WO2020150759A1 - Zylinderkopf einer brennkraftmaschine - Google Patents

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Christof Knollmayr
Andreas Zurk
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    • Y02T10/30—Use of alternative fuels, e.g. biofuels

Definitions

  • the invention relates to a cylinder head of an internal combustion engine - in particular a gas engine - with at least one spark plug with at least one mass electrode to form an ignition spark and a prechamber component receiving the spark plug, which forms a prechamber into which a fuel channel leads, which is arranged in the prechamber component, wherein a flow axis of the fuel channel at the outlet of the fuel channel is oriented in the direction of the mass electrode, so that essentially all of the fuel flows to the mass electrode.
  • the invention relates to a method for manufacturing such a Zylin derkopfs and an internal combustion engine with the cylinder head.
  • the internal combustion engine and thereby the cylinder head is usually liquid-cooled.
  • Spark plugs with prechambers are known, for example, from EP 2 894 313 Al for gas Otto engines.
  • a fuel valve is provided in a sleeve around the spark plug.
  • a Leitele element between the spark plug and fuel valve and the prechamber is provided for better mixing.
  • a combustion chamber of the internal combustion engine is fluidly connected to the pre-chamber via transfer openings.
  • a riser is provided between the front chamber and the transfer opening.
  • a disadvantage of this arrangement is that, on the one hand, an additional guide element must be provided to ensure thorough mixing. Furthermore, the division of the fuel flow leads to undesirable flow conditions.
  • the object of the present invention is to improve the ignition. This object is achieved by the cylinder head above in that the axis of rotation of the spark plug is offset from the axis of the prechamber, the offset being between 0% and 15% of the largest prechamber diameter.
  • the flow axis here means the line that connects the centers of the diameters of the fuel channel with one another.
  • the direction of the flow axis corresponds, neglecting any unexpected flow effects through the fuel valve or the flow downstream of the fuel channel approximately to the direction of flow of the undisturbed flow at the center of the flow channel.
  • a flow axis of the fuel channel is curved in at least one direction. This curvature enables the inclination of the fuel valve with respect to the prechamber axis to be reduced without any disturbing flow effects having to be expected.
  • the radial size around the axis of the prechamber can be reduced.
  • Weight can be minimized by reducing the size, which in turn leads to a reduction in fuel consumption, which in turn is advantageous in terms of environmental protection.
  • Questions about packaging in vehicles are simplified by reducing the size.
  • the curvature can create a tumble or swirl, which can have a positive effect on the mixing in the antechamber.
  • the targeted flow against the mass electrode makes it possible to transport the ignitable mixture closer to the ignition spark more quickly. This leads to faster and more controllable ignition in the antechamber. The combustion becomes more even and the tendency to knock in the antechamber is reduced.
  • the axis of rotation of the spark plug is offset from the axis of the prechamber, the offset being between 0% and 15% of the largest prechamber diameter. This further increases the quality of the combustion and a gas-air mixture can be ignited as uniformly and quickly as possible. Another advantage achieved by this is that the space available in a cylinder head is used as efficiently and efficiently as possible.
  • the combination of the targeted flow to the mass electrode with the small offset of the spark plug to the prechamber axis further enhances the advantages mentioned above. If the offset is 0% or almost 0%, there is no offset between the axis of rotation of the spark plug and the axis of the prechamber, that is to say these two axes merge into one another essentially without offset.
  • This object is also achieved by an internal combustion engine with a cylinder head according to the invention and by a method according to the invention for producing a cylinder head according to the invention.
  • the offset between the axis of rotation of the spark plug and the axis of the prechamber is between 0% and 15%, in particular between 0% and 10%, preferably between 0% and 8%, particularly preferably less than 7% of the largest prechamber diameter .
  • the spark plug is therefore centrally located.
  • an axis of rotation of the spark plug and the flow axis of the fuel channel lie essentially in one plane and that the flow axis is essentially curved in this plane. This makes a tumble attainable. If the fuel channel has a curvature in only one plane, this is useful in production since it is simplified accordingly.
  • the phrase “essentially” is understood to mean the dimensions and shapes of the object in question, which deviate from the exact shape or the exact dimension by a small proportion, for example within the scope of a manufacturing tolerance, since exact implementation is not possible.
  • the flow axis in the region of the outlet is arranged essentially normally on an axis of the prechamber, so that the flow of the ignition spark is essentially normal on the axis of the prechamber. This is favorable for certain installation spaces.
  • the flow axis in the area of the outlet is essentially inclined by an angle with respect to a normal plane through the axis of the prechamber, so that the flow of the ignition spark is essentially at an angle to the normal plane is inclined by the axis of the prechamber, the angle being between 0 and 30 °.
  • the outlet of the fuel channel with the flow axis is arranged at the level of the ground electrode along the axis of the prechamber.
  • the prechamber component prechamber component to have a prechamber sleeve to form the prechamber and a sleeve around the spark plug, the prechamber sleeve and the sleeve each being formed in one piece and / or being connected to one another.
