WO2022032318A1 - Zylinderkopf - Google Patents

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WO2022032318A1
WO2022032318A1 PCT/AT2021/060278 AT2021060278W WO2022032318A1 WO 2022032318 A1 WO2022032318 A1 WO 2022032318A1 AT 2021060278 W AT2021060278 W AT 2021060278W WO 2022032318 A1 WO2022032318 A1 WO 2022032318A1
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prechamber
chamber section
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Dieter Grillenberger
Michaela PAUSCH
Jürgen Kelz
Jens TIMM
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a cylinder head for an internal combustion engine, with a prechamber arranged in the cylinder head, which is spanned by an inner wall surface of a prechamber wall, the prechamber having a first chamber section and a second chamber section, the first chamber section having a larger diameter than the second chamber section, At least one ignition device opens into the first chamber section and the second chamber section has at least one overflow channel for flow transfer into a combustion chamber bordering on a fire deck.
  • a common design for a prechamber for a spark-ignited internal combustion engine is by means of a prechamber sleeve that is screwed into a bore in the cylinder head.
  • the ignition device is screwed into the antechamber sleeve, which closes the antechamber at the top.
  • the prechamber sleeve and ignition device form the prechamber, which is inserted or screwed into the cylinder head in order to position and hold the prechamber in the combustion chamber.
  • JP 2018-172971 A discloses a semi-integrated prechamber wherein a chamber portion adjacent to the combustion chamber is formed by a separate part screwed into the cylinder head from the combustion chamber side. Overflow channels are formed in the separate part.
  • prechambers without a prechamber sleeve and to integrate them directly into the cylinder head.
  • antechambers are known, for example, from DE 1 751 542 A1, US 2015/00220766 A1 or DE 2 308 358 A.
  • the object of the invention is to achieve improved heat dissipation in a cylinder head of the type mentioned at the outset. According to the invention, this is achieved in that at least one inner wall surface of the first chamber section has at least one first flattening.
  • An area of the wall surface that has a smaller curvature and/or a larger radius of curvature than neighboring wall surface regions is referred to as a flattening.
  • the antechamber is surrounded by a cooling jacket—at least in the area of the first flattening—with the antechamber wall separating the cooling jacket from the antechamber, and with at least one outer wall surface of the antechamber wall having a second flattening on the cooling jacket side in the area of at least one first flattening.
  • a particularly compact design can be achieved if several--preferably at least three or at least four, in particular exactly four--first and/or second flattened areas are distributed--in particular evenly--distributed around the circumference of the first chamber section.
  • the first chamber section has a substantially rhombus-shaped cross section in the area of the first flattened areas.
  • the first chamber section In a section perpendicular to the vertical axis of the antechamber, the first chamber section thus essentially has the shape of a rhombus.
  • a rhombus is a flat square with four sides of equal length.
  • the vertical axis of the antechamber runs, for example, parallel to the vertical axis of the cylinder and can coincide with it.
  • the vertical axis of the antechamber can in particular form an axis of symmetry of the antechamber.
  • first flattened areas and the second flattened areas can be flat—that is, without curvature. In other embodiment variants of the invention, it is provided that the first and/or second flattened areas have a concave or convex curvature—related to the adjacent cavity.
  • At least one first and/or second flattening is preferred in a region between a cylinder axis—or a prechamber vertical axis—and at least arranged in a gas exchange channel. Viewed in plan, at least one surface normal of at least one first and/or second flat area can be guided through a valve center of a nearest gas exchange valve.
  • At least one first flattened area and/or second flattened area is preferably arranged in a region of the inner wall surface or outer wall surface which is at the shortest distance from an adjacent gas exchange channel.
  • the distance between the antechamber and the cooling jacket can be reduced and more cross-sectional area is available for the flow of the coolant in the cooling jacket. Since there is no need for constriction at the gas exchange channels, larger flow cross sections are also available for gas exchange, and larger seat rings can also be used. This allows the heat transfer into the coolant to be maximized. Thus, in particular, the ignition device and the antechamber can be cooled as required.
  • the first flat areas and/or second flat areas are preferably formed symmetrically to at least one plateau containing the vertical axis of the antechamber. It is particularly advantageous if the first flattened areas and/or second flattened areas are formed symmetrically to a first plateau containing the prechamber vertical axis and to a second plateau containing the prechamber axis—normal to the first plateau, with the plateaus running between the gas exchange valves of the internal combustion engine.
  • the first flat areas form flow guide surfaces for the fuel/air mixture flowing from the combustion chamber into the prechamber in the direction of the ignition device.
