DE102016005044A1

DE102016005044A1 - Brennstoffverbrennungssystem, Düse für Vorkammeranordnung mit gekrümmten Zumessöffnungen und Herstellungsverfahren dafür

Info

Publication number: DE102016005044A1
Application number: DE102016005044.6A
Authority: DE
Inventors: Martin Willi
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2015-05-04
Filing date: 2016-04-27
Publication date: 2016-11-10
Also published as: US20160326946A1; US9739192B2

Abstract

Eine Düse für eine Vorkammeranordnung eines Motors weist einen Düsenkörper auf. Der Düsenkörper ist hohl ist und weist eine Außenfläche und eine Innenfläche auf. Die Außenfläche definiert eine äußere Öffnung, und die Innenfläche definiert eine innere Kammer und eine innere Öffnung. Der Düsenkörper weist eine Zumessöffnungsfläche auf, die einen Zumessöffnungsdurchlass definiert, der sich zwischen der äußeren Öffnung und der inneren Öffnung erstreckt und in Verbindung damit ist. Der Zumessöffnungsdurchlass ist über die innere Öffnung in Verbindung mit der inneren Kammer. Die Zumessöffnungsfläche ist kontinuierlich gekrümmt. Die Innenfläche des Düsenkörpers kann eine Nutenfläche aufweisen, die angrenzend an die Zumessöffnungsfläche ist. Die Nutenfläche definiert eine Zumessöffnungsnut in Verbindung mit der inneren Kammer und mit dem Zumessöffnungsdurchlass.

Description

Technisches Gebiet
Diese Patentveröffentlichung bezieht sich allgemein auf ein Brennstoffverbrennungssystem für einen Verbrennungsmotor und insbesondere auf eine Düse für eine Vorkammeranordnung eines Verbrennungsmotors.
Hintergrund
Eine Art eines Verbrennungsmotors setzt typischerweise Zylinder ein, welche eine Brennstoff/Luft-Mischung komprimieren, so dass auf eine Zündung einer Zündkerze hin, die mit jedem Zylinder assoziiert ist, die komprimierte Mischung zündet. Die expandierenden Verbrennungsgase, die daraus resultieren, bewegen einen Kolben in dem Zylinder. Auf das Erreichen eines Endes seines Weges in einer Richtung innerhalb des Zylinders kehrt der Kolben die Richtung um, um ein weiteres Volumen der Brennstoff/Luft-Mischung zu komprimieren. Die daraus resultierende mechanische kinetische Energie kann zur Verwendung in verschiedenen Anwendungen umgewandelt werden, wie beispielsweise zum Antrieb eines Fahrzeugs oder zum Erzeugen von Elektrizität.
Ein weitere Bauart eines Verbrennungsmotors, die als verdichtungsgezündeter Motor bekannt ist, verwendet ein stark komprimiertes Gas (beispielsweise Luft), um eine Brennstoffeinspritzung zu zünden, die während eines Kompressions- bzw. Verdichtungshubes in einem Zylinderfreigegeben wird. In einem solchen Motor wird die Luft in einem solchen Ausmaß komprimiert, dass eine Selbstzündung des Brennstoffes auf einen Kontakt zwischen Luft und Brennstoff hin erreicht wird. Die chemischen Eigenschaften des Dieselbrennstoffs sind insbesondere gut für eine solche Selbstzündung geeignet.
Das Konzept der Selbstzündung ist jedoch nicht auf Dieselmotoren eingeschränkt und ist in weiteren Arten von Verbrennungsmotoren ebenfalls eingesetzt worden. Beispielsweise kann ein selbstzündender Verbrennungsmotor mit Hin- und Herbewegung konfiguriert werden, um Brennstoff in einer Hauptbrennkammer über einen sich hin und her bewegenden Kolben zu komprimieren. Um das Starten zu erleichtern, ist jede Hauptbrennkammer mit einer Vorkammer assoziiert, was insbesondere nützlich für Motoren bei Kaltstarttemperaturen ist. Brennstoff wird nicht nur in die Hauptbrennkammer eingespritzt, sondern auch in die Brennkammer der Vorkammer, so dass auf eine Verdichtung durch den Kolben hin eine Brennstoff/Luft-Mischung in beiden Kammern komprimiert wird. Eine Glühkerze oder eine andere Art einer Heizung ist in der Vorkammer angeordnet, um die Temperatur darin ausreichend zu erhöhen, um die komprimierte Mischung zu zünden. Die Verbrennungsgase, die aus der Zündung in der Vorkammer resultieren, werden dann in die Hauptbrennkammer übertragen.
Andere Arten von Verbrennungsmotoren verwenden Erdgas als Brennstoffquelle und weisen zumindest einen Kolben auf, der sich in einem jeweiligen Zylinder hin und her bewegt. Eine Zündkerze ist in einem Zylinderkopf positioniert, der mit jedem Zylinder assoziiert ist, und sie wird mit einer Zeitsteuerschaltung gezündet, so dass darauf hin, dass der Kolben das Ende seines Verdichtungshubes erreicht, die Zündkerze gezündet wird, um dadurch die komprimierte Mischung zu zünden.
In noch weiteren Bauarten von Verbrennungsmotoren werden Vorkammern in Verbindung mit Erdgasmotoren verwendet. Bei den extrem hohen Temperaturen, die für eine Selbstzündung mit Erdgas/Luft-Mischungen erforderlich sind, können Glühkerzen oder andere Heizquellen, wie beispielsweise jene, die bei typischen Dieselmotoren eingesetzt werden, ineffektiv sein. Stattdessen ist eine Vorkammer mit jedem Zylinder des Erdgasmotors assoziiert und ist mit einer Zündkerze versehen, um eine Verbrennung in der Vorkammer einzuleiten, die dann an die Hauptbrennkammer übertragen werden kann. Eine solche Vorkammer eines funkengezündeten Erdgasmotors ist beispielsweise in Erdgasmotoren der Serie 3600 vorgesehen, die von Caterpillar Inc., Peoria, Illinois, kommerziell verfügbar ist.
Der Trend geht weiterhin dahin, diese Motoren unter Magerverbrennungsbedingungen zu betreiben. Magerverbrennung bezieht sich auf die Verbrennung mit Brennstoff mit einem Übermaß an Luft in einem Verbrennungsmotor (d. h., ein mageres Brennstoff/Luft-Verhältnis). Der Überschuss an Luft in dem Magerverbrennungsmotor verbrennt mehr von dem Brennstoff und es werden weniger unerwünschte Emissionen emittiert. Jedoch kann das magere Brennstoff/Luft-Verhältnis es schwierig machen, konsistent eine vollständige und durchgehende Verbrennung in der Hauptbrennkammer zu erreichen.
DAS US-Patent Nr. 8,839,762 , trägt den Titel „Multi-Chamber Igniter”. In dem '762-Patent wird eine Luft/Brennstoff-Mischung aus einer Brennkammer des Verbrennungsmotors in eine Umhüllung um einen Flammkerninitialisierungsspalt zwischen einem ersten Zündungskörper und einem zweiten Zündungskörper aufgenommen. Die Luft/Brennstoff-Mischung, die in der Umhüllung aufgenommen wird, wird in einen Flammkerninitialisierungsspalt geleitet. Die Mischung wird dann in dem Flammkerninitialisierungsspalt gezündet.
Es besteht eine fortgesetzte Notwendigkeit in der Technik, zusätzliche Lösungen vorzusehen, um die Leistungen von Komponenten eines Brennstoffverbrennungssystems zu verbessern, wie beispielsweise jene in einer Vorkammeranordnung. Beispielsweise weist eine Vorkammerdüse typischerweise eine Konfiguration auf, welche abrupte Veränderungen des Flusses der Luft/Brennstoff-Mischung/Flammfront dort hindurch verursacht, und zwar mit scharfen Ecken entlang des Flusspfades, welche lokalisierte heiße Punkte in dem Bereich der Zumessöffnungen in der Vorkammerdüse erzeugen. Die daraus resultierenden hohen Temperaturen können negativ die zulässigen Konstruktionsparameter der Vorkammeranordnung beeinflussen. Als solches besteht eine fortdauernde Notwendigkeit, es einer Vorkammeranordnung eines Brennstoffverbrennungssystems zu ermöglichen, so zu arbeiten, dass die Verbrennung des Brennstoffes in dem System verbessert wird, während die Wärme gemanagt bzw. beherrscht wird, die während der Verwendung der Vorkammeranordnung erzeugt wird, um ihre Haltbarkeit und Anwendbarkeit zu verbessern.
