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GEBIET
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Vorkammer-Verbrennungsmotor.
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HINTERGRUND
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Aus dem Stand der Technik ist ein Vorkammer-Verbrennungsmotor bekannt, bei dem eine Hauptbrennkammer zwischen der Innenwandfläche eines Zylinderkopfes aus Metall und der Oberseite eines Kolbens gebildet ist, eine Vorkammer, die von einer dünnen Vorkammerwand umgeben ist, die von der Innenwandfläche des Zylinderkopfes zur Innenseite der Hauptbrennkammer ragt, am Zylinderkopf gebildet ist, Verbindungsöffnungen, die das Innere der Vorkammer und das Innere der Hauptbrennkammer verbinden, innerhalb der dünnen Vorkammerwand gebildet sind, die Elektrode einer Zündkerze in der Vorkammer angeordnet ist, und, wenn die Zündkerze verwendet wird, um das Luft-Kraftstoff-Gemisch in der Vorkammer zu verbrennen, Strahlflammen von den Verbindungsöffnungen in die Hauptbrennkammer ausgestoßen werden, wobei die dünne Vorkammerwand aus einem zweischichtigen Aufbau aus der der Hauptbrennkammer zugewandten Außenwand und der der Vorkammer zugewandten Innenwand besteht, und die Außenwand durch ein Material gebildet ist, das eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist als die Innenwand (siehe z.B. die japanische Patentanmeldung
JP 2007-138909 A ).
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KURZFASSUNG
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(TECHNISCHES PROBLEM)
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Bei diesem Vorkammer-Verbrennungsmotor wird zum Zeitpunkt einer hohen Motorlast das vordere Ende der dünnen Vorkammerwand, die in der Hauptbrennkammer freiliegt, zu heiß, und die Aufmerksamkeit wurde auf die Gefahr, dass das vordere Ende der dünnen Vorkammerwand als Wärmequelle wirkt und zu einer Selbstzündung des Luft-Kraftstoff-Gemisches in der Hauptbrennkammer führt, d.h. die Gefahr einer vorzeitigen Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemisches in der Hauptbrennkammer, gerichtet.
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In diesem Fall ist es bei diesem Vorkammer-Verbrennungsmotor notwendig, dass die Wärme des vorderen Endes der dünnen Vorkammerwand in den Zylinderkopf entweicht, um die Temperatur des vorderen Endes der dünnen Vorkammerwand zu senken, um eine vorzeitige Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemisches in der Hauptbrennkammer zu verhindern. Basierend auf diesem Denken besteht die dünne Vorkammerwand aus einem zweischichtigen Aufbau aus der Hauptbrennkammer zugewandten Außenwand und der der Vorkammer zugewandten Innenwand, und die Außenwand besteht aus einem Material, das eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist als die der Innenwand. Wenn auf diese Weise die Außenwand der dünnen Vorkammerwand aus einem Material besteht, das eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist als die der Innenwand, wird die Wärme des vorderen Endes der dünnen Vorkammerwand, die an der Innenseite der Hauptbrennkammer freiliegt, durch die Außenwand mit der hohen Wärmeleitfähigkeit zum Zylinderkopf geleitet, so dass die Temperatur des vorderen Endes der dünnen Vorkammerwand, die an der Innenseite der Hauptbrennkammer freiliegt, fällt und dadurch eine vorzeitige Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemisches in der Hauptbrennkammer verhindert wird.
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Eine vorzeitige Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemisches bei einem Vorkammer-Verbrennungsmotor erfolgt jedoch dadurch, dass in der Brennkammer, die in der Gesamtheit die Hauptbrennkammer und die Vorkammer umfasst, der Ort, der die höchste Temperatur erreicht, zur Wärmequelle wird. In diesem Fall hat bei einem Vorkammer-Verbrennungsmotor, bei dem die Elektrode einer Zündkerze in der Vorkammer angeordnet ist, in der Brennkammer, die in der Gesamtheit die Hauptbrennkammer und die Vorkammer umfasst, die Elektrode der Zündkerze in der Vorkammer die höchste Temperatur. Daher tritt die vorzeitige Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemisches am leichtesten in der Vorkammer um die Elektrode der Zündkerze auf. Um in diesem Fall eine vorzeitige Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemisches in der Vorkammer zu verhindern, muss eine Gastemperatur im Inneren der Vorkammer gesenkt werden, und dazu ist es notwendig, die Wärme der Innenwand der dünnen Vorkammerwand nach außen abzuleiten. Bei dem oben genannten Vorkammer-Verbrennungsmotor besteht die Innenwand der dünnen Vorkammerwand jedoch aus einem Material mit einer geringeren Wärmeleitfähigkeit als die der Außenwand, so dass es schwierig ist, Wärme von der Innenwand der dünnen Vorkammerwand entweichen zu lassen, was zum Problem der vorzeitigen Entzündung des Luft-Kraftstoff-Gemisches in der Vorkammer führt.
