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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs in einem Brennraum eines Zylinders einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Brennkraftmaschine mit einer derartigen Vorrichtung.
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Aus dem Stand der Technik sind Vorrichtungen, die für eine Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs in einem Brennraum eines Zylinders einer Brennkraftmaschine vorgesehen sind, in ganz unterschiedlichen Ausführungsformen bekannt. Derartige Vorrichtungen weisen eine Vorkammer auf, in der ein zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch mittels einer darin untergebrachten Zündvorrichtung gezündet werden kann, wobei der Kraftstoff aufgrund des relativ kleinen Volumens nicht direkt in die Vorkammer eingespritzt wird (passive Vorkammer).
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Bei diesen so genannten Vorkammer-Strahlzündungen wird ein Teil des Kraftstoff-Luft-Gemischs während des Verdichtungstakts der Brennkraftmaschine in die Vorkammer gezwungen, in der turbulente Strahlzündungen dafür sorgen, dass das Kraftstoff-Luft-Gemisch innerhalb der Vorkammer entflammt wird. Diese Entflammung breitet sich nachfolgend weiter in die Brennkammer der Brennkraftmaschine aus. Daraus resultieren eine schnellere Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemischs innerhalb des Brennraums sowie eine geringere Klopfneigung.
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Üblicherweise weist eine passive Vorkammer ein relativ geringes Volumen, das etwa 2-5% des Volumens der Brennkammer im oberen Totpunkt des Kolbens, der sich innerhalb der Brennkammer bewegt, entspricht. Aufgrund dieses geringen Volumens der Vorkammer ist der aus der Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemischs innerhalb der Vorkammer resultierende Beschleunigungseffekt auf die allererste Phase des Verbrennungsprozesses (etwa 0-10% der gesamten Verbrennungsdauer) beschränkt.
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Aus der
WO 2022/ 011 400 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit einer Vielzahl von Vorkammern bekannt, welche jeweils mit einem Hauptbrennraum verbunden sind. Die Vorkammern sind mittels Vorkammergasventilen zur Aufnahme eines Gemischs aus Brenngas und Luft eingerichtet. Jede Vorkammer umfasst zudem bis zu drei Teilkammern, welche mithilfe von Strömungsöffnungen miteinander verbunden sind und der Volumengröße nach aufsteigend angeordnet sind. Eine erste Teilkammer umfasst ein Vorkammergasventil und eine Zündvorrichtung zum Zünden des Gemischs aus Brenngas und Luft.
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Die
JP 2006- 329 092 A offenbart eine Vorrichtung zur Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs in einem Brennraum eines Zylinders einer Brennkraftmaschine, umfassend eine erste Vorkammer mittels derer ein zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch innerhalb der ersten Vorkammer zündbar ist, sowie zumindest eine zweite Vorkammer, die sich um einen Teil der ersten Vorkammer herum erstreckt und mit der ersten Vorkammer in Strömungsverbindung steht.
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Die
US 2018 / 0 038 270 A1 zeigt eine Zündkammeranordnung, umfassend eine erste Vorkammer und eine zweite Vorkammer, welche in Strömungsverbindung stehen.
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Die vorliegende Erfindung macht es sich zur Aufgabe, eine Vorrichtung zur Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, die eine weitere Verbesserung des Zünd- und Verbrennungsprozesses des Kraftstoff-Luft-Gemischs ermöglicht.
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Die Lösung dieser Aufgabe liefert eine gattungsgemäße Vorrichtung zur Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs in einem Brennraum eines Zylinders einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs in einem Brennraum eines Zylinders einer Brennkraftmaschine zeichnet sich dadurch aus, dass die zweite Vorkammer vollständig innerhalb des Brennraums angeordnet ist, insbesondere kegelstumpfartig ausgebildet ist und ein größeres Volumen als die erste Vorkammer aufweist.