Es sei bemerkt, dass diese Beschreibung des Hintergrundes von den Erfindern dafür vorgesehen wurde, dem Leser zu helfen, und dass diese nicht als eine Anzeige dafür angesehen werden soll, dass irgendwelche der angemerkten Probleme selbst in der Technik bekannt waren. Während die beschriebenen Prinzipien in gewisser Hinsicht und in gewissen Ausführungsbeispielen die Probleme lösen bzw. erleichtern können, die anderen Systemen innewohnen, wird klar sein, dass der Umfang der geschützten Innovation durch die beigefügten Ansprüche definiert wird, und nicht durch die Fähigkeit irgendeines offenbarten Merkmals, irgendein spezielles hier erwähntes Problem zu lösen.
Zusammenfassung
Gemäß einem Ausführungsbeispiel beschreibt die vorliegende Offenbarung eine Düse für eine Vorkammeranordnung eines Motors. Die Düse weist einen Düsenkörper auf, der hohl ist und eine Außenfläche und eine Innenfläche hat. Die Außenfläche definiert eine äußere Öffnung, und die Innenfläche definiert eine innere Kammer und eine innere Öffnung.
Der Düsenkörper weist eine Zumessöffnungsfläche auf, welche einen Zumessöffnungsdurchlass definiert, der sich zwischen der äußeren Öffnung und der inneren Öffnung und in Verbindung damit erstreckt. Der Zumessöffnungsdurchlass ist über die innere Öffnung in Verbindung mit der inneren Kammer. Die Zumessöffnungsfläche ist kontinuierlich gekrümmt.
Gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel weist ein Brennstoffverbrennungssystem einen Zylinderblock und eine Vorkammeranordnung auf. Der Zylinderblock definiert zumindest teilweise eine Hauptbrennkammer. Die Vorkammeranordnung ist in Verbindung mit der Hauptbrennkammer. Die Vorkammeranordnung definiert eine Vorbrennkammer, die in Verbindung mit der Hauptbrennkammer ist.
Die Vorkammeranordnung weist ein Vorkammergehäuse, eine Zündungsvorrichtung, die ausgebildet ist, um selektiv eine Brennstofflieferung zu zünden, die in der Vorbrennkammer angeordnet ist, und eine Düse auf. Die Zündungsvorrichtung ist in dem Vorkammergehäuse montiert. Die Düse und das Vorkammergehäuse arbeiten zusammen, um die Vorbrennkammer zu definieren.
Die Düse weist einen Düsenkörper auf. Der Düsenkörper ist hohl und weist eine Außenfläche und eine Innenfläche auf. Die Außenfläche definiert eine äußere Öffnung, und die Innenfläche definiert eine innere Kammer und eine innere Öffnung.
Der Düsenkörper weist eine Zumessöffnungsfläche auf, die einen Zumessöffnungsdurchlass definiert, der sich zwischen der äußeren Öffnung und der inneren Öffnung erstreckt und in Verbindung damit ist. Der Zumessöffnungsdurchlass ist über die innere Öffnung in Verbindung mit der inneren Kammer und ist über die äußere Öffnung in Verbindung mit der Hauptbrennkammer. Die Zumessöffnungsfläche ist kontinuierlich gekrümmt.
Gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein Verfahren zur Herstellung einer Düse für eine Vorkammeranordnung eines Motors beschrieben. Das Herstellungsverfahren weist die Herstellung eines Düsenkörpers auf. Der Düsenkörper ist hohl und weist eine Außenfläche und eine Innenfläche auf. Die Außenfläche definiert eine äußere Öffnung, und die Innenfläche definiert eine innere Kammer und eine innere Öffnung.
Eine Zumessöffnungsfläche ist in dem Düsenkörper definiert. Die Zumessöffnungsfläche definiert einen Zumessöffnungsdurchlass, der sich zwischen der äußeren Öffnung und der inneren Öffnung erstreckt und in Verbindung damit ist. Der Zumessöffnungsdurchlass ist über die innere Öffnung in Verbindung mit der inneren Kammer. Die Zumessöffnungsfläche ist kontinuierlich gekrümmt.
Weitere und alternative Aspekte und Merkmale der offenbarten Prinzipien werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen erkennbar. Es wird klar sein, dass die Prinzipien bezüglich Brennstoffverbrennungssystemen, Vorkammeranordnungen und Verfahren zur Herstellung von Düsen für Vorkammeranordnungen, welche hier beschrieben werden, in anderen und abweichenden Ausführungsbeispielen ausgeführt werden und in verschiedener Hinsicht modifiziert werden können. Entsprechend sei bemerkt, dass die vorangegangene allgemeine Beschreibung und die folgende detaillierte Beschreibung beispielhaft und nur erklärend sind und nicht den Umfang der beigefügten Ansprüche einschränken.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Längsschnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines Brennstoffverbrennungssystems, welches gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung aufgebaut ist und ein Ausführungsbeispiel der Vorkammeranordnung aufweist, die gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung aufgebaut ist.
2 ist eine vergrößerte Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer Vorkammerdüse, die gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung aufgebaut ist, wobei die Vorkammerdüse zur Verwendung in Ausführungsbeispielen einer Vorkammeranordnung geeignet ist, welche den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung folgt.
3 ist eine schematische Längsschnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Vorkammerdüse, die gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung aufgebaut ist, wobei die Vorkammerdüse zur Verwendung in Ausführungsbeispielen eines Brennstoffverbrennungssystems mit einer Vorkammeranordnung geeignet ist, welche den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung folgt.
4 ist eine Draufsicht der Vorkammerdüse der 3.
5 ist eine perspektivische Ansicht von oben der Vorkammerdüse der 3.
6 ist ein Flussdiagramm, welches die Schritte einer Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung einer Düse für eine Vorkammeranordnung eines Motors gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.
Es sei bemerkt, dass die Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind und dass die offenbarten Ausführungsbeispiele manchmal schematisch und in Teilansichten dargestellt sind. In gewissen Fällen können Details, welche nicht für ein Verständnis dieser Offenbarung notwendig sind oder welche andere Details schwierig wahrnehmbar machen, weggelassen worden sein. Es sei jedoch bemerkt, dass diese Offenbarung natürlich nicht auf die speziellen hier veranschaulichten Ausführungsbeispiele eingeschränkt ist.
Detaillierte Beschreibung
Die vorliegende Offenbarung sieht Ausführungsbeispiele einer Komponente eines Brennstoffverbrennungssystems eines Motors und eines Verfahrens zur Herstellung dafür vor. In Ausführungsbeispielen ist die Brennstoffverbrennungskomponente in Form einer Düse einer Vorkammeranordnung, welche an einem Zylinderkopf und/oder einem Zylinderblock eines Verbrennungsmotors montiert werden kann. Beispielhafte Motoren weisen jene auf, die beispielsweise in Fahrzeugen, Elektrogeneratoren und Pumpen verwendet werden. Ausführungsbeispiele einer Düse für eine Vorkammeranordnung, die gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung aufgebaut sind, können eine Konfiguration mit gekrümmter Zumessöffnung haben, die dabei hilft, die Wärmeübertragung zwischen dem Düsenkörper und einem Fluss einer Luft/Brennstoff-Mischung in die Vorkammerdüse und/oder einer Flammfront zu verringern, welche aus der Vorkammerdüse austritt (hier auch insgesamt als „Brennstoffmischung/Flammfront” bezeichnet), welche jeweils durch die Zumessöffnungen der Düse während des vorgesehenen Betriebs des Brennstoffverbrennungssystems laufen, indem das Auftreten von lokalen heißen Punkten entlang des Flusspfades verringert wird. In Ausführungsbeispielen kann die Düse eine Zumessöffnungsfläche aufweisen, die eine gekrümmte Zumessöffnung definiert, die konfiguriert ist, um den Fluss der Brennstoffmischung/Flammfront zu steuern, welche durch den Zumessöffnungsdurchlass läuft, der von der Zumessöffnungsfläche definiert wird, um dabei zu helfen, die Temperatur innerhalb des Zumessöffnungsdurchlasses und/oder die Wärmeübertragung zwischen dem Fluss einer Brennstoffmischung/Flammfront und der Zumessöffnungsfläche zu verringern, indem ein glatter bzw. sanft gekrümmter Flusspfad vorgesehen wird und/oder indem ein Druckabfall des Flusses der Brennstoffmischung/Flammfront verringert wird, der dort hindurch läuft, und zwar im Verhältnis zu einer ähnlichen Zumessöffnung, die eine axiale Konfiguration hat.
