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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine.
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Eine Brennkraftmaschine, auch als Verbrennungsmotor bezeichnet, ist eine Verbrennungskraftmaschine, die chemische Energie in mechanische Arbeit umwandelt. Dazu wird in die Brennkammer ein Gemisch aus Kraftstoff und Luft verbrannt. Kennzeichen der Brennkraftmaschinen ist die „innere Verbrennung“, also die Erzeugung der Verbrennungswärme in der Brennkraftmaschine. Die Wärmeausdehnung des so entstehenden Heißgases wird genutzt, um Kolben der Brennkraftmaschine zu verlagern. Die häufigsten Arten von Brennkraftmaschinen sind Otto- und Dieselmotoren. Eine typische Anwendung dieser Motoren ist der Antrieb von Kraftfahrzeugen.
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Ottomotoren weisen eine Fremdzündung durch Zündkerzen im Gegensatz zum mit Selbstzündung arbeitenden Dieselmotor auf. Der Kraftstoff wird in der angesaugten Frischluft z.B. mittels eines Vergasers vor dem Ansaugen zerstäubt. Bei einer Saugrohreinspritzung wird die Gemischbildung nicht in der Brennkammer, sondern vor einem Einlassventil hinter einer Drosselklappe vorgenommen. Bei einer Direkteinspritzung wird der Kraftstoff von einer Einspritzdüse direkt in die Brennkammer eingespritzt.
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Moderne Magermix-Ottomotoren arbeiten mit einem Sauerstoffüberschuss zur Erhöhung des Motorwirkungsgrades. Mager bedeutet, dass mehr Verbrennungsluft vorhanden ist, als für die stöchiometrische Verbrennung des Kraftstoffes im Zylinder benötigt wird (Lambda >1). Der Luftüberschuss führt dazu, dass die Verbrennungstemperatur steigt und auf diese Weise der Wirkungsgrad erhöht wird.
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Es ist ferner bekannt, anstelle einer Zündkerze eine Zündstrahl-Einheit zu verwenden. Hierdurch kann der thermische Wirkungsgrad nochmals gesteigert und die Bildung von Schadstoffen, wie Stickoxyden und Partikeln, verringert werden.
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Die Zündstrahl-Einheit besteht aus einer Vorkammer, in die durch eine separate Einspritzdüse Kraftstoffmengen von weniger als 5 -Vol.-% des gesamten Kraftstoffbedarfs eingebracht und mit einer Zündkerze entflammt werden. Von der Vorkammer erstrecken sich mehrere Kanäle, durch die das teilverbrannte Gemisch in eine Brennkammer der Brennkraftmaschine übertritt und die magere Hauptladung entflammt. Durch die kleinen Kanäle der Vorkammer werden hohe Turbulenzgrade für das heiße, in die Brennkammer eindringende Gase erzielt, was zu einem weiträumigen Entflammungseffekt führt. Der Brennkammer wird mittels einer konventionellen Saugrohreinspritzung oder alternativ mittels einer Direkteinspritzung mit einem Kraftstoff-/Luftgemisch beschickt.
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Derartige Zündstrahl-Einheiten sind z.B. aus der
US 9 797 296 B2 oder
US 5 024 193 A bekannt.
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Jedoch enden die Kanäle in Bereichen, die weit von den Bereichen im Brennraum entfernt sind, in denen es zu Klopfen führenden Selbstentzündungen kommen kann. Als Klopfen wird eine unkontrollierte Verbrennung oder eine Selbstentzündung des Kraftstoffs bei Ottomotoren bezeichnet. Temperatur und Druck steigen schlagartig an, eine Detonationswelle breitet sich mit Überschallgeschwindigkeit im Brennraum aus und trifft auf dessen Wände. Es treten Druckspitzen auf, die Kolben, Lager, Zylinderkopf, Ventile und Zündkerze beschädigen können. Durch Reflexion kommt es zu einer hochfrequenten Schwingung im Zylinderdruckverlauf, welche hörbar ist.