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Es hat sich gezeigt, dass der Beschleunigungseffekt der Vorkammerzündung durch das Vorsehen der zweiten, insbesondere kegelstumpfartig ausgebildeten Vorkammer, die sich innerhalb des Brennraums um einen Teil der ersten Vorkammer herum erstreckt und ein größeres Volumen als die erste Vorkammer aufweist, noch erheblich gesteigert werden kann. Die Energie der aus der zweiten Vorkammer austretenden und in den Brennraum einströmenden Flammen kann so in vorteilhafter Weise erhöht werden. Derselbe Effekt kann nicht durch die bloße Vergrößerung des Volumens der ersten Vorkammer erzielt werden, da ein bestimmtes Verhältnis zwischen Lochfläche von Strömungsöffnungen und dem Vorkammervolumen eingehalten werden muss.
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Um den vorstehend beschriebenen Effekt noch weiter zu verstärken, wird in einer vorteilhaften Ausführungsform vorgeschlagen, dass die Vorrichtung zumindest eine dritte Vorkammer aufweist, die insbesondere kegelstumpfartig ausgebildet ist und sich um die zweite Vorkammer herum erstreckt. Dadurch wird erreicht, dass die Energie der Flammen, die aus der dritten Vorkammer austreten, weiter erhöht werden kann. Vorzugsweise ist die dritte Vorkammer so ausgebildet, dass sie ein größeres Volumen als die zweite Vorkammer aufweist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform besteht die Möglichkeit, dass die Vorrichtung eine Anzahl k ≥ 1 weiterer Vorkammern aufweist, die insbesondere kegelstumpfartig geformt sind und sich jeweils um die vorhergehende Vorkammer herum erstrecken. Beispielsweise kann ein Vorkammersystem mit vier oder fünf Vorkammern vorgesehen sein.
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Vorzugsweise ist die k-te Vorkammer so ausgebildet, dass sie ein größeres Volumen als die (k-1 )-te Vorkammer aufweist. Die Volumina der Vorkammern, die innerhalb des Brennraums der Brennkraftmaschine angeordnet sind, vergrößern sich also vorzugsweise von innen nach außen.
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In einer herkömmlichen Brennkraftmaschine sind die Abmessungen der ersten Vorkammer zu klein, um das Verbrennungsluftverhältnis in der ersten Vorkammer zu regeln (so genannte Lambda-Regelung). In einer vorteilhaften Weiterbildung wird daher vorgeschlagen, dass die Vorrichtung ein Kraftstoffeinspritzmittel, insbesondere eine Kraftstoffeinspritzdüse, aufweist, die so angeordnet ist, dass sie sich in eine derjenigen Vorkammern hinein erstreckt, die ein größeres Volumen als die erste Vorkammer aufweist. Durch den Einsatz eines mehrstufigen Vorkammersystems ist es möglich, das Kraftstoffeinspritzmittel, insbesondere die Kraftstoffeinspritzdüse, der Vorrichtung in einer größeren Vorkammer zu positionieren, wodurch in vorteilhafter Weise eine effektivere Regelung des lokalen Verbrennungsluftverhältnisses erreicht werden kann.
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Verschiedene Kombinationen von Kraftstoffeinspritzmitteln, insbesondere Kraftstoffeinspritzdüsen, und unterschiedlichen Anzahlen von Vorkammern sind grundsätzlich denkbar.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die erste Vorkammer zumindest abschnittsweise konisch ausgebildet ist und so geformt ist, dass sie sich zumindest abschnittsweise von innen nach außen - also in Richtung des Brennraums - verjüngt.
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Vorzugsweise können sich die zweite Vorkammer und die gegebenenfalls vorhandenen weiteren Vorkammern innerhalb des Brennraums weiter aufweitet.
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Anstelle der kegelstumpfartigen Form können die Vorkammern auch andere Formgestaltungen aufweisen.