In Ausführungsbeispielen kann eine Düse, die gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung aufgebaut ist, einen Düsenkörper aufweisen, der zumindest eine gekrümmte Zumessöffnung hat, die eine Zumessöffnungsfläche hat, die so konfiguriert ist, dass sie sich zum Befestigungsende des Düsenkörpers hin krümmt, so dass ein Fluss einer Brennstoffmischung, der durch den Zumessöffnungsdurchlass in die innere Kammer läuft, sich entlang eines Flusspfades bewegt, der im Allgemeinen entlang der mittige Längsachse des Düsenkörpers zum Befestigungsende verläuft. In Ausführungsbeispielen definiert der Düsenkörper gekrümmte Zumessöffnungsdurchlässe, die so konfiguriert sind, dass die entsprechenden Flüsse einer Brennstoffmischung, die jeweils dort hindurch in die innere Kammer laufen, sich in der inneren Kammer kombinieren bzw. vermengen, so dass sie sich entlang eines Flusspfades bewegen, der im Allgemeinen parallel zu der mittigen Längsachse ist.
In Ausführungsbeispielen kann eine Düse, die gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung aufgebaut ist, einen Düsenkörper aufweisen, der gekrümmte Zumessöffnungen definiert, die so konfiguriert sind, dass zumindest zwei getrennte Flüsse der Brennstoff/Luft-Mischung aus der Brennkammer beim Eintreten in die Vorbrennkammer um eine mittige Längsachse verwirbelt werden. In Ausführungsbeispielen können die gekrümmten Zumessöffnungen mit entsprechenden Nutenflächen in der Innenfläche des Düsenkörpers angeordnet sein. Die gekrümmten Zumessöffnungen und die Nuten in der inneren Kammer können so konfiguriert sein, dass sie der Brennstoffmischung, die in die Vorbrennkammer gefördert wird, Verwirbelungscharakteristiken bzw. Verwirbelungseigenschaften hinzufügen, um die Vermischung weiter zu verbessern. In Ausführungsbeispielen sind die Nutenflächen so konfiguriert, dass Flüsse der Brennstoffmischung, die in die innere Kammer des Düsenkörpers eintreten, entlang der Innenfläche durch Nuten kanalisiert werden, welche von den Nutenflächen definiert werden, und zwar in schraubenförmiger Weise zur Zündungsvorrichtung hin, um ein Verwirbelungsmuster in Bereichen zu erzeugen, die radial von der mittigen Längsachse versetzt sind.
In Ausführungsbeispielen kann der Düsenkörper eine abgerundete innere Öffnung für jede der gekrümmten Zumessöffnungen aufweisen. Die gekrümmten Zumessöffnungen können so konfiguriert sein, dass der Fluss einer Brennstoffmischung/Flammfront dort hindurch einem Flusspfad mit verringerten abrupten Richtungsänderungen folgt, und zwar verringert im Vergleich zu einer sich axial erstreckenden Zumessöffnung. Die gezündete Mischung in der Vorkammer kann durch die gekrümmten Zumessöffnungen der Düse als ein Fluss einer Flammfront in die Hauptbrennkammer ausgelassen werden, und zwar mit verringertem Druckabfall als Folge der abgerundeten inneren Öffnung der gekrümmten Zumessöffnungen und überstreichenden Flusslinien, durch die verschiedenen gekrümmten Zumessöffnungskonfigurationen, die hier offenbart werden, wodurch eine gesteigerte Geschwindigkeit des Flusses der Flammfront und ein verbesserter Flammfortschritt resultiert.
In Ausführungsbeispielen kann die Konfiguration der gekrümmten Zumessöffnungen dabei helfen, den Druckabfall der Flammfront zu verringern, welche aus der inneren Kammer der Düse austritt. Die gekrümmten Zumessöffnungen können so konfiguriert sein, dass sie dabei helfen, die Spannungen zu verringern, die auf die Düsenkörperflächen aufgebracht werden, welche die gekrümmten Zumessöffnungen definieren, wodurch die nachteiligen Effekte vermindert werden, die durch das Durchlaufen der Brennstoffmischung durch die gekrümmten Zumessöffnungen in die innere Kammer und durch die daraus ausgelassene Flammfront verursacht werden. Der Flammquerschnitt, der in einer Vorkammeranordnung erzeugt wird, welche gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung aufgebaut ist, kann dabei helfen, die Verbrennung einer mageren Brennstoffmischung in der Hauptbrennkammer des Zylinders zu verbessern, mit dem sie assoziiert ist.
In Ausführungsbeispielen kann die Konfiguration der gekrümmten Zumessöffnungen des Düsenkörpers auf einer Computermodellierung basieren, um die Flussströmungslinien der Brennstoffmischung/Flammfront zu verbessern, welche durch den Zumessöffnungsdurchlass läuft. Ausführungsbeispiele einer Düse, die gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung aufgebaut sind, können unter Verwendung von additiven bzw. aufbauenden Herstellungstechniken hergestellt werden.
Nun mit Bezug auf die Figuren ist dort in 1 eine beispielhafte Ausführungsform eines Brennstoffverbrennungssystems 20 gezeigt, welches gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung aufgebaut ist. Das Brennstoffverbrennungssystem 20 kann in irgendeinem geeigneten Verbrennungsmotor verwendet werden, wie beispielsweise in einem Motor, der als Teil eines elektrischen Generators oder einer Pumpe konfiguriert ist. Das Brennstoffverbrennungssystem 20 kann mit irgendwelchem geeigneten Brennstoff, mit einem geeigneten Brennstoff/Luft-Verhältnis verwendet werden. In Ausführungsbeispielen können Brennstoffe mit unterschiedlichen Zündungs- und Verbrennungscharakteristiken und unterschiedlichen spezifischen Brennstoff/Luft-Verhältnissen verwendet werden. Das Brennstoffverbrennungssystem 20 kann einen Zylinderblock 22, einen Zylinderkopf 24, eine Vorkammeranordnung 25 mit einer Brennstoffverbrennungskomponente in Form einer Düse 50, die gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung aufgebaut ist, eine Quelle 27 für zusätzlichen Brennstoff und eine Vielzahl von anderen Verbrennungsvorrichtungen aufweisen, wie dem Fachmann klar sein wird.
Mit Bezug auf 1 definiert der Zylinderblock 22 zumindest teilweise eine Hauptbrennkammer 30. In Ausführungsbeispielen kann der Zylinderblock 22 eine Vielzahl von Zylindern 32 definieren (wobei einer davon in 1 gezeigt ist), in denen die entsprechende Hauptbrennkammer 30 definiert ist. In Ausführungsbeispielen kann eine Zylinderauskleidung bzw. Zylinderbuchse in jedem Zylinder 32 angeordnet sein. Die Zylinderbuchse kann entfernbar an dem Zylinderblock 22 befestigt sein.