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Zur Lösung des vorstehend genannten Problems wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Vorkammer-Verbrennungsmotor vorgeschlagen, aufweisend:
- eine Hauptbrennkammer, die zwischen einer Innenwandfläche eines metallischen Zylinderkopfes und einer Oberseite eines Kolbens gebildet ist,
- eine Vorkammer, die am Zylinderkopf ausgebildet ist und von einer dünnen Vorkammerwand umgeben ist, die von der Innenwandfläche des Zylinderkopfes zur Innenseite der Hauptbrennkammer ragt, wobei die dünne Vorkammerwand darin ausgebildete Verbindungsöffnungen aufweist und eine Innenseite der Vorkammer mit einer Innenseite der Hauptbrennkammer verbindet, und
- eine Zündkerze mit einer in der Vorkammer angeordneten Elektrode, wobei Strahlflammen von den Verbindungsöffnungen zur Hauptbrennkammer ausgestoßen werden, wenn ein Luft-Kraftstoff-Gemisch in der Vorkammer durch die Zündkerze verbrannt wird, wobei
- die dünne Vorkammerwand aus einem Metallmaterial gebildet ist und eine gesamte äußere Umfangsfläche um die durch die dünne Vorkammerwand hindurchgehenden Verbindungsöffnungen herum aus einem Material mit einer geringeren Wärmeleitfähigkeit als die der dünnen Vorkammerwand gebildet ist.
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(VORTEILHAFTE AUSWIRKUNGEN DER ERFINDUNG)
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Durch das Ausbilden der gesamten äußeren Umfangsfläche um die durch die dünne Vorkammerwand hindurchgehenden Verbindungsöffnungen herum aus einem Material mit einer geringeren Wärmeleitfähigkeit als die der dünnen Vorkammerwand ist es möglich, leistungsstarke Strahlflammen von den Verbindungsöffnungen zu gewährleisten und gleichzeitig die vorzeitige Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemisches in der Vorkammer zu unterdrücken.
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Figurenliste
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- 1 ist eine Seitenansicht eines Vorkammer-Verbrennungsmotors.
- 2 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht der Umgebung einer Vorkammer.
- 3 ist eine Querschnittsansicht entlang des A-A-Schnitts von 2.
- 4 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht der Umgebung einer Vorkammer einer weiteren Ausführungsform.
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BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 zeigt eine Gesamtansicht eines Vorkammer-Verbrennungsmotors, der Benzin als Kraftstoff verwendet. Bezug nehmend auf 1, bezeichnet 1 einen Motorkörper, 2 einen Zylinderblock, 3 einen Zylinderkopf aus einem Metall bzw. metallischen Zylinderkopf, der an dem Zylinderblock 2 befestigt ist, 4 einen Kolben, der sich in dem Zylinderblock 2 hin- und her bewegt, 5 eine Hauptbrennkammer, die zwischen der Innenwandfläche des metallischen Zylinderkopfes 3 und der Oberseite des Kolbens 4 ausgebildet ist, 6 ein Einlassventil, 7 eine Einlassöffnung, 8 eine Kraftstoffeinspritzdüse, die in der Einlassöffnung 7 angeordnet ist, 9 ein Auslassventil und 10 eine Auslassöffnung.