  • the symmetrical arrangement of the first flattened areas in relation to the first and second plateaux allows essentially twist-free inflow into the antechamber. Rotational movements of the flow around the vertical axis of the antechamber are thus avoided. Thus, the flow guidance for charge movement in the antechamber is not adversely affected.
  • Components can be saved if the prechamber is at least partially integrated into the cylinder head, with the prechamber preferably being completely integrated into the cylinder head. There are therefore no other components between the antechamber and the cylinder head, cooling water jacket and/or the gas exchange channels. This results in great creative freedom. Simple production is possible if the cylinder head and/or the antechamber is produced using an additive manufacturing process.
  • An additive manufacturing process - also known as 3D printing - is a manufacturing process in which material is applied layer by layer under computer control according to specified dimensions and shapes.
  • At least one overflow channel can be produced by a drilling process.
  • a variant of the invention provides that a conical or convex sealing seat is formed between the ignition device and the antechamber wall.
  • a part that accommodates the ignition device and is separate from the lateral antechamber wall can form the antechamber roof.
  • the remaining part of the antechamber is advantageously formed by the cylinder head.
  • the inventive design allows great creative freedom in the antechamber geometry.
  • Fig. 1 shows a cylinder head according to the invention in a section according to the line I-I in Fig. 2;
  • FIG. 2 shows the cylinder head in a section along the line II—II in FIG. 1;
  • FIG. 4 shows a detail of the antechamber in an embodiment variant according to the invention in a section analogous to FIG. 1;
  • FIG 5 shows a flow profile of the flow in the antechamber during a compression stroke of the internal combustion engine.
  • the prechamber 2 is essentially bottle- or pear-shaped with a barrel-like first chamber section 3 and an essentially cylindrical second chamber section 4.
  • the antechamber 2 is formed by an antechamber wall 5 formed by the cylinder head 1 .
  • the upper first chamber section 3 has a larger maximum diameter D than the lower second chamber section 4 which is arranged in the area of the fire deck 6 of the cylinder head 1 and whose maximum diameter is denoted by d.
  • the second chamber section 4 is connected via transfer channels 7 with the combustion chamber 8 of a cylinder of the internal combustion engine, not shown.
  • An ignition device 16 opens into the prechamber 2 in the region of a prechamber top surface 20 of the prechamber 2 closing off the prechamber at the top.
  • 2a designates the prechamber vertical axis, which in the exemplary embodiments coincides with the cylinder axis la of the corresponding cylinder of the internal combustion engine.
  • the second chamber section 4 can also be formed by a separate part 21, which is screwed into the cylinder head 1 from the side of the combustion chamber 8.
  • the overflow channels 7 are then arranged in this separate part 21 .
  • S in FIG. 1 indicates the flow of the fuel/air mixture in the antechamber 2 during a compression stroke.
  • a detailed flow profile is further shown in FIG.
  • the antechamber 2 is surrounded by a cooling jacket 10 in a central region 9 .
  • the antechamber wall 5 separates the cooling jacket 10 from the antechamber 2.
  • the antechamber wall 5 forms a lateral inner wall surface 11 facing the interior of the antechamber 2 and an outer wall surface 12 facing the cooling jacket 10 .
  • the inner wall surface 11 has first flat areas 13 distributed around the circumference.
  • the outer wall surface 12 also has corresponding second flattened areas 14.
  • the second flat areas 14 are thus arranged on the coolant-side antechamber wall 5 in the region of the first flat areas 13 .
  • the first flat areas 13 are located in the middle area 9 of the antechamber 2 or in a middle and/or lower area of the first chamber section 3, in particular in a conical transition area 15 of the first chamber section 3 to the second chamber section 4.
  • first 13 flat areas are distributed uniformly around the circumference of the first chamber section 3 and form a four-edged cone.
  • the first flattened areas 13 are arranged, for example, in the shape of a rhombus.
  • the first chamber section thus has a rhombus-like cross section in the area of the first flattened areas 13, as shown in FIG.
  • the second flattened areas 14 can also be arranged in the shape of a rhombus.
  • antechamber 2 and in particular the ignition device 16 can be cooled as required.
  • the resulting compact antechamber design also enables an optimized design of gas exchange channels - inlet channels IN and outlet channels EX - and seat ring sizes.
  • first flat areas and/or second flat areas can also form a convex or concave shape.
  • Fig. 3 shows different possible rhombus-shaped arrangements for first flats 13 or second flats 14.
  • Fig. 3a shows, for example, a convex arrangement of first flats 13,
  • Fig. 3d a concave arrangement of first flats 13.
  • Fig. 3b and Fig. 3c are flat versions of rhombus-like first flattened areas 13 are shown, with FIG. 3c showing a square arrangement of first flattened areas 13.