  • This allows the prechamber component to be easily removed from the cylinder head in the event of problems with the ignition, which makes repairs and replacements easier and cheaper. If the prechamber envelope and the sleeve are connected to one another, this can be achieved, for example, by screwing with a seal. It can therefore be provided that the sleeve is made in one piece and the prechamber sleeve is made in one piece and then connected to one another. However, it may also be the case that the sleeve and the prechamber sleeve are formed in one piece.
  • a fuel valve is arranged in the prechamber component. In this way, leaks can be successfully avoided.
  • the flow axis of the fuel channel essentially corresponds to the axis of rotation of the fuel valve in a region of the fuel channel that adjoins the fuel valve. Turbulence after the fuel valve can be avoided.
  • the axis of rotation of the fuel valve is not coaxial with the axis of the fuel channel 12, but that an angle of approximately 0 ° to approximately 0 ° is provided between the two axes.
  • the fuel valve is arranged inclined with respect to the axis of the prechamber, this inclination preferably corresponding to an angle between -10 ° and + 35 °. Due to the above-mentioned reduction in inclination, an inclination of 0 °, that is to say no inclination, can be seen in an extreme case. That would lead to maximum space savings. However, it is the flow in the first area of the fuel channel that borders the fuel valve that requires a kink or a deflection, so that the flow could be negatively influenced.
  • an axis of rotation of the spark plug has an angle to the axis of the prechamber which is between 0 ° and 30 °.
  • the fuel channel is formed by a tubular recess along the flow axis within the prechamber component, so that the recess of the fuel channel is partially surrounded radially around the flow axis by material of the prechamber construction.
  • a favorable variant of the method provides for the spark plug thread for the spark plug to be cut in the prechamber component in such a way that a ground electrode is arranged in a defined position relative to the fuel channel after the screwing-in process.
  • the cylinder head is at least partially, in particular the prechamber and / or the spark plug, produced using 3D printing.
  • the cylinder head is at least partially manufactured by the additive manufacturing process of laser melting.
  • Figure 1 shows a detail of a cylinder head according to the invention in section in a first embodiment.
  • Fig. 2 is an enlarged view of the detail in Fig. 1;
  • FIG. 3 shows an alternative enlarged view from FIG. 1;
  • FIG. 4 shows a detail of a cylinder head according to the invention in section in a second embodiment
  • Fig. 5 shows a prechamber component with a spark plug and a fuel valve of a cylinder head according to the invention in the first embodiment and the schematic indication of a third embodiment.
  • the cylinder head 1 shows a detail of a liquid-cooled cylinder head 1 in a first embodiment.
  • the cylinder head 1 is part of an internal combustion engine that is operated as a gasoline engine.
  • the detail shows a prechamber component 2 in more detail.
  • the prechamber component 2 in the embodiment shown has a sleeve 3 and a prechamber sleeve 4 connected to the sleeve 3.
  • the prechamber cover 4 has an external thread and the sleeve 3 has an internal thread.
  • the prechamber sleeve 4 is screwed to the sleeve 3.
  • a seal is provided between prechamber sleeve 4 and sleeve 3.
  • the prechamber envelope 4 encloses a large part of a prechamber 5 which are flow-connected to a combustion chamber 7 via overflow openings 6.
  • the combustion chamber 7 is adjacent to the cylinder head 1, among other things, with the prechamber component 2 and is closed by it essentially in the direction of the prechamber 5.
  • a spark plug 8 and a gas valve 9 are arranged within the sleeve 3.
  • the spark plug 8 extends with a ground electrode 10 into the prechamber 5.
  • An area in which ignition sparks are formed by the spark plug 8 is provided with reference number 11.
  • the spark plug 8 is aligned with its axis of rotation D parallel to an axis A of the prechamber 5.
  • the axis of rotation D and the axis A are arranged offset. This axis of rotation D and the axis A are identical in an alternative embodiment.
  • the fuel valve 9 is arranged along an axis V, which corresponds to the axis of rotation of the fuel valve 9. This axis V is aligned inclined to the axis A of the prechamber.
  • the fuel valve 9 is connected to the prechamber 5 via a fuel channel 12.
  • the fuel channel 12 runs along a flow axis S. The direction of this corresponds to the flow vector of the undisturbed flow in the interior of the fuel channel 12.
  • the fuel channel 12 has an outlet 13 into the antechamber 5.
  • the fuel channel 12 is oriented at least at the outlet 13 in the direction of the spark 11 and the ground electrode 10. The fuel therefore flows in the direction of the ignition spark 11, as is to be signaled by the arrow B.
  • the fuel valve 9 is a distance a from the prechamber 5. This distance a is the distance of the delivery point of fuel from the fuel valve 9 into the fuel channel 12, the entry of the fuel channel, from the outlet 13 of the fuel channel 12 into the prechamber 5.
  • the largest prechamber diameter g can be found in the versions shown at the transition to the spark plug 8.
  • the largest prechamber diameter g is slightly larger than the diameter of the spark plug 8 in these versions. In alternative versions, these diameters can be the same.