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Wie in 1 und 2 dargestellt, ist der Zylinderkopf 3 mit einer Vorkammer 12 gebildet, die von einer dünnen Vorkammerwand 11 umgeben ist, die von der Innenwandfläche des Zylinderkopfes 3 zur Innenseite der Hauptbrennkammer 5 ragt. Diese dünne Vorkammerwand 11 wird beispielsweise aus einem Metallmaterial mit hoher Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise Edelstahl, gebildet. In der dünnen Vorkammerwand 11 ist eine Mehrzahl von Verbindungsöffnungen 13 gebildet, die das Innere der Vorkammer 12 mit dem Inneren der Hauptbrennkammer 5 verbinden. Bei der in 1 und 2 dargestellten Ausführungsform erstrecken sich diese Verbindungsöffnungen 13, wie in 3 dargestellt, radial von der Innenseite der Vorkammer 12 zur Innenseite der Hauptbrennkammer 5.
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Wie in 2 dargestellt, ist im Zylinderkopf 3 eine Metallhohlhülse 14 verschraubt.. In diese Hohlhülse 14 ist der Körper der Zündkerze 15 geschraubt. In diesem Fall wird bei der in 2 dargestellten Ausführungsform der Körper der Zündkerze 15 in die Hohlhülse 14 eingeschraubt, so dass der Entladungsspalt 15a der Zündkerze 15 im Wesentlichen in der gleichen Höhenposition positioniert ist wie die ringförmige Endfläche 11c der dünnen Vorkammerwand 11. Die Vorkammer 12 ist zwischen dem vorderen Ende der in die Hohlhülse 14 eingesetzten Zündkerze 15 und der Innenfläche der dünnen Vorkammerwand 11 gebildet. Es sei angemerkt, dass bei der in 2 dargestellten Ausführungsform die ringförmige Endfläche 11c der dünnen Vorkammerwand 11 mit der vorderen Endfläche der Hohlhülse 14 durch Schweißen verbunden ist.
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Beim in 1 dargestellten Vorkammer-Verbrennungsmotor wird beim Öffnen des Einlassventils 6 der von der Kraftstoffeinspritzdüse 8 eingespritzte Kraftstoff zusammen mit der Ansaugluft dem Inneren der Hauptbrennkammer 5 zugeführt. Dadurch bildet sich innerhalb der Hauptbrennkammer 5 ein Luft-Kraftstoff-Gemisch. Anschließend strömt beim Start des Verdichtungs- bzw. Kompressionshubs das Luft-Kraftstoff-Gemisch in der Hauptbrennkammer 5 von den Verbindungsöffnungen 13 in die Vorkammer 12. Anschließend entzündet die Zündkerze 15 bei Erreichen der Endphase des Kompressionshubs das Luft-Kraftstoff-Gemisch in der Vorkammer 12, wobei von den Verbindungsöffnungen 13 der Vorkammer 12 Strahlflammen in Richtung der Innenseite der Hauptbrennkammer 5 ausgestoßen werden. Das Luft-Kraftstoff-Gemisch im Inneren der Hauptbrennkammer 5 wird durch diese Strahlflammen schnell verbrannt.
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Weiterhin wird, wenn der Kompressionshub gestartet wird und das Luft-Kraftstoff-Gemisch in der Hauptbrennkammer 5 von den Verbindungsöffnungen 13 zur Innenseite der Vorkammer 12 fließt, das Luft-Kraftstoff-Gemisch durch die hohe Temperatur der Innenfläche der dünnen Vorkammerwand 11 erwärmt. Dadurch wird die Gastemperatur in der Vorkammer 12 höher. Andererseits erreicht bei einem Vorkammer-Verbrennungsmotor, bei dem die Elektrode der Zündkerze 15 in der Vorkammer 12 angeordnet ist, in der Brennkammer, die in der Gesamtheit die Hauptbrennkammer 5 und die Vorkammer 12 umfasst, die Elektrode der Zündkerze 15 in der Vorkammer 12 die höchste Temperatur. Daher kommt es in der Vorkammer 12 um die Elektrode der Zündkerze 15 herum am ehesten zu einer vorzeitigen Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemisches.
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Bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht die dünne Vorkammerwand 11 jedoch aus einem Metallmaterial mit hoher Wärmeleitfähigkeit. Daher geht die Wärme des Gases in der Vorkammer 12 durch die dünne Vorkammerwand 11, entweicht in die Hohlhülse 14 und kann dann in den Zylinderkopf 3 entweichen. Dadurch wird die Gastemperatur in der Vorkammer 12 niedrig gehalten. Selbst wenn die Elektrode der Zündkerze 15 eine höhere Temperatur aufweist, wird daher eine vorzeitige Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemisches in der Vorkammer 12 unterdrückt.