  • Fig. 3d shows a general rhombus with planar first flats 13.
  • FIG. 2 schematically shows the coolant flow K through the cooling jacket 10, which here takes place from the outlet side A to the inlet side E of the cylinder head 1.
  • the coolant flows in the area of an outlet valve bridge AB between two outlet ports EX in the direction of the center of the cylinder, i.e. the cylinder axis la, flows around the antechamber 2 along the second flat areas 14 of the outer wall surface 12 of the antechamber 2 and continues to flow in the area an intake valve bridge EB between two intake ports IN to the intake side of cylinder head 1.
  • the first 13 and/or second flat areas 14 are arranged in a region between the prechamber vertical axis 2a and at least one gas exchange channel—ie an inlet channel IN and/or outlet channel EX.
  • At least one surface normal n of at least a first 13 and/or second flattening 14 is guided through a valve center M of a nearest gas exchange valve V of an inlet port IN or outlet port EX and intersects the prechamber vertical axis 2a.
  • At least one first flattening 13 is arranged in a region of the inner wall surface 11 that has the smallest distance to an adjacent gas exchange channel—that is, inlet channel IN or outlet channel EX. Furthermore, at least one second flattening 14 is arranged in a region of the outer wall surface 12 which is at the shortest distance from an adjacent gas exchange channel—ie, inlet channel IN or outlet channel EX.
  • the first flat areas 13 and/or second flat areas 14 are formed symmetrically to a first plateau E1 containing the prechamber vertical axis 2a and to a second plateau E2 containing the antechamber axis 2a—normal to the first plateau El.
  • the plateaus El run between the gas exchange valves V of the internal combustion engine.
  • the antechamber cover surface 20 can also be formed by a separate cover element 17 which accommodates the ignition device 16.
  • the sealing surface 18 between the separate cover element 17 and the antechamber wall 5 can be conical or crowned.
  • FIG. 5 shows a flow profile of the flow S of the fuel/air mixture in the antechamber 2 during a compression stroke of the internal combustion engine.
  • the fuel/air mixture flows through the overflow channels 7 and reaches the first chamber section 3 of the prechamber 2 via the second chamber section 4, the first flat areas 13 being passed without turbulence or swirl being induced. Rotational movements about the vertical axis 2a of the antechamber are thus avoided.
  • the fuel/air mixture reaches the prechamber cover surface 20 essentially free of twisting and is ignited here by the ignition device 16 .

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf (1) für eine Brennkraftmaschine, mit einer im Zylinderkopf (1) angeordneten Vorkammer (2), welche von einer Innenwandfläche (11) einer Vorkammerwand (5) aufgespannt ist, wobei die Vorkammer (5) einen ersten Kammerabschnitt (3) und einen zweiten Kammerabschnitt (4) aufweist, wobei der erste Kammerabschnitt (3) einen größeren maximalen Durchmesser (D) als der zweite Kammerabschnitt (4) aufweist, wobei in den ersten Kammerabschnitt (3) zumindest eine Zündeinrichtung (16) einmündet und der zweite Kammerabschnitt (3) zumindest einen Überströmkanal (7) zum Strömungsübertritt in einen an ein Feuerdeck (6) grenzenden Brennraum (8) aufweist. Eine verbesserte Wärmeabfuhr lässt sich erzielen, wenn zumindest eine Innenwandfläche (11) des ersten Kammerabschnittes (3) zumindest eine erste Abflachung (13) aufweist.

Description

Zylinderkopf
Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine, mit einer im Zylinderkopf angeordneten Vorkammer, welche von einer Innenwandfläche einer Vorkammerwand aufgespannt ist, wobei die Vorkammer einen ersten Kammerabschnitt und einen zweiten Kammerabschnitt aufweist, wobei der erste Kammerabschnitt einen größeren Durchmesser als der zweite Kammerabschnitt aufweist, wobei in den ersten Kammerabschnitt zumindest eine Zündeinrichtung einmündet und der zweite Kammerabschnitt zumindest einen Überströmkanal zum Strömungsübertritt in einen an ein Feuerdeck grenzenden Brennraum aufweist.
Eine gängige Ausführung für eine Vorkammer für eine fremdgezündete Brennkraftmaschine ist mittels einer Vorkammer-Hülse, die in eine Bohrung des Zylinderkopfes eingeschraubt ist. Dabei wird die Zündeinrichtung in die Vorkammer-Hülse hinein geschraubt, welche die Vorkammer nach oben hin abschließt. Vorkammerhülse und Zündeinrichtung bilden dabei die Vorkammer, welche in den Zylinderkopf gesteckt oder geschraubt wird, um die Vorkammer im Brennraum zu positionieren und zu halten.