Der Zylinderkopf 24 kann in entfernbarer Weise an dem Zylinderblock 22 über geeignete Befestigungselemente angebracht sein, wie beispielsweise durch eine Vielzahl von Schrauben, wie dem Fachmann klar sein wird. Eine (nicht gezeigte) Dichtung kann zwischen dem Zylinderblock 22 und dem Zylinderkopf 24 angeordnet sein, um die Schnittstelle dazwischen abzudichten. Der Zylinderkopf 24 hat typischerweise Bohrungen, die für (nicht gezeigte) Motorventile bearbeitet sind, beispielsweise für Einlass- und Auslassventile, und für andere Komponenten des Brennstoffverbrennungssystems 20 (nicht gezeigt), beispielsweise Brennstoffeinspritzvorrichtungen, Glühkerzen, Zündkerzen und Kombinationen davon, wie dem Fachmann klar sein wird.
Jeder Zylinder 32 des Zylinderblocks 22 kann einen (nicht gezeigten) hin und her bewegbaren Kolben aufnehmen, der mit einer Kurbelwelle über ein geeignetes Übertragungselement gekoppelt ist (beispielsweise über eine Kolbenstange oder Verbindungsstange bzw. Pleuelstange). Der Kolben ist in dem Zylinder 32 hin und her bewegbar, um eine Kompression bzw. Verdichtung auszuführen und dadurch die brennbare Mischung in der Hauptbrennkammer 30 während einer Verdichtungsphase des Motors unter Druck zu setzen. In Ausführungsbeispielen kann der Motor so konfiguriert sein, dass er ein geeignetes Verdichtungsverhältnis hat, welches für den vorgesehenen Zweck des Motors geeignet ist, wie dem Fachmann klar sein wird.
In Ausführungsbeispielen kann zumindest ein (nicht gezeigter) Einlassventilmechanismus und zumindest ein (nicht gezeigter) Auslassventilmechanismus betriebsmäßig in dem Zylinderkopf 24 positioniert sein, so dass das Einlassventil und das Auslassventil axial in dem Zylinderkopf 24 bewegbar sind. In Ausführungsbeispielen kann ein mechanischer Ventilstrang (der beispielsweise eine Nocke, ein Nockenfolgeelement und einen Druckstangenmechanismus aufweist) oder eine andere hydraulische und/oder elektrische Steuervorrichtung in herkömmlicher Weise verwendet werden, um selektiv den Einlassventilmechanismus und den Auslassventilmechanismus zu betätigen. Insbesondere kann der Einlassventilmechanismus geöffnet werden, um eine vorbestimmte Menge einer mageren gasförmigen brennbaren Mischung aus Brennstoff und Luft direkt in die Hauptbrennkammer 30 über den Kolben während einer Einlassphase des Motors einzulassen. Der Auslassventilmechanismus kann geöffnet werden, um das Austreten der Verbrennungsgase aus der Hauptbrennkammer 30 während einer Auslassphase des Motors zu gestatten.
In Ausführungsbeispielen definieren der Zylinderblock 22 und/oder der Zylinderkopf 24 einen oder mehrere Kühlmitteldurchlässe 33. Jeder Kühlmitteldurchlass 33 kann so ausgebildet sein, dass er in Verbindung mit einer Kühlströmungsmittelquelle 34 angeordnet ist und konfiguriert ist, um ein oder mehrere Komponenten des Brennstoffverbrennungssystems 20 zu kühlen. In Ausführungsbeispielen kann irgendein geeignetes Kühlsystem in Strömungsmittelverbindung mit den Kühlmitteldurchlässen 33 angeordnet werden, um Kühlströmungsmittel von der Kühlströmungsmittelquelle 34 durch die Kühlmitteldurchlässe 33 im Zylinderblock 22 und/oder im Zylinderkopf 24 zu zirkulieren. Der Zylinderblock 22 und der Zylinderkopf 24 können aus irgendeinem geeigneten Material gemacht sein, wie beispielsweise aus einem geeigneten wärmebeständigen Metall.
Die Vorkammeranordnung 25 ist in entfernbarer Weise im Zylinderkopf 24 gesichert, so dass die Vorkammeranordnung 25 in Verbindung mit der Hauptbrennkammer 30 ist. Die Vorkammeranordnung 25 definiert eine Vorbrennkammer 37, die in Verbindung mit der Hauptverbrennungskammer 30 ist. Die Vorkammeranordnung 25 weist ein Vorkammergehäuse 42, eine Zündungsvorrichtung 44, die ausgebildet ist, um selektiv Brennstoff zu zünden, der in der Vorbrennkammer 37 angeordnet ist, ein Steuerventil 48 und die Düse 50 auf. Die Düse 50 und das Vorkammergehäuse 42 können aus irgendeinem geeigneten Material gemacht sein, wie beispielsweise aus geeignetem wärmebeständigen Metall. Geeignete Dichtungsvorrichtungen 52, wie beispielsweise O-Ringe, können zwischen der Vorkammeranordnung 25 und dem Zylinderkopf 24 angeordnet sein. In anderen Ausführungsbeispielen können andere Abdichtungstechniken, wie beispielsweise eine Presspassung, Metalldichtungen usw. verwendet werden, um eine Abdichtung zwischen der Vorkammeranordnung 25 und dem Zylinderblock 22 und dem Zylinderkopf 24 vorzusehen.
Die Düse 50 und das Vorkammergehäuse 42 arbeiten zusammen, um die Vorbrennkammer 37 zu definieren, und um eine mittige Längsachse LA der Vorkammeranordnung 25 zu definieren. Die Düse 50 und das Vorkammergehäuse 42 weisen Oberflächen auf, die allgemeine Rotationsflächen um die mittige Längsachse LA sind.
Die Vorbrennkammer 37 hat eine vordefinierte geometrische Form und ein vordefiniertes Volumen. In Ausführungsbeispielen ist das Volumen der Vorbrennkammer 37 kleiner als das Volumen der Hauptbrennkammer 30. In einigen Ausführungsbeispielen ist das Volumen der Vorbrennkammer 37 in einem Bereich zwischen ungefähr einem und ungefähr vier Prozent des gesamten Brennkammervolumens am oberen Totpunkt.
Das Vorkammergehäuse 42 ist hohl und ausgebildet, um die Zündvorrichtung 44 darin aufzunehmen. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel weist das Vorkammergehäuse 42 ein oberes Glied 54 und ein unteres Glied 57 auf, die verschraubbar aneinander befestigt sind. In anderen Ausführungsbeispielen können andere Arten einer Verbindung zwischen dem obere Glied 54 und dem unteren Glied 57 verwendet werden, wie beispielsweise Schweißen, Presspassen usw.
Die Zündungsvorrichtung 44 ist an dem Vorkammergehäuse 42 montiert. Das veranschaulichte untere Glied 57 des Vorkammergehäuses 42 definiert eine Zündungsvorrichtungsbohrung 59, die eine Innengewindefläche 62 hat. Die Zündungsvorrichtung 44 hat eine Außengewindefläche 64, die verschraubbar mit der Innengewindefläche 62 der Zündungsvorrichtungsbohrung 59 in Eingriff steht. Die Zündungsvorrichtungsbohrung 59 ist in Verbindung mit der Vorbrennkammer 37.
In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel weist die Zündungsvorrichtung 44 eine Zündkerze 67 mit einer Elektrode 69 auf. Die Zündkerze 67 ist in entfernbarer Weise an dem Vorkammergehäuse 42 montiert, so dass die Elektrode 69 in Verbindung mit der Vorbrennkammer 37 ist. Die Zündkerze 67 ist in verschraubbarer Weise in der Zündungsvorrichtungsbohrung 59 aufgenommen, wobei die Elektrode 69 der Vorbrennkammer 37 ausgesetzt ist bzw. zu dieser weist, und zwar über die Zündungsvorrichtungsbohrung 69. Die Zündkerze 67 kann ausgebildet sein, um in herkömmlicher Weise elektrisch erregt zu werden.
In Ausführungsbeispielen definieren das Vorkammergehäuse 42 und/oder die Düse 50 einen Durchlass 72 für zusätzlichen Brennstoff. Der Durchlass 72 für zusätzlichen Brennstoff ist in Verbindung mit der Vorbrennkammer 37 und mit der Quelle 27 für zusätzlichen Brennstoff. In Ausführungsbeispielen kann der Brennstoff der Quelle 27 für zusätzlichen Brennstoff ein fetteres Brennstoff/Luft-Verhältnis als das Brennstoff/Luft-Verhältnis des Brennstoffes haben, der direkt zur Hauptbrennkammer 30 geleitet wird, mit welcher die Vorkammeranordnung 25 assoziiert ist.