  • Fig. 2 this arrangement is shown slightly enlarged. It can be seen from this that the axis of rotation D and the axis A of the prechamber 5 have a slight offset x from one another.
  • the spark plug 8 is further from the offset x the fuel valve 9 removed.
  • the axis V of the fuel valve 9 and the axis of rotation D of the spark plug 8 lie in a plane e, which also forms the sectional plane for the section of FIGS. 1 to 5.
  • the image plane is therefore identified by the reference symbol for plane e.
  • the offset x in FIG. 2 is less than 10% of the largest prechamber diameter g.
  • the fuel channel 12 has between an inlet with which the fuel channel
  • FIG. 3 shows a section from FIGS. 1 and 2.
  • the spark plug 8 with the ground electrode 10 and the ignition spark 11 are clearly visible.
  • Gas is released into the fuel channel 12 through the fuel valve 9.
  • the fuel channel 12 deflects the fuel flow B essentially along the flow axis S and at the outlet 13 the flow B is directed to the mass electrode 10.
  • the spark 11 arises between the ground electrode 10 and the main part of the spark plug 8.
  • the flow B in the direction of the ignition spark B ignites the gas and the fuel immediately.
  • the outlet 13 of the fuel channel 12 is arranged with the flow axis S at the level of the ignition spark 11 and the flow B of the fuel is emitted approximately along a normal plane, not marked, of the axis A of the front chamber 5 in the direction of the ignition spark 11.
  • the curvature 12a deflects the flow axis S by an angle d.
  • FIG. 4 shows a detail analogous to FIG. 3 of a second embodiment of the cylinder head 1 according to the invention. Only the differences from the first embodiment are explained below.
  • the same reference numerals denote components with the same functions.
  • the flow axis S at the outlet 13 is compared to the first embodiment, closer to the spark plug 8.
  • the flow axis S is inclined by an angle ⁇ in the region of the outlet 8.
  • the flow of fuel B is also inclined by the angle ⁇ and is directed at the ignition spark 11.
  • an alternative axis of rotation d of the spark plug 8 is indicated for a third embodiment.
  • This axis of rotation d has an inclination a to the axis A of the prechamber.
  • an angle g is drawn in this figure, which the axis V of the fuel valve 9 has a straight line which is parallel to the axis A of the front chamber.
  • the fuel valve 9 is inclined by the angle g with respect to this straight line.
  • the cylinder head 1 is liquid-cooled. 1 and 2 show cooling rooms which adjoin the prechamber component 2. As a result, the spark plug 8, the prechamber component 2 and the surroundings of these components of the cylinder head 2 are protected against thermal damage and heat can be removed.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf (1) einer Brennkraftmaschine - insbesondere eines Gasmotors - mit zumindest einer Zündkerze (8) mit mindestens einer Massenelektrode (10) zur Bildung eines Zündfunkens (11) und einem die Zündkerze (8) aufnehmendes Vorkammerbauteil (2), das eine Vorkammer (5) bildet in den ein Brennstoffkanal (12) führt, der in dem Vorkammerbauteil (2) angeordnet ist. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es die Zündung zu verbessern. Diese Aufgabe wird durch den obigen Zylinderkopf dadurch gelöst, dass eine Strömungsachse (S) des Brennstoffkanals (12) am Austritt (13) in Richtung der Massenelektrode (10) orientiert ist, so dass im Wesentlichen der gesamte Brenn Stoff ström (B) zu der Massenelektrode (10) strömt, wobei die Drehachse (D) der Zündkerze (8) einen Versatz (x) zu der Achse (A) der Vorkammer (5) aufweist, wobei der Versatz (x) zwischen 0 bis 15% des größten Vorkammerdurchmessers (g) beträgt.

Description

Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine - insbesondere eines Gasmotors - mit zumindest einer Zündkerze mit mindestens einer Massen elektrode zur Bildung eines Zündfunkens und einem die Zündkerze aufnehmendes Vorkammerbauteil, das eine Vorkammer bildet in den ein Brennstoffkanal führt, der in dem Vorkammerbauteil angeordnet ist, wobei eine Strömungsachse des Brennstoffkanals am Austritt des Brennstoffkanals in Richtung der Massenelek trode orientiert ist, so dass im Wesentlichen der gesamte Brenn Stoff ström zu der Massenelektrode strömt.
Weiters betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Fertigung eines derartigen Zylin derkopfs und eine Brennkraftmaschine mit dem Zylinderkopf.
Dabei ist die Brennkraftmaschine und dadurch der Zylinderkopf üblicherweise flüs sigkeitsgekühlt.