Die JP 2018-172971 A offenbart eine teilintegrierte Vorkammer, wobei ein dem Brennraum benachbarter Kammerabschnitt durch einen in den Zylinderkopf von der Seite des Brennraumes eingeschraubter separater Teil ausgebildet ist. In dem separaten Teil sind Überströmkanäle eingeformt.
Weiters ist es bekannt, Vorkammern ohne Vorkammer-Hülse auszubilden und direkt in den Zylinderkopf zu integrieren. Derartige Vorkammern sind beispielsweise aus der DE 1 751 542 Al, US 2015/00220766 Al oder der DE 2 308 358 A bekannt.
Bekannte Ausführungen haben den Nachteil, dass es insbesondere bei Zylinderköpfen mit vier Gaswechselventilen und einer zentral angeordneten Vorkammer zu baulichen Zwängen kommt und eine ausreichende Kühlung der Vorkammer nicht immer gewährleistet werden kann, insbesondere wenn Vorkammerhülsen eingesetzt werden. Doch auch bei bekannten Zylinderköpfen mit in den Zylinderkopf integrierten Vorkammern können große Wandstärken der Vorkammerwand und Materialanhäufungen zwischen Vorkammer und Kühlmantel die Wärmeabfuhr nachteilig beeinflussen.
Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Zylinderkopf der eingangs genannten Art eine verbesserte Wärmeabfuhr zu erzielen. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass zumindest eine Innenwandfläche des ersten Kammerabschnittes zumindest eine erste Abflachung aufweist.
Als Abflachung wird ein Bereich der Wandfläche bezeichnet, welche eine geringere Krümmung und/oder einen größeren Krümmungsradius als benachbarte Wandflächenbereiche aufweist.
Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass zumindest eine erste Abflachung in einem Übergangsbereich zum zweiten Kammerabschnitt angeordnet ist.
Gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung ist die Vorkammer - zumindest im Bereich der ersten Abflachung - von einem Kühlmantel umgeben, wobei die Vorkammerwand den Kühlmantel von der Vorkammer trennt, und wobei zumindest eine Außenwandfläche der Vorkammerwand im Bereich zumindest einer ersten Abflachung eine kühlmantelseitige zweite Abflachung aufweist.
Eine besonders kompakte Bauweise lässt sich erzielen, wenn mehrere - vorzugsweise mindestens drei oder mindestens vier, insbesondere genau vier - erste und/ oder zweite Abflachungen - insbesondere gleichmäßig - um den Umfang des ersten Kammerabschnittes verteilt angeordnet sind.
Eine Ausführung der Erfindung sieht vor, dass der erste Kammerabschnitt im Bereich der ersten Abflachungen einen im Wesentlichen rhombusförmigen Querschnitt aufweist. In einem Schnitt normal zur Vorkammerhochachse weist der erste Kammerabschnitt somit im Wesentlichen die Form eines Rhombus auf. Als Rhombus wird ein ebenes Viereck mit vier gleich langen Seiten bezeichnet. Die Vorkammerhochachse verläuft beispielsweise parallel zur Zylinderhochachse und kann mit dieser zusammenfallen. Die Vorkammerhochachse kann insbesondere eine Symmetrieachse der Vorkammer bilden. Somit können die ersten Abflachungen und/oder die zweiten Abflachungen - im Querschnitt auf die Zylinderachse und/oder die Vorkammerhochachse betrachtet - im Wesentlichen in der Form eines Rhombus angeordnet sein.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die ersten und/oder zweiten Abflachungen im Wesentlichen die Form eines vierkantigen Konus ausbilden.
Die ersten Abflachungen und die zweiten Abflachungen können eben - also krümmungslos - ausgebildet sein. In anderen Ausführungsvarianten der Erfindung ist vorgesehen, dass die ersten und/oder zweiten Abflachungen eine konkave oder konvexe Krümmung - bezogen auf den angrenzenden Hohlraum - aufweisen.
Bevorzugt ist zumindest eine erste und/oder zweite Abflachung in einem Bereich zwischen einer Zylinderachse - oder einer Vorkammerhochachse - und zumindest einem Gaswechselkanal angeordnet. Im Grundriss betrachtet - kann zumindest eine Flächennormale zumindest einer ersten und/oder zweiten Abflachung durch eine Ventilmitte eines nächstgelegenen Gaswechselventils geführt sein.