In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel der 1 definieren das obere Glied 54 und das untere Glied 57 des Vorkammergehäuses 42 beide den Durchlass 72 für den zusätzlichen Brennstoff. Das veranschaulichte obere Glied 54 definiert ein Brennstoffdurchlasseingangssegment 74. Das veranschaulichte untere Glied 57 des Vorkammergehäuses 42 definiert eine Vielzahl von Vorbrennkammerbrennstoffdurchlasssegmenten 76, die umlaufend um das untere Glied 57 und in Strömungsmittelverbindung mit dem Brennstoffdurchlasseingangssegment 47 sind, und zwar über einen Steuerventilhohlraum 78, der zwischen dem oberen Glied 54 und dem unteren Glied 57 definiert ist.
Das Steuerventil 48 ist in dem Vorkammergehäuse 42 angeordnet und ist so ausgebildet, dass es selektiv den Durchlass 72 für zusätzlichen Brennstoff verschließt, um einen Brennstofffluss aus der Quelle 27 für zusätzlichen Brennstoff zur Vorbrennkammer 37 zu verhindern. Das veranschaulichte Steuerventil 48 ist in dem Steuerventilhohlraum 78 angeordnet und ist zwischen dem Brennstoffdurchlasseingangssegment 74 und den Vorbrennkammerbrennstoffdurchlasssegmenten 76 angeordnet. Das Steuerventil 48 kann ausgebildet sein, um selektiv den Fluss von Brennstoff aus der Quelle 27 für zusätzlichen Brennstoff in die Vorbrennkammer 37 der Vorkammeranordnung 25 zu gestatten, um weiter eine Zündung in der Vorbrennkammer 37 zu begünstigen. Das Steuerventil 48 kann ausgebildet sein, um mit dem Verbrennungszyklus des Motors zu öffnen und zu schließen, um eine Verunreinigung des Brennstoffes mit Abgas zu verhindern und/oder um eine Leckage des Brennstoffes in die Abgase zu verhindern. Das Steuerventil 48 kann ausgebildet sein, um zu verhindern, dass das Gasprodukt der Verbrennung aus der Vorbrennkammer 37 in das Brennstoffdurchlasseingangssegment 74 des Durchlasses 72 für zusätzlichen Brennstoff während der Verdichtungs-, Verbrennungs- und Auslassphasen des Motors fließt.
In Ausführungsbeispielen kann das Steuerventil 48 irgendein geeignetes Steuerventil sein, wie beispielsweise eine Rückschlagventilanordnung, die ein frei schwimmendes bzw. frei bewegliches Kugelrückschlagelement aufweist, welches eine offene Betriebsposition hat – welche den Fluss von Brennstoff aus der Quelle 27 für zusätzlichen Brennstoff in die Vorbrennkammer 37 gestattet – und eine geschlossene Betriebsposition hat – welche einen Gasfluss aus der Quelle 27 für zusätzlichen Brennstoff in die Vorbrennkammer 37 gestattet. In anderen Ausführungsbeispielen kann das Steuerventil 48 ein Wechsel-Rückschlagventil sein. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist das Steuerventil 48 bezüglich der Konstruktion und Funktion ähnlich dem Rückschlagventil, welches im US-Patent Nr. 6,575,192 gezeigt und beschrieben wird.
Die Düse 50 ist in Verbindung mit der Hauptbrennkammer 30. Die Düse 50 weist einen Düsenkörper 82 auf, der ein Befestigungsende 84 und eine distale bzw. entfernt gelegene Spitze 85 hat. Der Düsenkörper 82 definiert die mittige Längsachse LA, welche sich zwischen dem Befestigungsende 84 und der distalen Spitze 85 erstreckt. Der Düsenkörper 82 ist hohl und weist eine Außenfläche 88 und eine Innenfläche 89 auf. Die Außenfläche 88 und die Innenfläche 89 sind beide Rotationsflächen um die mittige Längsachse LA.
Das Befestigungsende 84 der Düse 50 ist in anliegender Beziehung zum unteren Glied 57 des Vorkammergehäuses 42. Das Befestigungsende 84 des Düsenkörpers 82 weist einen ringförmigen Flansch 92 auf, der eine äußere Umfangsnut 93 definiert, die konfiguriert ist, um eine geeignete Dichtungsvorrichtung 52 (beispielsweise einen O-Ring) darin zur Abdichtung aufzunehmen. Irgendeine geeignete Technik kann verwendet werden, um eine Abdichtung zwischen der Düse 50 und dem unteren Glied 57 des Vorkammergehäuses 42 vorzusehen, wie beispielsweise O-Ringe, Presspassungen, Metalldichtungen, Flachdichtungen, Schweißnähte usw.
Der Düsenkörper 82 ist benachbart zu einem der Kühlmitteldurchlässe 33 positioniert, so dass Kühlströmungsmittel, welches durch den Kühlmitteldurchlass 33 zirkuliert, in Wärme übertragender Beziehung mit dem Düsenkörper 82 ist. Der Düsenkörper 82 steht vom Zylinderkopf 24 so vor, dass die distale Spitze 85 des Düsenkörpers 82 in der Hauptbrennkammer 30 angeordnet ist, so dass die distale Spitze 85 in kommunizierender Verbindung mit der Hauptbrennkammer 30 ist. Irgendeine geeignete Abdichtungstechnik kann verwendet werden, um eine Schnittstelle 94 zwischen der Düse 50 und dem Zylinderblock 22 und/oder dem Zylinderkopf 24 abzudichten, wie beispielsweise eine Dichtung, ein Kegelsitz und/oder ein Presssitz, um den Brennstoff, die Verbrennungsgase und das Motorkühlmittel darin voneinander zu trennen.
Die Innenfläche 89 des Düsenkörpers 82 definiert eine innere Kammer 95, die zu einem distalen Hohlraum 97 offen ist und in Verbindung mit diesem ist, welcher in dem unteren Glied 57 des Vorkammergehäuses 42 definiert ist. Die innere Kammer 95 des Düsenkörpers 82 und der distale Hohlraum 97 des unteren Gliedes 57 definieren zusammen eine Vorbrennkammer 37 der Vorkammeranordnung 25. Die innere Kammer 95 des Düsenkörpers 82 ist zur Elektrode 69 der Zündkerze 67 hin offen und ist in Strömungsmittelverbindung mit dem Durchlass 72 für zusätzlichen Brennstoff, und zwar über die Vorbrennkammerdurchlasssegmente 76 des unteren Gliedes 57.
Das Befestigungsende 84 des Düsenkörpers 82 ist im Allgemeinen zylindrisch. Der Düsenkörper 82 weist einen konvergierenden Teil 98 auf der benachbart zum Befestigungsende 84 angeordnet ist, und einen distalen zylindrischen Teil 99 benachbart zur distalen Spitze 85. Der distale zylindrische Teil 99 hat einen kleineren Durchmesser als jener des Befestigungsendes 84.
Mit Bezug auf die 1 und 2 definiert der Düsenkörper 82 eine Vielzahl von gekrümmten Zumessöffnungen 101, 102, 103, 104 in der distalen Spitze 85. Die gekrümmten Zumessöffnungen 101, 102, 103, 104 sind in Verbindung mit der inneren Kammer 95 des Düsenkörpers 82 und mit der Hauptbrennkammer 30, wenn die Vorkammeranordnung 25 in dem Zylinderkopf 24 installiert ist. Der Düsenkörper 82 weist eine Zumessöffnungsbrücke 108 auf, die umlaufend zwischen den gekrümmten Zumessöffnungen 101, 102, 103, 104 definiert ist.
