DE102019131360A1

DE102019131360A1 - Zylinderkopf für eine fremd gezündete Hubkolben-Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102019131360A1
Application number: DE102019131360.0A
Authority: DE
Inventors: Dirk Christian Leinhos; Laura Baumgartner
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2019-11-20
Filing date: 2019-11-20
Publication date: 2021-05-20
Anticipated expiration: 2039-11-21
Also published as: DE102019131360B4; CN114423934B; US11852069B2; WO2021099053A1; US20220403771A1; CN114423934A

Abstract

Zylinderkopf für eine fremd gezündete Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem Vorkammerzündsystem mit einem Hohlraum, in dem eine Zündvorrichtung anordenbar ist, wobei der Hohlraum mit einem Deckel gegenüber einem Brennraum der Hubkolben-Brennkraftmaschine abgedeckt ist, wobei der Deckel zumindest zwei Durchbrüche aufweist, die den Hohlraum und den Brennraum Gas führend miteinander verbinden, wobei der Hohlraum von einer Trennwand in eine erste Zündkammer und eine zweite Zündkammer aufgeteilt ist, wobei jeder Zündkammer zumindest ein Durchbruch zugeordnet ist.Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Vorkammerzündsystems ist eine perfekte Gemisch-Zündung für die Brennkraftmaschine für jeden Betriebspunkt (hohe, niedrige Last und/oder Drehzahl) dargestellt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für eine fremd gezündete Hubkolben-Brennkraftmaschine mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Zum technischen Umfeld wird beispielsweise auf die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2014 111 897 A1 hingewiesen. Aus dieser ist eine Zündeinrichtung zum Zünden von Brennstoff-Luft-Gemischen in einer Brennkammer eines Verbrennungsmotors mittels einer Corona-Entladung bekannt, mit einer Zündelektrode, einen die Zündelektrode umgebenden Außenleiter, welcher ein vorderes und ein hinteres Ende hat und mit einem zwischen der Zündelektrode und dem Außenleiter angeordneten elektrischen Isolator, aus welchem wenigstens eine Spitze der Zündelektrode herausragt. Die wenigstens eine Spitze der Zündelektrode liegt in einem Raum, der durch eine dem Isolator zugeordnete Kappe abgeschirmt ist, die eine dem Isolator zugewandte Innenseite und eine dem Isolator abgewandte Außenseite sowie eines oder mehrere Löcher hat, durch welche der abgeschirmte Raum mit einem auf der Außenseite der Kappe liegenden Raum, der Brennkammer, in Verbindung steht.
Weiter ist aus der internationalen Patentanmeldung mit der internationalen Veröffentlichungsnummer WO 2008/031482 A2 eine Zündkerze zum Zünden eines brennbaren Gasgemisches beim Verbrennungsmotor bekannt, umfassend:

- eine Zündelektrode,
- eine elektrische Versorgungsleitung, an welche die Zündelektrode angeschlossen ist,
- einen Isolatorkörper, durch den die Versorgungsleitung hindurchgeführt ist,
- ein Gehäusekopf, der dichtend auf dem Isolatorkörper sitzt und ein Außengewinde zum Einschrauben in einen Verbrennungsmotor,
- ein Rohrgehäuse, das an dem Gehäusekopf befestigt ist, den Isolatorkörper umgibt und einen Sechskant trägt,