Zündkerzen mit Vorkammern sind beispielsweise aus der EP 2 894 313 Al für Gas- Otto-Motoren bekannt. Dabei ist in einer Hülse um die Zündkerze ein Brennstoff ventil vorgesehen. In der Hülse befindet sich eine Bohrung, die vom Brennstoff ventil bis zur Vorkammer reicht. Diese Bohrung ist zur Achse der Zündkerze ge neigt angeordnet. Bei dieser Zündkerze ist zur besseren Vermischung ein Leitele ment zwischen Zündkerze und Brennstoffventil und der Vorkammer vorgesehen. Über Übertrittsöffnungen ist ein Brennraum der Brennkraftmaschine mit der Vor kammer strömungsverbunden. Bei dieser speziellen Anordnung ist zwischen Vor kammer und Übertrittsöffnung eine Steigleitung vorgesehen. Nachteilig an dieser Anordnung ist, dass einerseits zur Gewährleistung einer guten Durchmischung ein zusätzliches Leitelement vorgesehen werden muss. Weiters kommt es durch die Teilung der Brennstoffströmung zu unerwünschten Strömungsverhältnissen.
Durch die Teilung des Brennstoffs durch das Leitelement ist die Strömung schwie riger vorherzubestimmen. Dadurch können dementsprechend zündfähige Gemi sche bei Entstehung des Zündfunkens von der Massenelektrode entfernt entstehen und so zu einer verzögerten Zündung, Klopfen, ungleichmäßiger Verbrennung und dergleichen kommen. Dieser Effekt wird durch Abnutzungserscheinungen weiter verstärkt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es die Zündung zu verbessern. Diese Aufgabe wird durch den obigen Zylinderkopf dadurch gelöst, dass die Dreh achse der Zündkerze einen Versatz zu der Achse der Vorkammer aufweist, wobei der Versatz zwischen 0 % bis 15 % des größten Vorkammerdurchmessers beträgt.
Unter Strömungsachse versteht sich hier diejenige Linie, die die Mittelpunkte der Durchmesser des Brennstoffkanals miteinander verbindet. Die Richtung der Strö mungsachse entspricht unter Vernachlässigung etwaiger unerwarteter Strömungs effekte durch das Brennstoffventil oder der Strömung stromab des Brennstoffka nals in etwa der Strömungsrichtung der ungestörten Strömung im Mittelpunkt des Strömungskanals.
In Anbetracht des allgemeinen Bestrebens in der Automobilindustrie Bauteilgrößen zur reduzieren, ist es vorteilhaft, wenn eine Strömungsachse des Brennstoffkanals in zumindest einer Richtung gekrümmt ist. Durch diese Krümmung kann die Nei gung des Brennstoffventils gegenüber der Vorkammerachse reduziert werden, ohne dass mit störenden Strömungseffekten zu rechnen ist.
Durch diese Reduzierung der Neigung kann die radiale Baugröße um die Achse der Vorkammer verringert werden. Durch reduzierte Baugrößen kann Gewicht mini miert werden, was in weiterer Folge zu Reduktion des B re n n Stoff be darf s führt, was wiederum hinsichtlich des Umweltschutzes vorteilhaft ist. Fragen des Packagings in Fahrzeugen werden durch verringerte Baugrößen vereinfacht. Weiters kann durch die Krümmung ein Tumble oder ein Drall erzeugt werden, der positiv auf die Vermischung in der Vorkammer einwirken kann.
Durch die gezielte Anströmung der Massenelektrode ist es möglich das zündbare Gemisch schneller in die Nähe des Zündfunkens zu transportieren. Dadurch kommt es zu einer schnelleren und besser kontrollierbaren Zündung in der Vorkammer. Die Verbrennung wird gleichmäßiger und die Klopfneigung in der Vorkammer wird reduziert.
Es ist weiter vorgesehen, dass die Drehachse der Zündkerze einen Versatz zu der Achse der Vorkammer aufweist, wobei der Versatz zwischen 0 % bis 15 % des größten Vorkammerdurchmessers beträgt. Dadurch wird eine Qualität der Ver brennung weiter gesteigert und ein Gas- Luftgemisch ist möglichst gleichmäßig und schnell zündbar. Ein weiterer dadurch erzielter Vorteil ist, dass ein in einem Zylin derkopf vorhandener Bauraum bestmöglich und effizient genutzt wird. Die Kombi nation der gezielten Anströmung der Massenelektrode mit dem kleinen Versatz der Zündkerze zur Vorkammerachse verstärkt die oben angeführten Vorteile also wei ter. Beträgt der Versatz 0 % oder nahezu 0 % ist kein Versatz zwischen der Drehachse der Zündkerze und der Achse der Vorkammer vorgesehen, das heißt diese beiden Achsen gehen im Wesentlichen versatzfrei ineinander über.
Diese Aufgabe wird auch durch eine Brennkraftmaschine mit einem erfindungsge mäßen Zylinderkopf und durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Fertigung eines erfindungsgemäßen Zylinderkopfs gelöst.
Es ist günstig, wenn der Versatz zwischen der Drehachse der Zündkerze und der Achse der Vorkammer zwischen 0 % bis 15 %, insbesondere zwischen 0 % und 10 %, bevorzugt zwischen 0 % und 8 %, besonders bevorzugt weniger als 7 % des größten Vorkammerdurchmessers beträgt. Dadurch kann eine Qualität der Zündung und Verbrennung weiter gesteigert werden. Die Zündkerze ist folglich zentral angeordnet.