In Ausführungsbeispielen kann die Düse 50 einen Düsenkörper 82 aufweisen, der irgendeine geeignete Anzahl von Zumessöffnungen definiert, um die erwünschten Flusscharakteristiken in der inneren Kammer 95 des Düsenkörpers 82 und das erwünschte Flammauslassmuster in der Hauptbrennkammer 30 zu erreichen, welches aus der Verbrennungsphase in der Düse 50 resultiert. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel weist der Düsenkörper 82 beispielsweise sechs gekrümmte Zumessöffnungen auf (wobei vier davon in 1 gezeigt sind, wobei die anderen zwei Spiegelbilder der zweiten und dritten gekrümmten Zumessöffnungen 102 bzw. 103 sind). Die sechs gekrümmten Zumessöffnungen sind umlaufend um die mittige Längsachse LA angeordnet, und zwar an im Wesentlichen gleichmäßig beabstandeten Winkelpositionen (ungefähr sechzig Grad voneinander getrennt).
Die gekrümmten Zumessöffnungen 101, 102, 103, 104 sind axial entlang der mittigen Längsachse LA ausgerichtet.
In anderen Ausführungsbeispielen kann der Düsenkörper 82 eine andere Anzahl von Zumessöffnungen definieren, wie beispielsweise acht oder zwölf Zumessöffnungen, die umlaufend um die mittige Längsachse LA an im Wesentlichen gleichmäßig beabstandeten Winkelpositionen angeordnet sind (ungefähr fünfundvierzig Grad und ungefähr dreißig Grad voneinander entfernt). In noch weiteren Ausführungsbeispielen kann der Düsenkörper 82 noch eine andere Anzahl von gekrümmten Zumessöffnungen definieren. In anderen Ausführungsbeispielen kann der Düsenkörper 82 gekrümmte Zumessöffnungen definieren, die eine variable Beabstandung zwischen zumindest zwei Paaren von benachbarten gekrümmten Zumessöffnungen haben und/oder die axial von mindestens einer anderen gekrümmten Zumessöffnung entlang der mittigen Längsachse LA versetzt sind.
Mit Bezug auf die 1 und 2 sind die veranschaulichten gekrümmten Zumessöffnungen 101, 102, 103, 104 im Wesentlichen identisch zueinander. Entsprechend wird klar sein, dass die Beschreibung von einer Zumessöffnung ebenfalls auf die anderen Zumessöffnungen anwendbar ist. Die erste gekrümmte Zumessöffnung 101 weist eine Zumessöffnungsfläche 110 auf, welche die gekrümmte Zumessöffnung 101 definiert. In Ausführungsbeispielen hat jede der gekrümmten Zumessöffnungen 101, 102, 103, 104 eine Konfiguration, die dabei hilft, die Wärmeübertragung zwischen dem Düsenkörper 82 und einem Fluss einer Brennstoffmischung/Flammfront zu reduzieren, die jeweils durch die gekrümmten Zumessöffnungen 101, 102, 103, 104 läuft, und/oder die Temperatur innerhalb der gekrümmten Zumessöffnungen 101, 102, 103, 104 zu verringern, so dass das Auftreten von lokalen heißen Punkten verringert wird.
Mit Bezug auf die erste gekrümmte Zumessöffnung 101 definiert die Außenfläche 88 eine äußere Öffnung 112, und die Innenfläche 89 definiert eine innere Öffnung 114. Die Zumessöffnungsfläche 110 definiert einen Zumessöffnungsdurchlass 118, der sich zwischen der äußeren Öffnung 112 und der inneren Öffnung 114 erstreckt und damit in Verbindung steht. Der Zumessöffnungsdurchlass 118 ist über die innere Öffnung 114 in Verbindung mit der inneren Kammer 95. Die anderen gekrümmten Zumessöffnungen 102, 103, 104 des Düsenkörpers 82 sind ähnlich konfiguriert.
In Ausführungsbeispielen ist die Zumessöffnungsfläche 110 kontinuierlich gekrümmt. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist die Zumessöffnungsfläche 110 kontinuierlich von der äußeren Öffnung 112 zur inneren Öffnung 114 gekrümmt. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel weist die Zumessöffnungsfläche 110 ein gekrümmtes zylindrisches Segment auf. In Ausführungsbeispielen kann die Zumessöffnungsfläche 110 so konfiguriert sein, dass sie sich zum Befestigungsende 84 des Düsenkörpers 82 hin krümmt (siehe auch 1), so dass ein Fluss einer Brennstoffmischung, der durch den Zumessöffnungsdurchlass 118 in die innere Kammer 95 läuft, sich entlang eines Flusspfades 122 im Allgemeinen entlang der mittigen Längsachse LA zum Befestigungsende 84 des Düsenkörpers 82 bewegt.
Wie in 2 gezeigt, weist die dargestellte Düse 50 gekrümmte Zumessöffnungen 101, 102, 103, 104 auf, die jeweils eine tränenförmige innere Öffnung 114 haben. Mit Bezug auf die vierte gekrümmte Zumessöffnung 104 in 2 ist die Zumessöffnungsfläche 110 in Form eines gekrümmten zylindrischen Segmentes mit einem proximalen bzw. naheliegenden Teil 124 und einem distalen bzw. ferngelegenen Teil 126. Der proximale Teil 124 ist näher an dem Befestigungsende 84 als der distale Teil 126. An der inneren Öffnung 114 hat der proximale Teil 124 einen querverlaufenden Zumessöffnungsquerschnitt bzw. Strömungsquerschnitt in einer Ebene senkrecht zum Fluss einer Brennstoffmischung/Flammfront dort hindurch, der enger ist als der querverlaufende Zumessöffnungsquerschnitt des distalen Teils 126.
In Ausführungsbeispielen können die gekrümmten Zumessöffnungen 101, 102, 103, 104 jeweils einen Zwischenbereich 130 aufweisen, der relativ zur inneren Öffnung 114 eingeschränkt ist. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel hat die innere Öffnung 114 einen querverlaufenden Zumessöffnungsquerschnitt in einer Ebene senkrecht zum Fluss der Brennstoffmischung/Flammfront dort hindurch. Die Zumessöffnungsfläche 110 weist einen Zwischenbereich 130 auf, der zwischen der inneren Öffnung 114 und der äußeren Öffnung 112 angeordnet ist. Der Zwischenbereich 130 hat einen querverlaufenden Zumessöffnungsquerschnitt, der kleiner ist als der querverlaufende Zumessöffnungsquerschnitt der inneren Öffnung 114. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist der Zwischenbereich 130 radial zwischen der inneren Öffnung 114 und der äußeren Öffnung 112 angeordnet.
Wie in 2 gezeigt, sind die gekrümmten Zumessöffnungen 101, 102, 103, 104 jeweils umlaufend um die mittige Längsachse LA angeordnet, so dass die gekrümmten Zumessöffnungen 101, 102, 103, 104 die gleiche relative geneigte Position bezüglich der mittigen Längsachse LA haben. In Ausführungsbeispielen können die gekrümmten Zumessöffnungen 101, 102, 103, 104 sich entlang eines anderen Neigungswinkels erstrecken, der zwischen den Mittelpunkten der äußeren Öffnung 112 und der inneren Öffnung 114 der jeweiligen gekrümmten Zumessöffnungen 101, 102, 103, 104 relativ zu der mittigen Längsachse LA definiert ist. Gemäß noch weiteren Ausführungsbeispielen kann sich zumindest eine der gekrümmten Zumessöffnungen 101, 102, 103, 104 entlang eines Neigungswinkels relativ zur mittigen Längsachse LA erstrecken, der anders ist als bei mindestens einer anderen der gekrümmten Zumessöffnungen 101, 102, 103, 104.
Die Zumessöffnungsflächen 110 der ersten und vierten gekrümmten Zumessöffnungen 101, 104 sind entlang einer Längsebene LP angeordnet, welche sich durch die mittige Längsachse LA erstreckt. Die Querschnittsansicht des Düsenkörpers 82, die in 2 gezeigt ist, ist entlang der Längsebene LP aufgenommen. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel sind die ersten und vierten gekrümmten Zumessöffnungen 101, 104 Spiegelbilder voneinander zur mittigen Längsachse LA.
