung herum verläuft. Durch die tumbelförmige Strömung kann ein auch als Schadvolumen bezeichnetes Volumen V der Vorkammer 12 besonders gering gehalten werden, sodass ein besonders großer Arbeitsbereich der Vorkammer 12 gewährleistet werden kann. In Fig. 2 sind jeweilige Achsen der jeweiligen Öffnungen 16 mit 22 bezeichnet. Die jeweilige Achse 22 fällt mit einer Durchtrittsrichtung zusammen, entlang welcher das Gemisch aus dem Brennraum durch die jeweilige Öffnung 16 hindurchströmen und somit in die Vorkammer 12 einströmen kann. Außerdem kann die jeweilige Fackel, welche aus dem Zünden des Teils des Gemisches in der Vorkammer 12 resultiert, durch die jeweilige Öffnung 16 durchströmen und somit aus der Vorkammer 12 in den Brennraum strömen. Aus Fig. 2 ist erkennbar, dass die jeweilige Achse 22 und somit die jeweilige Öffnung 16 mit der Hauptachse 20 einen Winkel cd beziehungsweise a2 einschließt. Um beispielsweise die tumbleförmige Strömung zu bewirken, unterscheiden sich die Winkel a1 und o2.
Außerdem weist beispielsweise eine erste der Öffnungen 16 eine ersten, von dem Gemisch durchströmbaren Durchmesser auf, wobei eine zweite der Öffnungen 16 einen von dem ersten Durchmesser unterschiedlichen zweiten, von dem Gemisch
durchströmbaren Durchmesser aufweist. Somit sind beispielsweise unterschiedliche Durchmesser der Düsen und/oder unterschiedliche Winkel a1 und o2 vorgesehen.
Aus Fig. 3 ist erkennbar, dass alternativ oder zusätzlich vorgesehen sein kann, dass die Öffnungen 16 um die Hauptachse 20 herum ungleichmäßig beziehungsweise asymmetrisch verteilt angeordnet sein können. Die tumbleförmige Strömung wird somit beispielsweise durch die unterschiedlichen Durchmesser und/oder durch die
unterschiedlichen Winkel cd und a2 und/oder um die Verteilung der Öffnungen 16 um die Hauptachse 20 herum und/oder durch eine entsprechende Anzahl der Öffnungen 16 bewirkt. In Fig. 3 ist mit ß ein Winkel bezeichnet, den beispielsweise zwei der Achsen 22 miteinander einschließen.
Bezugszeichenliste
10 Vorkammerzündkerze
12 Vorkammer
14 Kontur
16 Öffnungen
18 Elektrode
20 Hauptachse
22 Achse
cd , a2 Winkel
ß Winkel
V Volumen

Claims

Patentansprüche
1. Vorkammerzündkerze (10) für einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine, mit einer mehrere Öffnungen (16) aufweisenden Vorkammer (12), welche mit dem Brennraum über die Öffnungen (16) fluidisch verbindbar ist, über die ein Kraftstoff- Luft-Gemisch aus dem Brennraum in die Vorkammer (12) einleitbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Öffnungen (16) dazu ausgebildet sind, eine tumbleförmige Strömung des über die Öffnungen (16) in die Vorkammer (12) einströmenden Kraftstoff-Luft- Gemisches zu bewirken, wobei zumindest zwei der Öffnungen (16) voneinander unterschiedliche, von dem Kraftstoff-Luft-Gemisch durchströmbare Durchmesser aufweisen, wobei zumindest zwei der Öffnungen (16) voneinander unterschiedliche Winkel (a1 , a2) mit einer Hauptachse (20) der Vorkammer (12) einschließen.
2. Vorkammerzündkerze (10) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Öffnungen (16) der Vorkammer (12) um deren Hauptachse (20) herum asymmetrisch verteilt angeordnet sind.
PCT/EP2019/072314 2018-09-07 2019-08-21 Vorkammerzündkerze für einen brennraum einer verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines kraftfahrzeugs WO2020048775A1 (de)

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