Es ist vorteilhaft, wenn eine Drehachse der Zündkerze und die Strömungsachse des Brennstoffkanals im Wesentlichen in einer Ebene liegen und dass die Strö mungsachse im Wesentlichen in dieser Ebene gekrümmt ist. Dadurch ist ein Tumble erreichbar. Wenn der Brennstoffkanal nur in einer Ebene eine Krümmung aufweist, ist dies von Nutzen in der Fertigung, da sich diese dementsprechend vereinfacht.
Unter der Wendung "im Wesentlichen" verstehen sich im Rahmen dieser Erfindung Maße und Formen des betreffenden Gegenstands, die um einen geringen Anteil - beispielsweise im Rahmen einer Fertigungstoleranz - von der exakten Form oder dem exakten Maß abweichen, da eine exakte Verwirklichung nicht möglich ist.
Besonders günstige Strömungsverhältnisse ergeben sich, wenn die Krümmung des Brennstoffkanals einen Winkel zwischen 80° und 160° einschließt. Dies hat außer dem Vorteile für die Anordnung des Brennstoffventils. Dadurch kann der Bauraum weiter verringert werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Strömungsachse im Bereich des Austritts im Wesentlichen normal auf eine Achse der Vorkammer angeordnet ist, so dass die Anströmung des Zündfunkens im Wesentlichen normal auf die Achse der Vorkammer ist. Dies ist für gewisse Bauräume günstig.
In einer alternativen Ausführung ist für andere Platzverhältnisse oder Bauräume hingegen vorgesehen, dass die Strömungsachse im Bereich des Austritts im We sentlichen um einen Winkel gegenüber einer Normalebene durch die Achse der Vorkammer geneigt ist, sodass die Anströmung des Zündfunkens im Wesentlichen um einen Winkel gegenüber der Normalebene durch die Achse der Vorkammer geneigt ist, wobei der Winkel zwischen 0 und 30° beträgt. Um die Abstände zwischen Masselektrode und Brennstoffkanal zu verkürzen, ist es günstig, wenn der Austritt des Brennstoffkanals mit der Strömungsachse auf der Höhe der Massenelektrode entlang der Achse der Vorkammer angeordnet ist.
Es ist günstig, wenn das Vorkammerbauteil eine Vorkammerhülle zur Bildung der Vorkammer und eine Hülse um die Zündkerze aufweist, wobei die Vorkammerhülle und die Hülse jeweils einstückig ausgebildet sind und/oder miteinander verbunden sind. Dadurch kann bei Problemen mit der Zündung einfach das Vorkammerbauteil aus dem Zylinderkopf entnommen werden, was Reparaturen und Austausch ein facher und kostengünstiger macht. Wenn Vorkammerhülle und Hülse miteinander verbunden sind, so kann dies beispielsweise durch eine Verschraubung mit einer Dichtung realisiert sein. Es kann also vorgesehen sein, dass die Hülse einstückig und die Vorkammerhülle einstückig ausgebildet und dann miteinander verbunden sind. Allerdings kann es auch sein, dass die Hülse und die Vorkammerhülle zusam men einstückig ausgebildet sind.
In einer besonderen Ausführung ist vorgesehen, dass im Vorkammerbauteil ein Brennstoffventil angeordnet ist. Dadurch können Leckagen erfolgreich vermieden werden.
Um eine günstige Strömung im Brennstoffkanal zu erreichen, ist in einer günstigen Ausführung vorgesehen, dass die Strömungsachse des Brennstoffkanals in einem Bereich des Brennstoffkanals der an das Brennstoffventil angrenzt im Wesentlichen der Drehachse des Brennstoffventils entspricht. Turbulenzen nach dem Brennstoff ventil können so vermieden werden. Es kann allerdings auch vorgesehen sein, dass die Drehachse des Brennstoffventils nicht koaxial mit der Achse des Brennstoffka nals 12 ist, sondern dass zwischen den beiden Achsen ein Winkel von etwa 0° bis etwa 0° vorgesehen ist.
Es ist von Vorteil, wenn das Brennstoffventil gegenüber der Achse der Vorkammer geneigt angeordnet ist, wobei diese Neigung vorzugsweise einem Winkel zwischen -10° und +35° entspricht. Durch die obige angesprochene Reduzierung der Nei gung kann in einem extremen Fall eine Neigung von 0°, also keine Neigung vor gesehen werden. Das würde zwar zur maximalen Platzeinsparung führen. Es ist jedoch die Strömung im ersten Bereich des Brennstoffkanals, der an das Brenn stoffventil grenzt ein Knick oder eine Umlenkung erforderlich, so dass die Strö mung negativ beeinflusst werden könnte.