Zum weiteren technischen Umfeld wird ferner auf die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2016 120 984 A1 hingewiesen. Aus dieser Offenlegungsschrift ist eine Vorkammerzündkerze für eine mit Gas betriebene Brennkraftmaschine und ein Verfahren zu deren Herstellung bekannt.
Weiter ist aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2016 206 992 A1 eine Zündkerze bekannt. Bei der Zündkerze handelt es sich insbesondere um eine Vorkammerzündkerze, mit einem Gehäuse, einer Zündelektrode und einer Masseelektrode, wobei die Zündelektrode über eine Versorgungsleitung mit einer elektrischen Spannung beaufschlagbar ist und wobei die Versorgungsleitung zumindest teilweise innerhalb eines Isolators verläuft, wobei zumindest ein Ableitungsbereich des Gehäuses aus einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von über 150 W/mK hergestellt ist.
Nachteilig an den bekannten Vorkammerzündsystemen ist die Tatsache, dass sie entweder nur für hohe Lasten und/oder Drehzahlen oder für niedrige Lasten und/oder Drehzahlen der Brennkraftmaschine optimal ausgelegt werden kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Maßnahme aufzuzeigen, wie ein Vorkammerzündsystem oben genannten Nachteil vermeidet.
Diese Aufgabe wird durch das Merkmal im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Wie bereits erwähnt existieren derzeit keine passive Vorkammerzündsysteme, die im gesamten Kennfeld einer fremd gezündeten Hubkolben-Brennkraftmaschine, also sowohl in der Teillast als auch in der Volllast perfekt funktionieren, sprich zuverlässig zünden und möglichst geringe Rohemissionen erzeugen, als konventionelle Zündsysteme. Man kann somit das Vorkammerzündsystem entweder für die Teillast oder für die Volllast auslegen oder muss einen Kompromiss eingehen, der aber nicht das volle Potential der Hubkolben-Brennkraftmaschine erschließt. Während für den Betrieb in der Teillast ein großes Oberflächen-zu-Vorkammervolumenverhältnis vorteilhaft ist, wird für die Volllast ein kleines Verhältnis benötigt. Mit Oberfläche ist hierbei die durchströmte Fläche der Durchbrüche zwischen Kammer und Brennraum gemeint.
Das Grundprinzip der Erfindung ist, dass ein großes Vorkammerzündvolumen in Teilzündkammern unterteilt wird, um alle Betriebsbereiche optimal abdecken zu können. Durch eine Unterteilung des Vorkammerzündvolumens ergeben sich somit Vorteile im Teillastbetrieb. Die Nachteile der Strömungsbedingungen bzw. der niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten bei geringen Kompressionsdrücken, können durch eine deutliche Verringerung der Einzelvolumina verbessert werden. Der gesamte Impuls der austretenden Zündstrahlen aus den Teilzündvorkammern kann gleichzeitig konstant gehalten werden.
Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 2 ermöglicht, dass nur eine Teilzündkammer mit einer primären Zündquelle gezündet wird und die andere Teilzündkammer durch eine Querverbindung nachzündet.
Mit der Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 3 ist es möglich, das Vorkammerzündsystem optimal sowohl an die Teillast als auch an die Volllast der Hubkolben-Brennkraftmaschine anzupassen.
Mit der Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 4 ist es möglich, jede Zündkammer individuell zu zünden, um sowohl in der Volllast als auch in der Teillast der Hubkolben-Brennkraftmaschine den bestmöglichen Zündzeitpunkt einstellen zu können.
Mit der Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 5 ist es möglich, die Anzahl der austretenden Zündstrahlen an den Betriebspunkt der Hubkolben-Brennkraftmaschine anzupassen.
Mit der Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 6 ist zwar ein aufwändigeres Vorkammerzündsystem dargestellt, welches jedoch in vorteilhafter Weise die besten Zündeigenschaften aufweist.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand von sechs Figuren für sechs Ausführungsbeispiele näher erläutert.

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Vorkammerzündsystem.
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Vorkammerzündsystem.
3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Vorkammerzündsystem.
4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Vorkammerzündsystem.
5 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Vorkammerzündsystem.
6 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Vorkammerzündsystem.