Der proximale Teil 124 der Zumessöffnungsfläche 110 in Form eines gekrümmten zylindrischen Segments hat einen ersten Krümmungsradius R₁ und der distale Teil 126 der Zumessöffnungsfläche 110 hat einen zweiten Krümmungsradius R₂ in der Längsebene LP der 2. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist der erste Krümmungsradius R₁ kleiner als der zweite Krümmungsradius R₂, so dass der proximale Teil 124 mehr gekrümmt ist als der distale Teil 126.
Die Zumessöffnungsdurchlässe 118 der ersten und vierten gekrümmten Zumessöffnungen 101, 104 sind in gegenüberliegender Beziehung zueinander entlang der Längsebene LP angeordnet, welche sich durch die mittige Längsachse LA erstreckt, so dass die mittige Längsachse LA zwischen dem Zumessöffnungsdurchlass 118 der ersten gekrümmten Zumessöffnung 101 und dem Zumessöffnungsdurchlass 118 der vierten gekrümmten Zumessöffnung 104 entlang der Längsebene LP angeordnet ist. Der Zumessöffnungsdurchlass 118 der ersten gekrümmten Zumessöffnung 101 und der vierten gekrümmten Zumessöffnung 104 sind beide so konfiguriert, dass Flüsse 132, 133 einer Brennstoffmischung, die jeweils dort hindurch in die innere Kammer 95 fließt, in der inneren Kammer 95 kombiniert werden bzw. zusammenlaufen, so dass sie sich entlang eines kombinierten bzw. zusammenlaufenden Flusspfades 135 bewegen, der im Allgemeinen parallel zur mittigen Längsachse LA ist. Die zweiten und dritten gekrümmten Zumessöffnungen 102, 103 sind jeweils in ähnlicher Weise mit den anderen zwei gekrümmten Zumessöffnungen des Düsenkörpers 82 entlang zwei anderer Längsebenen angeordnet, die sich durch die mittige Längsachse LA erstrecken und die umlaufend um ungefähr sechzig Grad voneinander getrennt um die mittige Längsachse LA angeordnet sind.
Die gekrümmten Zumessöffnungen 101, 102, 103, 104 können so konfiguriert sein, dass Flüsse von brennendem Brennstoff, die jeweils von der inneren Kammer 95 nach außen durch die gekrümmten Zumessöffnungen 101, 102, 103, 104 geleitet werden, in steuerbarer Weise weg vom Düsenkörper 82 geleitet werden, und zwar in divergierender Beziehung zueinander, wobei in steuerbarer Weise die brennenden Gase weg von der distalen Spitze 85 der Düse 50 in die Hauptbrennkammer 30 expandieren, um die Zündung und Verbrennung der brennbaren Mischung in der Hauptbrennkammer 30 über ein größere Volumen zur gleichen Zeit zu ermöglichen. In Ausführungsbeispielen kann die Konfiguration der gekrümmten Zumessöffnungen 101, 102, 103, 104 dabei helfen, den Druckabfall der Flammfront zu verringern, die aus der inneren Kammer 95 der Düse 50 austritt.
In Ausführungsbeispielen kann die innere Öffnung 114 von jeder gekrümmten Zumessöffnung 101, 102, 103, 104 des Düsenkörpers 82 abgerundet sein. Jede abgerundete innere Öffnung 114 kann durch eine gekrümmte Ausrundungsfläche 140 definiert sein. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist die gekrümmte Ausrundungsfläche 140 konvex. Die gezündete Mischung in der inneren Kammer 95 der Düse 50 kann durch die gekrümmten Zumessöffnungen 101, 102, 103, 104 des Düsenkörpers 82 als jeweiliger Fluss einer Flammfront in die Hauptbrennkammer ausgelassen werden, und zwar mit verringerten Wärmeübertragungseffekten, die lokale heiße Punkte bewirken, und zwar als ein Ergebnis dessen, dass die innere Öffnung 114 abgerundet ist und die Zumessöffnungsfläche 110 kontinuierlich gekrümmt ist. Die Konfiguration der gekrümmten Zumessöffnungen 101, 102, 103, 104 kann dabei helfen, die Spannungen zu verringern, die auf die Zumessöffnungsflächen 110 des Düsenkörpers 82 aufgebracht werden, wodurch die nachteiligen Effekte verringert werden, die durch das Hindurchlaufen der Flammfront verursacht werden, die daraus ausgelassen wird.
Mit Bezug auf die 3–5 ist eine weitere Ausführungsform einer Brennstoffverbrennungskomponente in Form einer Düse 150 gezeigt, welche gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung aufgebaut ist. Die Düse 150 ist zur Verwendung in einem Brennstoffverbrennungssystem geeignet, welches gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung aufgebaut ist, wie beispielsweise in dem Brennstoffverbrennungssystem 20 der 1.
Die Düse 150 weist einen Düsenkörper 182 mit einem Befestigungsende 184 und einer distalen Spitze 185 auf. Der Düsenkörper 182 definiert die mittige Längsachse LA, die sich zwischen dem Befestigungsende 184 und der distalen Spitze 185 erstreckt. Der Düsenkörper 182 ist hohl und weist eine Außenfläche 188 und eine Innenfläche 189 auf. Die Außenfläche 188 und die Innenfläche 189 sind beide Rotationsflächen um die mittige Längsachse LA. Die Innenfläche 189 des Düsenkörpers 182 definiert eine innere Kammer 195.
Mit Bezug auf 3 definiert der Düsenkörper 182 eine Vielzahl von gekrümmten Zumessöffnungen 201, 204 in der distalen Spitze 185. Die gekrümmten Zumessöffnungen 201, 204 sind in Verbindung mit der inneren Kammer 195 des Düsenkörpers 182 und mit der Hauptbrennkammer 30, wenn die Düse 150 in dem Zylinderkopf 24 installiert ist.
In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel weist der Düsenkörper 182 sechs gekrümmte Zumessöffnungen 201, 204 auf, die umlaufend um die mittige Längsachse LA an im Wesentlichen gleichmäßig beabstandeten Winkelpositionen angeordnet sind (um ungefähr sechzig Grad voneinander entfernt). Die veranschaulichten gekrümmten Zumessöffnungen 201, 204 sind im Wesentlichen identisch miteinander. In Ausführungsbeispielen hat jeder der gekrümmten Zumessöffnungen 201, 204 eine Konfiguration, die dabei hilft, die Wärmeübertragung zwischen dem Düsenkörper 182 und einem Fluss einer Brennstoffmischung/Flammfront zu verringern, die jeweils durch die gekrümmten Zumessöffnungen 201, 204 läuft, und/oder die Temperatur innerhalb der gekrümmten Zumessöffnungen 201, 204 so zu verringern, dass das Auftreten von lokalen heißen Punkten verhindert wird.
Die vierte gekrümmte Zumessöffnung 204 weist eine Zumessöffnungsfläche 210 auf, welche die gekrümmte Zumessöffnung 204 definiert. Die Außenfläche 188 definiert eine äußere Öffnung 212 und die Innenfläche 189 definiert eine innere Öffnung 214. Die Zumessöffnungsfläche 210 definiert einen Zumessöffnungsdurchlass 218, der sich zwischen der äußeren Öffnung 212 und der inneren Öffnung 214 erstreckt und in Verbindung damit ist. Der Zumessöffnungsdurchlass 218 ist über die innere Öffnung 214 in Verbindung mit der inneren Kammer 195. Die anderen gekrümmten Zumessöffnungen 201 des Düsenkörpers 182 sind in ähnlicher Weise konfiguriert.
In Ausführungsbeispielen ist die Zumessöffnungsfläche 210 kontinuierlich gekrümmt. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist die Zumessöffnungsfläche 210 von der äußeren Öffnung 212 zur inneren Öffnung 214 kontinuierlich gekrümmt. In Ausführungsbeispielen erstreckt sich die Zumessöffnungsfläche 210 umlaufend um die mittige Längsachse LA zwischen der äußeren Öffnung 212 und der inneren Öffnung 214, In Ausführungsbeispielen hat die äußere Öffnung 212 eine erste Umfangsposition (oder Azimutposition) um die mittige Längsachse LA und die innere Öffnung 214 hat eine zweite Umfangsposition (oder Azimutposition), die sich von der ersten Umfangsposition unterscheidet, so dass die innere Öffnung 214 in Umfangsrichtung bezüglich der äußeren Öffnung 212 versetzt ist. In Ausführungsbeispielen ist die Zumessöffnungsfläche 210 kontinuierlich in schraubenförmiger Weise gekrümmt.