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Es besteht daher Bedarf daran, Wege aufzuzeigen, wie die Klopfneigung verringert werden kann.
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Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch eine Brennkraftmaschine mit einer Zündeinheit mit einer Vorkammer, von der sich eine Mehrzahl von Kanälen in eine Brennkammer der Brennkraftmaschine erstrecken, wobei im Betrieb in der Vorkammer ein fettes Gemisch mittels einer Zündkerze der Zündeinheit entzündbar ist und hierdurch durch ein mageres Gemisch in der Brennkammer entzündbar ist, wobei die Vorkammer in einen Ventildeckel der Brennkraftmaschine integriert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle in zumindest einem kritischen Bereich in der Brennkammer für eine Selbstentzündung enden.
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Dabei wird unter dem Ventildeckel, auch Zylinderkopfdeckel genannt, der oberste Abschluss der Brennkraftmaschine verstanden. Z.B. kann der Ventildeckel mit der Vorkammer und den Kanälen einstückig ausgebildet sein, z.B. durch Ausnehmungen oder Bohrungen. Durch Integrieren der Vorkammer in den Ventildeckel wird es möglich, die Kanäle länger auszubilden als dies bei einer Ausbildung der Zündeinheit als separates Bauteil möglich wäre, so dass sich die Kanäle bis in die kritischen Bereiche erstrecken können. So kann eine beschleunigte Entflammung in den kritischen Bereichen erreicht werden umso einer Selbstentflammung zuvorzukommen. Auf diese Weise kann die Klopfneigung einer Brennkraftmaschine reduziert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der kritische Bereich eine Zylinderinnenwand der Brennkraftmaschine. Die Zylinderinnenwände des Zylinders können sich im Betrieb der Brennkraftmaschine übermäßig erwärmen, so dass sie besonders heiße Flächen bereitstellen, an denen sich das Luft-Brennstoff-Gemisch entzünden kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der kritische Bereich eine Brennkammerwand der Brennkraftmaschine. Die Brennkammerwand kann z.B. einen zylinderinnenseitigen Abschnitt des Ventildeckels umfassen. Auch hier können sich durch übermäßige Erwärmung besonders heiße Flächen bilden, an denen sich das Luft-Brennstoff-Gemisch entzünden kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform erstreckt sich zumindest ein Teil der Kanäle radial auswärts mindestens bis zur Hälfte eines Durchmessers eines Zylinders der Brennkraftmaschine. So kann eine Ausbreitung einer auf einer Selbstentzündung beruhenden Flammfront in der Brennkammer der Brennkraftmaschine auf einen ringförmigen Bereich um den zentralen Mittelabschnitt der Brennkraftmaschine begrenzt werden durch Erzeugen einer gewünschten Flammfront im Brennkammer der Brennkraftmaschine.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Mehrzahl der Kanäle laufzeitkompensierend ausgebildet. So können unterschiedliche Laufzeiten der Gase durch die Mehrzahl der Kanäle vergleichmäßigt werden, sodass Gase gleichzeitig aus den Kanälen austreten. Damit Gase schneller durch ausgewählte Kanäle als durch die anderen Kanäle laufen können, kann z.B. vorgesehen sein, hierzu die ausgewählten Kanäle einen größeren Querschnitt aufweisend auszubilden als die anderen Kanäle.
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Ferner gehören zur Erfindung ein Ventildeckel für eine derartige Brennkraftmaschine und ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Brennkraftmaschine.
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Es wird nun die Erfindung anhand einer Zeichnung erläutert. Es zeigen:
- 1 in schematischer Darstellung eine Brennkraftmaschine.
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Die in 1 dargestellte Brennkraftmaschine 2 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Traktionsmotor zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs, wie z.B. eines PKWs, ausgebildet.