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Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine zeichnet sich gemäß Anspruch 8 dadurch aus, dass sie eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 umfasst.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende 1, die einen Längsschnitt durch einen Teil eines Brennzylinders 2 einer Brennkraftmaschine 100 zeigt. In 1 ist nur ein einziger Brennzylinder 2 der Brennkraftmaschine 100 dargestellt, die in der Regel jedoch über eine Mehrzahl derartiger Brennzylinder 2 verfügt.
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Der Brennzylinder 2 definiert einen Brennraum 3, innerhalb dessen ein Kolben 4 von einer ersten (unteren) Totpunkt-Position in eine zweite (obere) Totpunkt-Position, wie sie in 1 gezeigt ist, und umgekehrt in axialer Richtung bewegbar ist. Der Brennzylinder 2 steht mit einem Lufteinlasstrakt 5, innerhalb dessen ein Lufteinlassventil 7 angeordnet ist, und mit einem Abgastrakt 6, innerhalb dessen ein Auslassventil 8 angeordnet ist, in Fluidverbindung.
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Der Brennzylinder 2 weist einen Zylinderkopf 9 auf, innerhalb dessen eine erste Aufnahme 90 und eine zweite Aufnahme 91 ausgebildet sind. In die erste Aufnahme 90 ist ein erstes Kraftstoffeinspritzmittel 10, insbesondere eine Kraftstoffeinspritzdüse, eingesetzt, mittels derer während des Betriebs der Brennkraftmaschine 100 ein Kraftstoff in den Brennraum 3 eingespritzt werden kann. Bei geöffnetem Lufteinlassventil 7 entsteht innerhalb des Brennraums 3 ein zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch.
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Die Brennkraftmaschine 100 weist weiterhin eine Vorrichtung 1 zur Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs innerhalb des Brennraums 3 des Brennzylinders 2 auf, mittels derer das zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch gezündet werden kann. Die bei der Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemischs entstehenden Verbrennungsabgase strömen bei geöffnetem Auslassventil 8 in den Abgastrakt 6 ein.
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Nachfolgend sollen weitere Einzelheiten der Vorrichtung 1 zur Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemischs näher erläutert werden. Die Vorrichtung 1 weist ein Vorkammergehäuse 11 auf, innerhalb dessen eine erste Vorkammer 12 ausgebildet ist. Ferner weist die Vorrichtung 1 eine Zündeinrichtung 13, insbesondere eine Zündkerze, auf, die in das Vorkammergehäuse 11 eingesetzt ist und in die erste Vorkammer 12 mündet. Die erste Vorkammer 12 ist abschnittsweise konisch ausgebildet und so geformt, dass sie sich abschnittsweise von innen nach außen - also in Richtung des Brennraums 3 - verjüngt. Ein zylindrischer Anschlussabschnitt 14 des Vorkammergehäuses 11 ist in die zweite Aufnahme 91 des Zylinderkopfs 9 eingesetzt ist und erstreckt sich abschnittsweise in den Brennraum 3 hinein. Das von dem zylindrischen Anschlussabschnitt 14 des Vorkammergehäuses 11 eingeschlossene Volumen bildet dabei einen Teil des Gesamtvolumens der Vorkammer 12.
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Die Vorrichtung 1 weist ferner eine zweite Vorkammer 15 auf, die sich innerhalb des Brennraums 3 um den zylindrischen Anschlussabschnitt 14 des Vorkammergehäuses 11 und damit auch um die erste Vorkammer 12 herum erstreckt. Die zweite Vorkammer 15 ist in diesem Ausführungsbeispiel kegelstumpfartig ausgebildet und so geformt, dass sie sich ausgehend vom Zylinderkopf 9 innerhalb des Brennraums 3 aufweitet. Vorzugsweise weist die zweite Vorkammer 15 ein größeres Volumen als die erste Vorkammer 12 auf. In diesem Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung 1 überdies eine dritte Vorkammer 16 auf, die sich um die zweite Vorkammer 15 herum erstreckt. Die dritte Vorkammer 16 ist in diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls kegelstumpfartig ausgebildet und so geformt, dass sie sich ausgehend von der zweiten Vorkammer 15 innerhalb des Brennraums 3 weiter aufweitet.