Zumindest eine erste Abflachung und/oder zweite Abflachung ist bevorzugt in einem Bereich der Innenwandfläche bzw. Außenwandfläche angeordnet, welcher den geringsten Abstand zu einem benachbarten Gaswechselkanal aufweist. Die unteren Bereiche der Innenwandflächen und/oder der Außenwandflächen der Vorkammer, welche den geringsten Wandabstand zu den Gaswechselkanälen oder den entsprechenden Sitzringen aufweisen, weisen somit eine abgeflachte Form auf.
Dadurch kann der Abstand zwischen der Vorkammer und dem Kühlmantel verringert werden und es steht mehr Querschnittsfläche für die Strömung des Kühlmittels im Kühlmantel zur Verfügung. Da keine Verengung an den Gaswechselkanälen nötig ist, stehen auch größere Strömungsquerschnitte für den Ladungswechsel zur Verfügung, wobei auch größere Sitzringe eingesetzt werden können. Dies ermöglicht es, die Wärmeübertragung in das Kühlmittel zu maximieren. Somit können insbesondere Zündeinrichtung und Vorkammer bedarfsgerecht gekühlt werden.
Die ersten Abflachungen und/oder zweiten Abflachungen sind bevorzugt symmetrisch zu zumindest einer die Vorkammerhochachse beinhaltenden Hochebene ausgebildet. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die ersten Abflachungen und/oder zweiten Abflachungen symmetrisch zu einer die Vorkammerhochachse beinhaltenden ersten Hochebene und zu einer die Vorkammerachse beinhaltenden - normal zur ersten Hochebene stehenden - zweiten Hochebene ausgebildet sind, wobei die Hochebenen zwischen den Gaswechselventilen der Brennkraftmaschine verlaufen.
Die ersten Abflachungen bilden Strömungsleitflächen für vom Brennraum in die Vorkammer in Richtung der Zündeinrichtung einströmendes Kraftstoff-/Luftge- misch. Durch die symmetrische Anordnung der ersten Abflachungen in Bezug zur ersten und zweiten Hochebene wird eine im Wesentlichen dralllose Einströmung in die Vorkammer ermöglicht. Drehbewegungen der Strömung um die Vorkammerhochachse werden somit vermieden. Somit wird die Strömungsführung zur Ladungsbewegung in der Vorkammer nicht nachteilig beeinflusst.
Bauteile können eingespart werden, wenn die Vorkammer zumindest teilweise in den Zylinderkopf integriert ist, wobei vorzugsweise die Vorkammer vollständig in den Zylinderkopf integriert ist. Keine anderen Komponenten befinden sich somit zwischen der Vorkammer und dem Zylinderkopf, Kühlwassermantel und/oder den Ladungswechselkanälen. Dadurch ergeben sich große gestalterische Freiheiten. Eine einfache Fertigung ist möglich, wenn der Zylinderkopf und/oder die Vorkammer in einem additiven Fertigungsverfahren hergestellt ist. Ein additives Fertigungsverfahren - welches auch als 3D-Druck bekannt ist - ist ein Fertigungsverfahren, bei dem Material computergesteuert nach vorgegebenen Maßen und Formen Schicht für Schicht aufgetragen wird.
Zumindest ein Überströmkanal kann durch einen Bohrvorgang hergestellt sein.
Eine Ausführungsvariante der Erfindung sieht vor, dass zwischen der Zündeinrichtung und der Vorkammerwand ein konischer oder balliger Dichtsitz ausgebildet ist. Ein die Zündeinrichtung aufnehmender und von der seitlichen Vorkammerwand getrennter Teil kann dabei das Vorkammerdach ausbilden. Der restliche Teil der Vorkammer ist vorteilhafterweise durch den Zylinderkopf gebildet.
Die erfinderische Ausgestaltung erlaubt große gestalterische Freiheiten bei der Vorkammergeometrie.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den Figuren gezeigten nicht einschränkende Ausführungsbeispiele näher erläutert. Darin zeigen schematisch
Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Zylinderkopf in einem Schnitt gemäß der Linie I-I in Fig. 2;
Fig. 2 den Zylinderkopf in einem Schnitt gemäß der Linie II— II in Fig. 1;
Fig. 3a bis Fig. 3d Vorkammern von erfindungsgemäßen Zylinderköpfen in verschiedenen Ausführungsvarianten, in Schnitten gemäß der Linie II-II in Fig. 1;
Fig. 4 ein Detail der Vorkammer in einer erfindungsgemäßen Ausführungsvariante in einem Schnitt analog zu Fig. 1; und
Fig. 5 ein Strömungsprofil der Strömung in der Vorkammer während eines Verdichtungstaktes der Brennkraftmaschine.