Eine weitere Steigerung dieses Effekts wird erreicht, wenn der Versatz in der Ebene liegt und die Massenelektrode durch den Versatz in Bezug auf die Achse der Vor kammer von dem Brennstoffkanal abgewandt angeordnet ist. Um maximale Flexibilität hinsichtlich der Anordnung der Bauteile zu gewinnen, ist es vorgesehen, dass eine Drehachse der Zündkerze einen Winkel zur Achse der Vorkammer aufweist, der zwischen 0° und 30 ° ist.
Hinsichtlich der Dichtheit und der Robustheit der Erfindung, ist es vorteilhaft, wenn der Brennstoffkanal durch eine rohrförmige Ausnehmung entlang der Strömungs achse innerhalb des Vorkammerbauteils gebildet ist, sodass die Ausnehmung des Brennstoffkanals radial um die Strömungsachse von Material des Vorkammerbau teils umgeben ist.
Um die Fertigung zu erleichtern ist es in einer günstigen Variante des Verfahrens vorgesehen, dass das Schneiden des Kerzengewindes für die Zündkerze in dem Vorkammerbauteil derart durchgeführt wird, dass eine Massenelektrode nach dem Einschraubvorgang in einer definierten Lage zum Brennstoffkanal angeordnet ist. Grundsätzlich ist es günstig, wenn der Zylinderkopf zumindest teilweise, insbeson dere die Vorkammer und/oder die Zündkerze über 3D-Druck hergestellt wird. Ins besondere wird der Zylinderkopf zumindest teilweise durch das additive Ferti gungsverfahren Laseraufschmelzen hergestellt.
Die Erfindung wird in weiterer Folge anhand nicht einschränkender Ausführungs beispiele in den Figuren näher erläutert. Es zeigen :
Fig. 1 ein Detail eines erfindungsgemäßen Zylinderkopfs im Schnitt in einer ersten Ausführung;
Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht des Details in Fig. 1;
Fig. 3 eine alternative vergrößerte Ansicht aus Fig. 1;
Fig. 4 ein Detail eines erfindungsgemäßen Zylinderkopfs im Schnitt in einer zweiten Ausführung; und
Fig. 5 ein Vorkammerbauteil mit einer Zündkerze und einem Brennstoff ventil eines erfindungsgemäßen Zylinderkopfs in der ersten Ausfüh rung und der schematischen Andeutung einer dritten Ausführung.
Fig. 1 zeigt ein Detail eines flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopfs 1 in einer ersten Ausführung. Dabei ist der Zylinderkopf 1 Teil einer Brennkraftmaschine, die als Gas-Ottomotor betrieben wird. Das Detail zeigt ein Vorkammerbauteil 2 genauer. Das Vorkammerbauteil 2 weist in der gezeigten Ausführung eine Hülse 3 und eine mit der Hülse 3 verbundene Vorkammerhülle 4 auf. Dabei weist die Vorkammer hülle 4 ein Außengewinde auf und die Hülse 3 weist ein Innengewinde auf. Die Vorkammerhülle 4 ist mit der Hülse 3 verschraubt. Zwischen Vorkammerhülle 4 und Hülse 3 ist eine Dichtung vorgesehen. Die Vorkammerhülle 4 umschließt einen großen Teil einer Vorkammer 5, die über Überströmöffnungen 6 mit einem Brennraum 7 strömungsverbunden sind. Der Brennraum 7 grenzt an den Zylinderkopf 1 unter anderem mit dem Vorkammer bauteil 2 und wird von ihm im Wesentlichen in Richtung der Vorkammer 5 abge schlossen.
Innerhalb der Hülse 3 ist eine Zündkerze 8 und ein Gasventil 9 angeordnet. Die Zündkerze 8 reicht mit einer Massenelektrode 10 in die Vorkammer 5. Ein Bereich in dem Zündfunken von der Zündkerze 8 gebildet werden ist mit Bezugszeichen 11 versehen.
Die Zündkerze 8 ist in der ersten Ausführung mit seiner Drehachse D parallel zu einer Achse A der Vorkammer 5 ausgerichtet. In der gezeigten ersten Ausführung sind die Drehachse D und die Achse A versetzt angeordnet. Diese Drehachse D und die Achse A sind in einer alternativen Ausführung identisch.
Das Brennstoffventil 9 ist entlang einer Achse V, die der Drehachse des Brenn stoffventils 9 entspricht, angeordnet. Dabei ist diese Achse V geneigt zu der Achse A der Vorkammer ausgerichtet.
Das Brennstoffventil 9 ist erfindungsgemäß über einen Brennstoffkanal 12 mit der Vorkammer 5 verbunden. Der Brennstoffkanal 12 verläuft entlang einer Strö mungsachse S. Dabei entspricht diese in ihrer Richtung dem Strömungsvektor der ungestörten Strömung im inneren des Brennstoffkanals 12.
Der Brennstoffkanal 12 weist einen Austritt 13 in die Vorkammer 5 auf. Der Brenn stoffkanal 12 ist zumindest am Austritt 13 in Richtung des Zündfunkens 11 und der Massenelektrode 10 orientiert. Der Brennstoff strömt daher in Richtung des Zündfunkens 11, wie durch den Pfeil B signalisiert werden soll.