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In einem unteren Bereich des zylindrischen Anschlussabschnitts 14 ist eine Anzahl von Strömungskanälen 140 ausgebildet, die eine Strömungsverbindung zwischen der ersten Vorkammer 12 und der zweiten Vorkammer 15 innerhalb der Brennkammer 3 zur Verfügung stellen. Die zweite Vorkammer 15 weist in einem unteren Bereich eine Anzahl von Strömungsöffnungen 150 auf, die eine Strömungsverbindung zwischen der zweiten Vorkammer 15 und der dritten Vorkammer 16 zur Verfügung stellen. Ferner weist die dritte Vorkammer 16 in einem unteren Bereich eine Mehrzahl von Strömungsöffnungen 160 auf, die eine Strömungsverbindung zwischen der dritten Vorkammer 16 und dem Brennraum 3 zur Verfügung stellen.
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Je nach Einsatz- und Verwendungszweck können sich in analoger Weise an die dritte Vorkammer 16 eine vierte Vorkammer und gegebenenfalls auch noch weitere Vorkammern anschließen, die vorzugsweise ebenfalls kegelstumpfartig ausgebildet sind und jeweils ein größeres Volumen als die vorhergehende Vorkammer aufweisen.
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Das Vorkammersystem der Vorrichtung 1 mit den drei vorstehend beschriebenen Vorkammern 12, 15, 16 arbeitet passiv. Das bedeutet, dass keine direkte Kraftstoffeinspritzung in eine der drei Vorkammern 12, 15, 16 erfolgt.
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In einer hier nicht explizit dargestellten Weiterbildung besteht die Möglichkeit, dass die Vorrichtung 1 selbst ebenfalls ein Kraftstoffeinspritzmittel, insbesondere eine Kraftstoffeinspritzdüse, aufweist, die derart angeordnet ist, dass sie in eine derjenigen Vorkammern 15, 16 mündet, die ein größeres Volumen als die erste Vorkammer 12 aufweist. Insbesondere kann das Kraftstoffeinspritzmittel, insbesondere die Kraftstoffeinspritzdüse, so angeordnet sein, dass es in die zweite Vorkammer 15 mündet.
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Während des Betriebs der Brennkraftmaschine 100 kann dieses Kraftstoffeinspritzmittel, insbesondere die Kraftstoffeinspritzdüse, Kraftstoff in die betreffende Vorkammer 15, 16 einspritzen. In dieser Variante arbeitet die Vorrichtung 1 also in einer der Vorkammern 15, 16, die ein größeres Volumen als die erste Vorkammer 12 aufweist, mit einer aktiven Kraftstoffeinspritzung. Dadurch wird es in vorteilhafter Weise ermöglicht, in der betreffenden Vorkammer 15, 16 ein reicheres Gemisch im Vergleich zum Brennraum 3 zu erhalten.
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Bei einer herkömmlichen Brennkraftmaschine sind die Abmessungen der ersten Vorkammer 12 zu klein, um das Verbrennungsluftverhältnis in der ersten Vorkammer 12 zu regeln (so genannte Lambda-Regelung). Mit einem mehrstufigen Vorkammersystem, welches eine Mehrzahl hintereinandergeschalteter Vorkammern 12, 15, 16, vorzugsweise mit größer werdendem Volumen, aufweist, ist es möglich, das Kraftstoffeinspritzmittel, insbesondere die Kraftstoffeinspritzdüse, welches der Vorrichtung 1 zugeordnet ist, in einer größeren Vorkammer 15, 16 zu positionieren und so eine effektivere Regelung des lokalen Lambda-Wertes zu erreichen.
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Es soll abschließend angemerkt werden, dass - abhängig von der konkreten Anwendung - ganz unterschiedliche Kombinationen von Kraftstoffeinspritzmitteln und Anzahlen der Vorkammern 12, 15, 16 möglich sind.