Fig. 1 zeigt einen Zylinderkopf 1 einer Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder, mit einer vollintegrierten Vorkammer 2. Die Vorkammer 2 weist eine im Wesentlichen flaschen- oder birnenförmige Gestalt mit einem fassartigen ersten Kammerabschnitt 3 und einem im Wesentlichen zylindrischen zweiten Kammerabschnitt 4 auf. Die Vorkammer 2 wird durch eine Vorkammerwand 5 geformt, die durch den Zylinderkopf 1 gebildet ist. Der obere erste Kammerabschnitt 3 weist einen größeren maximalen Durchmesser D auf, als der im Bereich des Feuerdecks 6 des Zylinderkopfes 1 angeordnete untere zweite Kammerabschnitt 4, dessen maximaler Durchmesser mit d bezeichnet ist. Der zweite Kammerabschnitt 4 ist über Überströmkanäle 7 mit dem Brennraum 8 eines nicht weiter dargestellten Zylinders der Brennkraftmaschine verbunden. Im Bereich einer die Vorkammer nach oben abschließenden Vorkammerdeckfläche 20 der Vorkammer 2 mündet eine Zündeinrichtung 16 in die Vorkammer 2 ein. Mit 2a ist die Vorkammerhochachse bezeichnet, welche in den Ausführungsbeispielen mit der Zylinderachse la des entsprechenden Zylinders der Brennkraftmaschine zusammenfällt.
Gemäß einer in Fig. 1 mit strichlierten Linien angedeuteten Ausführungsvariante der Erfindung mit teilintegrierter Vorkammer 2 kann der zweite Kammerabschnitt 4 auch durch einen separaten Teil 21 gebildet sein, welcher von der Seite des Brennraumes 8 in den Zylinderkopf 1 eingeschraubt ist. In diesem separaten Teil 21 sind dann die Überströmkanäle 7 angeordnet.
Mit S ist in Fig. 1 die Strömung des Kraftstoff-/Luftgemisches in der Vorkammer 2 während eines Verdichtungstaktes angedeutet. Ein detailliertes Strömungsprofil ist weiters in Fig. 5 dargestellt.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Vorkammer 2 in einem mittleren Bereich 9 von einem Kühlmantel 10 umgeben. Die Vorkammerwand 5 trennt den Kühlmantel 10 von der Vorkammer 2.
Die Vorkammerwand 5 bildet eine dem Inneren der Vorkammer 2 zugewandte seitliche Innenwandfläche 11 und eine dem Kühlmantel 10 zugewandte Außenwandfläche 12 aus.
Die Innenwandfläche 11 weist um den Umfang verteilte erste Abflachungen 13 auf. Korrespondierend mit den ersten Abflachungen 13 weist auch die Außenwandfläche 12 entsprechende zweite Abflachungen 14 auf. Die zweiten Abflachungen 14 sind also an der kühlmittelseitigen Vorkammerwand 5 jeweils im Bereich der ersten Abflachungen 13 angeordnet.
Die ersten Abflachungen 13 befinden sich dabei im mittleren Bereich 9 der Vorkammer 2 bzw. in einem mittleren und/oder unteren Bereich des ersten Kammerabschnittes 3, insbesondere in einem konischen Übergangsbereich 15 des ersten Kammerabschnittes 3 zum zweiten Kammerabschnitt 4.
In den Ausführungsbeispielen sind vier erste 13 Abflachungen gleichmäßig um den Umfang des ersten Kammerabschnittes 3 verteilt angeordnet und bilden einen vierkantigen Konus aus. In einem Querschnitt normal auf die Zylinderachse la und die Vorkammerhochachse 2a betrachtet sind die ersten Abflachungen 13 beispielsweise in der Form eines Rhombus angeordnet. Der erste Kammerabschnitt weist somit im Bereich der ersten Abflachungen 13 einen rhombusartigen Querschnitt auf, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Wie in Fig. 2 ersichtlich ist, können - analog zu den ersten Abflachungen 13 - auch die zweiten Abflachungen 14 in der Form eines Rhombus angeordnet sein. Dadurch kann der Abstand zwischen der Vorkammer 2 und dem Kühlmantel 10 reduziert oder minimiert werden. Dies ermöglicht es, die Wärmeübertragungsverluste zu minimieren und die Wärmeübertragung in die Kühlflüssigkeit zu maximieren. Somit können Vorkammer 2 und insbesondere die Zündeinrichtung 16 bedarfsgerecht gekühlt werden. Das somit resultierende kompakte Vorkammerdesign ermöglicht weiters ein optimiertes Design von Gaswechselkanälen - Einlasskanälen IN und Auslasskanälen EX - und Sitzringgrößen.