Das Brennstoffventil 9 ist von der Vorkammer 5 einen Abstand a entfernt. Dabei ist dieser Abstand a die Entfernung des Abgabepunktes von Brennstoff aus dem Brennstoffventil 9 in den Brennstoffkanal 12, dem Eintritt des Brennstoffkanals, von dem Austritt 13 des Brennstoffkanals 12 in die Vorkammer 5.
Der größte Vorkammerdurchmesser g ist in den gezeigten Ausführungen am Über gang zur Zündkerze 8 zu finden. Der größte Vorkammerdurchmesser g ist bei die sen Ausführungen etwas größer als der Durchmesser der Zündkerze 8. In alterna tiven Ausführungen können diese Durchmesser gleich sein.
In Fig. 2 ist diese Anordnung leicht vergrößert dargestellt. Daraus geht hervor, dass die Drehachse D und die Achse A der Vorkammer 5 einen geringen Versatz x zueinander aufweisen. Dabei ist die Zündkerze 8 durch den Versatz x weiter von dem Brennstoffventil 9 entfernt. In der gezeigten Ausführung liegen die Achse V des Brennstoffventils 9 und die Drehachse D der Zündkerze 8 in einer Ebene e, die auch die Schnittebene für den Schnitt der Figuren 1 bis 5 bildet. Daher ist die Bildebene mit dem Bezugszeichen für die Ebene e gekennzeichnet. Der Versatz x in der Fig. 2 kleiner als 10 % des größten Vorkammerdurchmessers g.
Der Brennstoffkanal 12 weist zwischen einem Eintritt, mit dem der Brennstoffkanal
12 an das Gasventil 9 grenzt, und dem Austritt 13 eine Krümmung 12a auf. Dabei ist die Strömungsachse S in der Ebene e gekrümmt. In alternativen Ausführungen sind auch komplexere Formen für den Brennstoffkanal 12 möglich.
Um die Übersichtlichkeit zu gewährleisten wurden nicht alle Bauteile in Fig. 2 be schriftet. Die fehlenden Bezugszeichen können der Fig. 1 entnommen werden.
Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt aus Fig. 1 und Fig. 2. Dabei ist die Zündkerze 8 mit der Massenelektrode 10, sowie der Zündfunke 11 gut erkennbar.
Durch das Brennstoffventil 9 wird Gas in den Brennstoffkanal 12 abgegeben. Der Brennstoffkanal 12 lenkt die Brennstoffströmung B im Wesentlichen entlang der Strömungsachse S ab und am Austritt 13 ist die Strömung B auf die Massenelek trode 10 gerichtet. Der Zündfunken 11 entsteht zwischen Massenelektrode 10 und dem Hauptteil der Zündkerze 8. Durch die Strömung B in Richtung des Zündfun kens B wird das Gas, der Brennstoff sofort gezündet.
Der Austritt 13 des Brennstoffkanals 12 ist dabei mit der Strömungsachse S auf Höhe des Zündfunkens 11 angeordnet und die Strömung B des Brennstoffes wird in etwa entlang einer nicht gekennzeichneten Normalebene der Achse A der Vor kammer 5 in Richtung des Zündfunkens 11 abgegeben.
Die Krümmung 12a lenkt dabei die Strömungsachse S um eine Winkel d um.
Fig. 4 zeigt ein Detail analog zu Fig. 3 einer zweiten Ausführung des erfindungs gemäßen Zylinderkopfs 1. In der Folge werden nur die Unterschiede zu der ersten Ausführung erläutert. Gleiche Bezugszeichen kennzeichnen dabei Bauteile mit glei chen Funktionen.
Im Unterschied zur ersten Ausführung ist in der zweiten Ausführung der Austritt
13 nicht auf derselben Höhe entlang der Achse A der Vorkammer 5 angeordnet. Dabei ist die Strömungsachse S am Austritt 13 im Vergleich zu der ersten Ausfüh rung näher der Zündkerze 8 zugeordnet.
Die Strömungsachse S ist im Bereich des Austritts 8 um einen Winkel ß geneigt. Dabei ist die Strömung des Brennstoffs B ebenfalls um den Winkel ß geneigt und auf den Zündfunken 11 gerichtet. In Fig. 5 ist eine alternative Drehachse d der Zündkerze 8 für eine dritte Ausfüh rung angedeutet. Diese Drehachse d weist zu der Achse A der Vorkammer eine Neigung a auf.
Zusätzlich ist in dieser Figur ein Winkel g eingezeichnet, den die Achse V das Brennstoffventils 9 zu einer Gerade aufweist, die parallel zu der Achse A der Vor kammer ist. Das Brennstoffventil 9 ist um den Winkel g gegenüber dieser Gerade geneigt.