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Wenn hingegen die dünne Vorkammerwand 11 als Ganzes durch ein Metallmaterial mit hoher Wärmeleitfähigkeit gebildet wird, wird den aus der Vorkammer 12 ausgestoßenen Strahlflammen an den Umfangswandflächen der Verbindungsöffnungen 13 beim Durchströmen der Innenseiten der Verbindungsöffnungen 13 Wärme entzogen. Dadurch sinkt die Ausstoßkraft der Strahlflammen. Fällt die Ausstoßkraft der Strahlflammen, wird die durch die Strahlflammen verursachte Verwirbelung (EN: disturbance) in der Hauptbrennkammer 5 abgeschwächt und der von den Strahlflammen erreichte Abstand verkürzt, so dass eine gute Verbrennung in der Hauptbrennkammer 5 nicht länger gewährleistet werden kann.
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Daher ist bei der Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung, wie in 2 und 3 durch das Bezugszeichen 16 dargestellt, die gesamte äußere Umfangsfläche um die durch die dünne Vorkammerwand 11 hindurchgehenden Verbindungsöffnungen 13 herum aus einem Material mit einer geringeren Wärmeleitfähigkeit als die der dünnen Vorkammerwand 11 gebildet. In diesem Fall ist bei der in 2 und 3 dargestellten Ausführungsform die gesamte Außenumfangsfläche um die Verbindungsöffnungen 13 herum mit einem Material mit einer geringeren Wärmeleitfähigkeit als die der dünnen Vorkammerwand 11 beschichtet oder flammgespritzt, wodurch auf der gesamten Außenumfangsfläche um die Verbindungsöffnungen 13 herum eine Beschichtungsschicht 16 mit einer geringeren Wärmeleitfähigkeit als die der dünnen Vorkammerwand 11 gebildet wird.
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Wenn auf diese Weise die gesamte äußere Umfangsfläche um die durch die dünne Vorkammerwand 11 hindurchgehenden Verbindungsöffnungen 13 herum aus einem Material mit einer geringeren Wärmeleitfähigkeit als die der dünnen Vorkammerwand 11 gebildet wird, werden die von der Vorkammer 12 ausgestoßenen Strahlflammen von den Umfangswandflächen der Verbindungsöffnungen 13 beim Durchströmen der Verbindungsöffnungen 13 nicht besonders stark gekühlt. Somit werden leistungsstarke Strahlflammen erzeugt. Dadurch verursachen Strahlflammen eine starke Verwirbelung im Inneren der Hauptbrennkammer 5 und der von den Strahlflammen erreichte Abstand wird größer, so dass eine gute Verbrennung in der Hauptbrennkammer 5 gewährleistet ist. Daher ist es in der Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung möglich, leistungsstarke Strahlflammen aus den Verbindungsöffnungen 13 zu gewährleisten und gleichzeitig ein vorzeitiges Zünden des Luft-Kraftstoff-Gemisches in der Vorkammer 12 zu unterdrücken.
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4 zeigt eine weitere Ausführungsform. Bei dieser Ausführungsform ist die dünne Vorkammerwand 11 mit Durchgangsbohrungen 17 ausgebildet, deren Durchmesser größer ist als derjenige der in 2 und 3 dargestellten Verbindungsöffnungen 13. In die Durchgangsbohrungen 17 sind Hohlröhren 18 aus einem Material mit einer geringeren Wärmeleitfähigkeit als die der dünnen Vorkammerwand 11 eingesetzt. Diese Hohlröhren 18 sind beispielsweise aus Keramikröhren gebildet und beispielsweise mit einem Klebstoff an den Innenseiten der Durchgangsbohrungen 17 befestigt, und die Verbindungsöffnungen 13 sind in diesen Hohlröhren 18 ausgebildet. Auch bei dieser Ausführungsform werden die aus der Vorkammer 12 ausgestoßenen Strahlflammen durch die Umfangswandflächen der Verbindungsöffnungen 13 beim Durchströmen der Verbindungsöffnungen 13 nicht besonders stark gekühlt. Dadurch werden leistungsstarke Strahlflammen erzeugt. Dadurch ist es möglich, leistungsstarke Strahlflammen aus den Verbindungsöffnungen 13 zu gewährleisten und gleichzeitig eine vorzeitige Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemisches in der Vorkammer 12 zu unterdrücken.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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