Neben der in Fig. 2 dargestellten ebenen Form können die ersten Abflachungen und/oder zweiten Abflachungen auch eine konvexe oder konkave Form ausbilden. Fig. 3 zeigt verschiedene mögliche rhombusförmige Anordnungen für erste Abflachungen 13 oder zweite Abflachungen 14. Fig. 3a zeigt beispielsweise eine konvexe Anordnung von ersten Abflachungen 13, Fig. 3d eine konkave Anordnung von ersten Abflachungen 13. In Fig. 3b und Fig. 3c sind ebene Ausführungen von rhombusartigen ersten Abflachungen 13 dargestellt, wobei Fig. 3c eine quadratische Anordnung von ersten Abflachungen 13 zeigt. Fig. 3d zeigt einen allgemeinen Rhombus mit ebenen ersten Abflachungen 13.
Weiters zeigt Fig. 2 schematisch die Kühlmittelströmung K durch den Kühlmantel 10, welche hier von der Auslassseite A zur Einlassseite E des Zylinderkopfes 1 erfolgt. Das Kühlmittel strömt von der Auslassseite A des Zylinderkopfes 1 kommend im Bereich einer Auslassventilbrücke AB zwischen zwei Auslasskanälen EX in Richtung der Zylindermitte, also der Zylinderachse la, umströmt die Vorkammer 2 entlang den zweiten Abflachungen 14 der Außenwandfläche 12 der Vorkammer 2 und strömt weiter im Bereich einer Einlassventilbrücke EB zwischen zwei Einlasskanälen IN zur Einlassseite des Zylinderkopfes 1.
Die ersten 13 und/oder zweiten Abflachungen 14 sind in einem Bereich zwischen der Vorkammerhochachse 2a und zumindest einem Gaswechselkanal - also einem Einlasskanal IN und/oder Auslasskanal EX - angeordnet.
Im Grundriss betrachtet ist zumindest eine Flächennormale n zumindest einer ersten 13 und/oder zweiten Abflachung 14 durch eine Ventilmitte M eines nächstgelegenen Gaswechselventils V eines Einlasskanals IN oder Auslasskanals EX geführt und schneidet die Vorkammerhochachse 2a.
Zumindest eine erste Abflachung 13 ist in einem Bereich der Innenwandfläche 11 angeordnet, weicher den geringsten Abstand zu einem benachbarten Gaswechselkanal - also Einlasskanal IN oder Auslasskanal EX - aufweist. Weiters ist zumindest eine zweite Abflachung 14 in einem Bereich der Außenwandfläche 12 angeordnet, welcher den geringsten Abstand zu einem benachbarten Gaswechselkanal - also Einlasskanal IN oder Auslasskanal EX - aufweist.
Die ersten Abflachungen 13 und/oder zweiten Abflachungen 14 sind symmetrisch zu einer die Vorkammerhochachse 2a beinhaltenden ersten Hochebene El und zu einer die Vorkammerachse 2a beinhaltenden - normal zur ersten Hochebene El stehenden - zweiten Hochebene E2 ausgebildet. Die Hochebenen El verlaufen zwischen den Gaswechselventilen V der Brennkraftmaschine.
Wie in Fig. 4 dargestellt, kann die Vorkammerdeckfläche 20 auch durch ein separates Deckenelement 17 gebildet sein, welches die Zündeinrichtung 16 aufnimmt. Die Dichtfläche 18 zwischen dem separaten Deckenelement 17 und der Vorkammerwand 5 kann konisch oder ballig ausgeführt sein.
Fig. 5 zeigt ein Strömungsprofil der Strömung S des Kraftstoff-/Luftgemisches in der Vorkammer 2 während eines Verdichtungstaktes der Brennkraftmaschine. Das Kraftstoff-/Luftgemisch strömt aus dem Brennraum 8 kommend durch die Überströmkanäle 7 und gelangt über den zweiten Kammerabschnitt 4 in den ersten Kammerabschnitt 3 der Vorkammer 2, wobei die ersten Abflachungen 13 passiert werden, ohne dass Turbulenzen oder ein Drall induziert werden. Es werden also Drehbewegungen um die Vorkammerhochachse 2a vermieden. Das Kraftstoff- /Luftgemisch erreicht im Wesentlichen drallfrei die Vorkammerdeckfläche 20 und wird hier durch die Zündeinrichtung 16 entzündet.