Der Zylinderkopf 1 ist flüssigkeitsgekühlt. Aus den Fig. 1 und Fig. 2 sind Kühlräume erkennbar, die an das Vorkammerbauteil 2 angrenzen. Dadurch sind die Zündkerze 8, das Vorkammerbauteil 2 sowie die Umgebung dieser Bauteile des Zylinderkopfs 2 vor thermischen Schäden geschützt und Wärme kann abtransportiert werden.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Zylinderkopf (1) einer Brennkraftmaschine - insbesondere eines Gasmotors - mit zumindest einer Zündkerze (8) mit mindestens einer Massenelektrode (10) zur Bildung eines Zündfunkens (11) und einem die Zündkerze (8) auf nehmendes Vorkammerbauteil (2), das eine Vorkammer (5) bildet in den ein Brennstoffkanal (12) führt, der in dem Vorkammerbauteil (2) angeordnet ist, wobei eine Strömungsachse (S) des Brennstoffkanals (12) am Austritt (13) in Richtung der Massenelektrode (10) orientiert ist, so dass im Wesentlichen der gesamte Brenn Stoff ström (B) zu der Massenelektrode (10) strömt, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse (D) der Zündkerze (8) einen Versatz (x) zu der Achse (A) der Vorkammer (5) aufweist, wobei der Versatz (x) zwischen 0 bis 15% des größten Vorkammerdurchmessers (g) beträgt.
2. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ver satz zwischen der Drehachse (D) der Zündkerze (8) und der Achse (A) der Vorkammer (5) zwischen 0 % bis 15 %, insbesondere zwischen 0 % und 10 %, bevorzugt zwischen 0 % und 8 %, besonders bevorzugt weniger als 7 % des größten Vorkammerdurchmessers (g) beträgt.
3. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strömungsachse (S) des Brennstoffkanals (12) in zumindest einer Rich tung gekrümmt ist.
4. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Drehachse (D) der Zündkerze (8) und die Strömungsachse (S) des Brenn stoffkanals (12) im Wesentlichen in einer Ebene (e) liegen und dass die Strö mungsachse (S) im Wesentlichen in dieser Ebene (e) gekrümmt ist.
5. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmung (12a) des Brennstoffkanals (12) einen Winkel (d) zwischen 80° und 160° einschließt.
6. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsachse (S) im Bereich des Austritts (13) im Wesent lichen normal auf eine Achse (A) der Vorkammer (5) angeordnet ist, so dass die Anströmung des Zündfunkens (11) im Wesentlichen normal auf die Achse (A) der Vorkammer (5) ist.
7. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsachse (S) im Bereich des Austritts (13) im Wesent lichen um einen Winkel (ß) gegenüber einer Normalebene durch die Achse (A) der Vorkammer (5) geneigt ist, sodass die Anströmung des Zündfunkens (11) im Wesentlichen um einen Winkel (ß) gegenüber der Normalebene durch die Achse (A) der Vorkammer geneigt ist, wobei der Winkel (ß) zwischen 0° und 30° beträgt.
8. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Austritt (13) des Brennstoffkanals (12) mit der Strömungsachse (S) auf der Höhe der Massenelektrode (10) entlang der Achse (A) der Vor kammer (5) angeordnet ist.
9. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorkammerbauteil (2) eine Vorkammerhülle (4) zur Bildung der Vorkammer (5) und eine Hülse (3) um die Zündkerze (8) aufweist, wobei die Vorkammerhülle (4) und die Hülse (3) jeweils einstückig ausgebildet sind und/oder miteinander verbunden sind.
10. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Vorkammerbauteil (2) ein Brennstoffventil (9) angeordnet ist.
11. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsachse (S) des Brennstoffkanals (12) in einem Bereich des Brenn stoffkanals (12) der an das Brennstoffventil (9) angrenzt im Wesentlichen der Drehachse (V) des Brennstoffventils entspricht.
12. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffventil (9) gegenüber einer Geraden, die paral lel zu der Achse (A) der Vorkammer ist, geneigt angeordnet ist, wobei diese Neigung vorzugsweise einem Winkel (y) zwischen -10° und +35° entspricht.
13. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Versatz (x) in der Ebene (e) liegt und die Massenelektrode (10) durch den Versatz (x) in Bezug auf die Achse (A) der Vorkammer (5) von dem Brennstoffkanal (12) abgewandt angeordnet ist.
14. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Drehachse (D) der Zündkerze (8) einen Winkel (a) zur Achse (A) der Vorkammer (5) aufweist, der zwischen 0° und 30° ist.
15. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffkanal (12) durch eine rohrförmige Ausnehmung ent lang der Strömungsachse (S) innerhalb des Vorkammerbauteils (2) gebildet ist, sodass die Ausnehmung des Brennstoffkanals (12) radial um die Strö mungsachse (S) von Material des Vorkammerbauteils (2) umgeben ist.
16. Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15.
17. Verfahren zur Fertigung eines Zylinderkopfs (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderkopf (1) zumindest teil weise durch 3D-Druck hergestellt wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Schnei den des Kerzengewindes für die Zündkerze (8) in dem Vorkammerbauteil (2) derart durchgeführt wird, dass eine Massenelektrode (10) nach dem Ein- schraubvorgang in einer definierten Lage zum Brennstoffkanal (12) angeord net ist.
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