Im Folgenden sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nur 1 vollständig und 2 ergänzend beziffert. Für die 1 bis 6 gelten jedoch für gleiche Bauelemente die gleichen Bezugsziffern, auch wenn sie nicht beziffert sind.
Vorab sei gesagt, dass die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Vorkammerzündsystems 1 sowohl für passive Vorkammerzündsysteme 1, wie hier teilweise dargestellt, als auch für aktive Vorkammerzündsysteme 1, mit aktiver Einbringung von Kraftstoff, von Kraftstoff/Luft-Gemisch oder von Luft in den Hohlraum des Vorkammerzündsystems 1, eingesetzt werden kann. Die Einbringung von Kraftstoff in eine Zündkammer 6, 7 ist in den 1 bis 6 nicht dargestellt.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Vorkammerzündsystem 1. Das Vorkammerzündsystem 1 ist für einen Zylinderkopf für eine fremd gezündete, nicht dargestellte Hubkolben-Brennkraftmaschine vorgesehen. Das Vorkammerzündsystem 1 kann beispielsweise direkt in den Zylinderkopf der Hubkolben-Brennkraftmaschine eingearbeitet sein, oder, wie in den 1 bis 6 dargestellt, kann das Vorkammerzündsystem 1 auch als ein separates Bauteil ausgeführt sein, welches in den Zylinderkopf der Hubkolben-Brennkraftmaschine einbaubar ist.
Das Vorkammerzündsystem 1 weist einen Hohlraum auf, in dem zumindest eine Zündvorrichtung, wie beispielsweise eine Zündkerze, anordenbar ist. Die Zündvorrichtung ist schematisch durch einen Entflammungsstern dargestellt. Der Hohlraum des Vorkammerzündsystems 1 ist mit einem Deckel 2 gegenüber einem Brennraum 3 der Hubkolben-Brennkraftmaschine abgedeckt. Hierbei weist der Deckel 2 zumindest zwei Durchbrüche 4 auf, die den Hohlraum und den Brennraum 3 Gas führend miteinander verbinden. Beim Betrieb der Hubkolben-Brennkraftmaschine findet eine Zündung in dem Hohlraum des Vorkammerzündsystems 1 statt, und entzündet ein Kraftstoff-Luft-Gemisch in dem Hohlraum. Anschließend tritt eine Zündflamme oder ein Zündstrahl durch die Durchbrüche 4 in den Brennraum 3 über und entzündet ein in dem Brennraum 3 befindliches Kraftstoff-Luft-Gemisch.
Erfindungsgemäß ist der Hohlraum von einer Trennwand 5 in eine erste Zündkammer 6 und in eine zweite Zündkammer 7 aufgeteilt, wobei jeder Zündkammer 6, 7 zumindest ein Durchbruch 4 zugeordnet ist.
Die Anzahl der der Durchbrüche 4 kann für alle Ausführungsvarianten auch deutlich höher als in den dargestellten Ausführungsbeispielen sein. Auch die Größe und Form der Durchbrüche 4 kann variieren.
In 1 ist somit ein Einkammerbetrieb dargestellt, der insbesondere für niedrige Drehzahlen und niedrige Lastzustände der Hubkolben-Brennkraftmaschine geeignet ist. Die zweite Zündkammer 7 wird hierbei bevorzugt mit einer aktiven Einbringung von Kraftstoff in die zweite Zündkammer 7 betrieben. Dann entzündet die Hauptverbrennung in dem Brennraum 3 zeitlich verzögert das Kraftstoff-Luft-Gemisch in der zweiten Zündkammer 7, wodurch die Rohemissionen der Hubkolben-Brennkraftmaschine nochmals deutlich gesenkt werden können.
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Vorkammerzündsystem 1. In diesem Ausführungsbeispiel weist die Trennwand 5 eine Öffnung 8 auf. Dies bedeutet, dass beim Betrieb der Hubkolben-Brennkraftmaschine der Zündfunke zuerst die erste Zündkammer 6 entflammt, anschließend der Zündfunke auf die zweite Zündkammer 7 überspringt und anschließend aus beiden Zündkammern 6, 7 die Zündstrahlen aus dem Hohlraum in den Brennraum 3 übertreten. In diesem Fall wird die zweite Zündkammer 7 passiv, d. h. ohne Einbringung von Kraftstoff in die zweite Zündkammer 7 betrieben. In weiteren Ausführungsbeispielen können auch mehrere Öffnungen 8 vorgesehen werden. Dies gilt auch für 5.
3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Vorkammerzündsystem 1. In diesem Ausführungsbeispiel weist die erste Zündkammer 6 ein größeres Volumen auf als die zweite Zündkammer 7. Somit ist eine deutliche Anpassung an den Betriebszustand der Hubkolben-Brennkraftmaschine sowohl in der Teillast als auch in der Volllast bzw. bei niedrigen Drehzahlen oder hohen Drehzahlen möglich. Die zweite Zündkammer 7 wird bevorzugt wieder aktiv betrieben.
4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Vorkammerzündsystem 1. In diesem vierten Ausführungsbeispiel ist sowohl in der ersten Zündkammer 6 als auch in der zweiten Zündkammer 7 jeweils eine eigene Zündvorrichtung vorgesehen. Mit dieser Ausgestaltung ist es möglich, jede Zündkammer individuell den Betriebsbedingungen der Hubkolben-Brennkraftmaschine anzupassen. Es liegt sozusagen eine Doppelzündung vor.
5 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Zündvorrichtung 1. Auch in diesem fünften Ausführungsbeispiel sind jeweils für die erste Zündkammer 6 und die zweite Zündkammer 7 jeweils eine eigene Zündvorrichtung vorgesehen, wobei darüber hinaus die Trennwand zumindest eine Öffnung 8 aufweist. Es handelt sich somit um eine geteilte Zündvorkammer mit Durchbrüchen.
6 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Vorkammerzündsystem 1. Mit diesem sechsten Ausführungsbeispiel liegt ebenso wie im dritten Ausführungsbeispiel ein geteiltes Vorkammerzündsystem 1 vor, wobei das erste Volumen der ersten Zündkammer 6 und das zweite Volumen der zweiten Zündkammer 7 unterschiedlich groß sind. Weiter sind in diesem sechsten Ausführungsbeispiel der ersten Zündkammer 6 zumindest zwei Durchbrüche 4 zugewiesen, während der zweiten Zündkammer 7 zumindest ein Durchbruch 4 in dem Deckel 2 zugewiesen ist. Es handelt sich somit um eine geteilte, asymmetrische Vorkammer.
Es sind somit sechs unterschiedliche Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen geteilten Vorkammerzündsystemen 1 dargestellt. Die Teilung kann symmetrisch (gleiche Teilvolumina), asymmetrisch (unterschiedlich große Teilvolumina) und/oder mit Öffnungen 8 in der Trennwand 5 ausgeführt sein. Auch bezüglich der Zündquellen sind verschiedene Varianten möglich: die erste und die zweite Zündkammer 6, 7 werden entweder immer gezündet (durch zwei Zündquellen, durch eine Querzündung durch die Öffnung 8 in der Trennwand 5, oder durch einen applizierbaren Funkenüberschlag (Nachzünden einer Zündkammer durch die Verbrennung im Brennraum 3) oder es wird in der Teillast nur eine Zündkammer gezündet.
Bezugszeichenliste