Claims

8
P A T E N T A N S P R Ü C H E Zylinderkopf (1) für eine Brennkraftmaschine, mit einer im Zylinderkopf (1) angeordneten Vorkammer (2), welche von einer Innenwandfläche (11) einer Vorkammerwand (5) aufgespannt ist, wobei die Vorkammer (5) einen ersten Kammerabschnitt (3) und einen zweiten Kammerabschnitt (4) aufweist, wobei der erste Kammerabschnitt (3) einen größeren maximalen Durchmesser (D) als der zweite Kammerabschnitt (4) aufweist, wobei in den ersten Kammerabschnitt (3) zumindest eine Zündeinrichtung (16) einmündet und der zweite Kammerabschnitt (3) zumindest einen Überströmkanal (7) zum Strömungsübertritt in einen an ein Feuerdeck (6) grenzenden Brennraum (8) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Innenwandfläche (11) des ersten Kammerabschnittes (3) zumindest eine erste Abflachung (13) aufweist. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine erste Abflachung (13) in einem Übergangsbereich (15) zum zweiten Kammerabschnitt (4) angeordnet ist. Zylinderkopf (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorkammer (2) - zumindest im Bereich der ersten Abflachung (13) - von einem Kühlmantel (10) umgeben ist, wobei die Vorkammerwand (5) den Kühlmantel (10) von der Vorkammer (2) trennt, und wobei zumindest eine Außenwandfläche (12) der Vorkammerwand (5) im Bereich zumindest einer ersten Abflachung (13) eine kühlmantelseitige zweite Abflachung (14) aufweist. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere - vorzugsweise mindestens drei oder mindestens vier - erste (13) und/oder zweite Abflachungen (14) um den Umfang des ersten Kammerabschnittes (3) verteilt angeordnet sind. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten (13) und/oder zweiten Abflachungen (14) gleichmäßig um den Umfang des ersten Kammerabschnittes (3) verteilt angeordnet sind. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kammerabschnitt (3) im Bereich der ersten Abflachungen (13) einen im Wesentlichen rhombusförmigen Querschnitt aufweist. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeder ersten Abflachung (13) eine zweite Abflachung (14) zugeordnet ist. 9 Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Abflachungen (13) und/oder zweiten Abflachungen (14) - im Querschnitt normal auf eine Zylinderachse (la) und/oder eine Vorkammerhochachse (2a) der Vorkammer (2) betrachtet - im Wesentlichen in der Form eines Rhombus angeordnet sind. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten (13) und/oder zweiten Abflachungen (14) im Wesentlichen die Form eines vierkantigen Konus aufweisen. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine erste (13) und/oder zweite Abflachung (14) eben oder konvex oder konkav ausgebildet ist. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine erste (13) und/oder zweite Abflachung (14) in einem Bereich zwischen einer Vorkammerhochachse (2a) und zumindest einem Einlasskanal (IN) oder Auslasskanal (EX) angeordnet ist. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass - im Grundriss betrachtet - zumindest eine Flächennormale (n) zumindest einer ersten (13) und/oder zweiten Abflachung (14) durch eine Ventilmitte (M) eines nächstgelegenen Gaswechselventils (V) geführt ist. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine erste Abflachung (13) in einem Bereich der Innenwandfläche (11) angeordnet ist, welcher den geringsten Abstand zu einem benachbarten Einlasskanal (IN) oder Auslasskanal (EX) aufweist. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine zweite Abflachung (14) in einem Bereich der Außenwandfläche (12) angeordnet ist, welcher den geringsten Abstand zu einem benachbarten Einlasskanal (IN) oder Auslasskanal (EX) aufweist. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei erste Abflachungen (13) und/oder zumindest zwei zweite Abflachungen (14) symmetrisch zu zumindest einer die Vorkammerhochachse (2a) beinhaltenden Hochebene (El, E2) ausgebildet sind. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Abflachungen (13) und/oder zweiten Abflachungen (14) symmetrisch zu einer die Vorkammerhochachse (2a) beinhaltenden ersten Hochebene (El) und zu einer die Vorkammerachse (2a) beinhaltenden - 10 normal zur ersten Hochebene (El) stehenden - zweiten Hochebene (E2) ausgebildet sind, wobei die Hochebenen (El, E2) zwischen den Gaswechselventilen (V) der Brennkraftmaschine verlaufen.
17. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorkammer (2) zumindest teilweise in den Zylinderkopf (1) integriert ist, wobei vorzugsweise die Vorkammer (2) vollständig in den Zylinderkopf (1) integriert ist.
18. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorkammer (2) durch ein die Zündeinrichtung (16) aufnehmendes separates Deckenelement (17) abgeschlossen ist, wobei zwischen dem Deckenelement (17) und der Vorkammerwand (5) eine konische oder ballige Dichtfläche (18) ausgebildet ist.
19. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderkopf (1) und/oder die Vorkammer (2) in einem additiven Fertigungsverfahren hergestellt ist/sind.
20. Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Überströmkanal (7) gebohrt ist.
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