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Dargestellt von der Brennkraftmaschine 2 ist ein in einem Zylinder 16 verlagerbarer Kolben 18, wobei der Zylinder 16 oberseitig mit einem Ventildeckel 14 verschlossen ist.
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Zwischen dem Ventildeckel 14 und dem Kolben 18 befindet sich eine Brennkammer 10, in der ein Gemisch aus Kraftstoff und Luft verbrannt wird. Die Wärmeausdehnung des so entstehenden Heißgases wird genutzt, um den Kolben 18 abwärts zu bewegen. Diese Bewegung wird über ein Pleuel 20 auf eine Kurbelwelle (nicht dargestellt) der Brennkraftmaschine 2 übertragen. Neben der dargestellten Kolben-Zylinder-Baugruppe kann die Brennkraftmaschine 2 weitere auf die Kurbelwelle wirkende Kolben-Zylinder-Baugruppe aufweisen, d.h. die Brennkraftmaschine 2 ist eine sogenannte mehrzylindrige Brennkraftmaschine 1. Die Brennkraftmaschine 2 kann auch als Hubkolbenbrennkraftmaschine bezeichnet werden.
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Die Brennkraftmaschine 2 ist als Ottomotor ausgebildet, d.h. im Betrieb erfolgt eine Fremdzündung des Gemisches in der Brennkammer 10, z.B. gemäß einem Viertaktzyklus. Der Kraftstoff kann angesaugter Frischluft mittels eines Vergasers vor dem Ansaugen, durch eine Saugrohreinspritzung vor einem Einlassventil hinter einer Drosselklappe oder durch Direkteinspritzung mittels einer Einspritzdüse direkt in der Brennkammer 10 eingebracht werden.
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Bei dem Gemisch handelt es sich um ein mageres Gemisch. Mager bedeutet, dass mehr Verbrennungsluft vorhanden ist als für die stöchiometrische Verbrennung des Kraftstoffes in der Brennkammer 10 benötigt wird (Lambda >1). Mit anderem Worten, die Brennkraftmaschine 2 wird als Magermix-Ottomotor betrieben.
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Zur Entzündung des Gemisches in der Brennkammer 10 weist die Brennkraftmaschine 2 eine Zündeinheit 4 auf.
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Die Zündeinheit 4 weist eine Vorkammer 6 und eine Mehrzahl von Kanälen 8a, 8b, 8c, 8d sowie eine Zündkerze 12 auf.
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Die Vorkammer 6 und die Mehrzahl der Kanäle 8a, 8b, 8c, 8d sind in den Ventildeckel 14 der Brennkraftmaschine 2 integriert. Der Ventildeckel 14 ist der oberste Abschluss der Brennkraftmaschine 2.
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Die Vorkammer 6 und die Mehrzahl der Kanäle 8a, 8b, 8c, 8d können z.B. durch Ausnehmungen oder Bohrungen in dem Ventildeckel 14 gebildet sein. Alternativ kann der Ventildeckel 14 auch als 3D-Druckbauteil ausgebildet sein.
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Die Mehrzahl der Kanäle 8a, 8b, 8c, 8d erstrecken sich ausgehend von der Vorkammer 6 bis zu der Brennkammer 10 der Brennkraftmaschine 2. Das Volumen der Vorkammer 6 ist dabei derart bemessen, dass sie bis zu 5 Vol.-% des während eines Zyklus verbrannten Kraftstoffs aufnehmen kann.
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Bei Betrieb wird die Vorkammer 6 im Unterschied zu der Brennkammer 10 mit einem fetten Gemisch (Lambda <1) befüllt, das leichter entflammbar ist als das magere Gemisch in der Brennkammer 10. Es wird dann mittels der Zündkerze 12 zuerst das fette, leichter entflammbare Gemisch in der Vorkammer 6 entzündet. Eine Flammfront und/oder heiße Gase gelangen dann durch die Mehrzahl der Kanäle 8a, 8b, 8c, 8d in der Brennkammer 10 der Brennkraftmaschine 2 und bringen dort das magere Gemisch zur Entzündung.