1.: Vorkammerzündsystem
2.: Deckel
3.: Brennraum
4.: Durchbruch
5.: Trennwand
6.: erste Zündkammer
7.: zweite Zündkammer
8.: Öffnung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102014111897 A1 [0002]
WO 2008/031482 A2 [0003]
DE 102016120984 A1 [0004]
DE 102016206992 A1 [0005]

Claims

Zylinderkopf für eine fremd gezündete Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem Vorkammerzündsystem (1) mit einem Hohlraum, in dem eine Zündvorrichtung anordenbar ist, wobei der Hohlraum mit einem Deckel (2) gegenüber einem Brennraum (3) der Hubkolben-Brennkraftmaschine abgedeckt ist, wobei der Deckel (2) zumindest zwei Durchbrüche (4) aufweist, die den Hohlraum und den Brennraum (3) Gas führend miteinander verbinden, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum von einer Trennwand (5) in eine erste Zündkammer (6) und eine zweite Zündkammer (7) aufgeteilt ist, wobei jeder Zündkammer (6, 7) ein Durchbruch (4) zugeordnet ist.
Vorkammerzündsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand (5) eine Öffnung (8) aufweist, die die erste Zündkammer (6) und die zweite Zündkammer (7) Gas führend miteinander verbindet.
Vorkammerzündsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Zündkammer (6) ein größeres Volumen aufweist als die zweite Zündkammer (7).
Vorkammerzündsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Zündkammer (6, 7) eine Zündvorrichtung zugeordnet ist.
Vorkammerzündsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der ersten und der zweiten Zündkammer (6, 7) unterschiedlich viele Durchbrüche (4) zugeordnet sind.
Vorkammerzündsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder die zweite Zündkammer (6, 7) aktiv mit Kraftstoff, mit einem Kraftstoff/Luft-Gemisch oder mit Luft spülbar sind.