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Jedoch kann es im Betrieb zu zu Klopfen führenden Selbstentzündungen des mageren Gemisches in der Brennkammer 10 kommen. Hierbei bildet sich neben der eigentlichen, gewünschten Flammfront eine weitere Flammfront in der Brennrakammer10 der Brennkraftmaschine 2 aus.
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Derartige Selbstentzündungen können entstehen bei zu hohen Temperaturen einer Zylinderinnenwand 22 des Zylinder 16 bei z.B. hohen Motorleistungen und/oder durch glühenden Abbrand, wie z. B. Verbrennungs- und Ölrückstände an einer Brennkammerwand 24, z.B. an einer Innenseite der Ventilabdeckung 14.
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Um dem entgegenzuwirken endet die Mehrzahl der Kanäle 8a, 8b, 8c, 8d in zumindest einem kritischen Bereich für eine Selbstentzündung. Bei den kritischen Bereichen handelt es sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel um die Zylinderinnenwand 22 und um die Brennkammerwand 24 der Brennkraftmaschine 2. So enden die beiden Kanäle 8b, 8c an der Brennkammerwand 24, während sich die beiden Kanäle 8a, 8d im vorliegenden Ausführungsbeispiel sich radial auswärts bis zur Hälfte eines Durchmessers D des Zylinders 16 mit im vorliegenden Ausführungsbeispiel kreisförmiger Grundfläche erstrecken. Somit enden die beide Kanäle 8a, 8d in kritischen Bereichen, die der Zylinderinnenwand 22 des Zylinder 16 zugeordnet werden können.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Mehrzahl der Kanäle 8a, 8b, 8c, 8d laufzeitkompensierend ausgebildet sind. So können unterschiedliche Laufzeiten der Gase durch die Mehrzahl der Kanäle 8a, 8b, 8c, 8d vergleichmäßigt werden, sodass Gase gleichzeitig aus den Kanälen 8a, 8b, 8c, 8d austreten. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die beiden Kanäle 8a, 8d länger als die beiden Kanäle 8b, 8c. Damit Gase schneller durch die beiden Kanäle 8a, 8d laufen als durch die anderen beiden Kanäle 8b, 8c kann z.B. vorgesehen sein, dass die beiden kürzeren Kanäle 8b, 8c einen kleineren Querschnitt aufweisen als die beiden längeren Kanäle 8a, 8d.
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So kann eine Ausbreitung einer auf einer Selbstentzündung beruhenden Flammfront in der Brennkammer 10 der Brennkraftmaschine 2 auf einen ringförmigen Bereich um den zentralen Mittelabschnitt der Brennkraftmaschine 2 begrenzt werden durch Erzeugen einer gewünschten Flammfron in der Brennkammer 10 der Brennkraftmaschine 2.
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Im Betrieb wird durch diese Ausbildung der Mehrzahl der Kanäle 8a, 8b, 8c, 8d erreicht, dass das magere Gemisch in der Brennkammer 10 in verschiedenen Bereichen gleichzeitig, d.h. simultan, entzündet wird.
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So wird eine Ausbreitung einer durch eine Selbstentzündung entstandenen Flammfront minimiert. Auf diese Weise kann die Klopfneigung der Brennkraftmaschine 2 reduziert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Brennkraftmaschine
- 4
- Zündeinheit
- 6
- Vorkammer
- 8a
- Kanal
- 8b
- Kanal
- 8c
- Kanal
- 8d
- Kanal
- 10
- Brennkammer
- 12
- Zündkerze
- 14
- Ventildeckel
- 16
- Zylinder
- 18
- Kolben
- 20
- Pleuel
- 22
- Zylinderinnenwand
- 24
- Brennkammerwand
- D
- Durchmesser
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 9797296 B2 [0007]
- US 5024193 A [0007]