Mit Bezug auf die 3–5 definiert die Innenfläche 189 des Düsenkörpers 182 eine Vielzahl von Zumessöffnungsnuten 301, 302, 303, 304, 305, 306, die jeweils mit jeder gekrümmten Zumessöffnungen 201, 204 des Düsenkörpers 182 assoziiert sind. Entsprechend gibt es in dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel sechs Zumessöffnungsnuten 301, 302, 303, 304, 305, 306, die jeweils mit sechs gekrümmten Zumessöffnungen 201, 204 assoziiert sind (wobei zwei davon in 3 gezeigt sind). Die Zumessöffnungsnuten 301, 302, 303, 304, 305, 306 sind jeweils in Verbindung mit der inneren Kammer 195 und mit dem Zumessöffnungsdurchlass 218 der gekrümmten Zumessöffnung, mit dem sie assoziiert ist. Die Innenfläche 189 hat Nutenflächen 310, die jeweils eine Zumessöffnungsnut 301, 302, 303, 304, 305, 306 definieren. Jede Nutenfläche 310 steht radial nach außen weg von der mittigen Längsachse LA vor und ist angrenzend an die Zumessöffnungsfläche 210 der gekrümmten Zumessöffnung, mit der sie assoziiert ist.
Die gekrümmten Zumessöffnungen 201, 204 und die Zumessöffnungsnuten 301, 302, 303, 304, 305, 306, die durch die Nutenflächen 310 in der Innenfläche 189 definiert werden, können konfiguriert sein, um Verwirbelungscharakteristiken bzw. Verwirbelungseffekte in die Brennstoffmischung einzubringen, welche in die innere Kammer 195 gefördert wird, um die Vermischung weiter zu verbessern. In Ausführungsbeispielen sind die Nutenflächen 310 so konfiguriert, dass Flüsse der Brennstoffmischung, die in die innere Kammer 195 des Düsenkörpers 182 eintreten, entlang der Innenfläche 189 durch die Zumessöffnungsnuten 301, 302, 303, 304, 305, 306 kanalisiert werden, die durch die Nutenflächen 310 definiert werden, und zwar in schraubenförmiger Weise zur Zündungsvorrichtung 44, um ein Verwirbelungsmuster in Bereichen zu erzeugen, die von der mittigen Längsachse LA radial versetzt sind.
Die veranschaulichten Nutenflächen 310 sind im Wesentlichen identisch. Jede der veranschaulichten Nutenflächen 310 ist im Allgemeinen schraubenförmig, wobei sie sich axial entlang der mittigen Längsachse LA und umlaufend um die mittige Längsachse LA erstrecken. Anders gesagt, zumindest eine der Nutenflächen 310 kann eine Konfiguration haben, die von mindestens einer anderen der Nutenflächen 310 der Innenfläche 189 des Düsenkörpers 182 abweicht. Die Düse 150 der 3–5 kann in anderer Hinsicht ähnlich der Düse 50 der 1 und 2 sein.
Es wird dem Fachmann klar sein, dass verschiedene Aspekte der offenbarten Prinzipien, die sich auf Brennstoffverbrennungssysteme und Brennstoffverbrennungskomponenten beziehen, in einer Vielzahl von Motoren verwendet werden können. Entsprechend wird der Fachmann erkennen, dass in anderen Ausführungsbeispielen ein Motor folgend den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung andere Brennstoffverbrennungskomponenten aufweisen kann, die gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung aufgebaut sind, und andere Formen annehmen kann.
Mit Bezug auf 6 sind Schritte eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens 400 zur Herstellung einer Düse für eine Vorkammeranordnung eines Motors folgend den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung gezeigt. Das Verfahren zur Herstellung weist die Herstellung eines Düsenkörpers mit einer kontinuierlich gekrümmten Zumessöffnung auf. In Ausführungsbeispielen kann ein Verfahren zur Herstellung einer Düse einer Vorkammeranordnung eines Motors folgend den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung verwendet werden, um irgendein Ausführungsbeispiel einer Düse für eine Vorkammeranordnung gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung herzustellen. In anderen Ausführungsbeispielen kann der Düsenkörper irgendein geeigneter Düsenkörper zur Verwendung in einem Brennstoffverbrennungssystem sein.
Das veranschaulichte Verfahren 400 zur Herstellung einer Düse für eine Vorkammeranordnung weist die Herstellung eines Düsenkörpers auf (Schritt 410). Der Düsenkörper ist hohl und weist eine Außenfläche und eine Innenfläche auf. Die Außenfläche definiert eine äußere Öffnung, und die Innenfläche definiert eine innere Kammer und eine innere Öffnung. In Ausführungsbeispielen ist der Körper aus einem geeigneten Material gemacht, wie beispielsweise aus einer Metalllegierung. In Ausführungsbeispielen ist der Körper aus einer Nickellegierung und/oder einem Stahl gemacht.
Eine Zumessöffnungsfläche wird in dem Düsenkörper definiert (Schritt 420). Die Zumessöffnungsfläche definiert einen Zumessöffnungsdurchlass, der sich zwischen der äußeren Öffnung und der inneren Öffnung erstreckt und in Verbindung damit ist. Der Zumessöffnungsdurchlass ist über die innere Öffnung in Verbindung mit der inneren Kammer. Die Zumessöffnungsfläche wird so definiert, dass sie kontinuierlich gekrümmt ist (Schritt 430).
In Ausführungsbeispielen eines Verfahrens zur Herstellung einer Düse für eine Vorkammeranordnung folgend den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung werden der Düsenkörper und die Zumessöffnungsfläche mittels additiver bzw. hinzufügender Herstellung definiert (manchmal auch als „additive Schichtherstellung” oder „3D-Druck” bezeichnet): In Ausführungsbeispielen kann irgendeine geeignete Einrichtung zur additiven Herstellung verwendet werden. In Ausführungsbeispielen kann beispielsweise ein 3D-Produktionsdrucker verwendet werden, der kommerziell unter dem Handelsnamen ProX ^TM200 von 3D Systems, Inc., Rock Hill, South Carolina, verfügbar ist. In Ausführungsbeispielen eines Verfahrens zur Herstellung einer Düse für eine Vorkammeranordnung folgend den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung werden der Düsenkörper und jede Zumessöffnungsfläche zusammen über additive Herstellung hergestellt, und jeder Zumessöffnungsdurchlass wird in dem Düsenkörper im Wesentlichen gleichzeitig mit seiner Herstellung definiert.
In Ausführungsbeispielen eines Verfahrens zur Herstellung einer Düse für eine Vorkammeranordnung folgend den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung weist der Düsenkörper ein Befestigungsende und eine distale Spitze auf. Der Düsenkörper definiert eine mittige Längsachse, welche sich zwischen dem Befestigungsende und der distalen Spitze erstreckt. Die Zumessöffnungsfläche weist ein gekrümmtes zylindrisches Segment auf. Die Zumessöffnungsfläche ist entlang einer Längsebene angeordnet, die sich durch die mittige Längsachse erstreckt.
In Ausführungsbeispielen ist die Zumessöffnungsfläche entlang einer Längsebene angeordnet, die sich durch die mittige Längsachse erstreckt. In Ausführungsbeispielen ist die Zumessöffnungsfläche so konfiguriert, dass sie sich zum Befestigungsende des Düsenkörpers krümmt, so dass ein Fluss einer Brennstoffmischung, der durch den Zumessöffnungsdurchlass in die innere Kammer läuft, sich entlang eines Flusspfades im Allgemeinen entlang der mittigen Längsachse zum Befestigungsende bewegt.
In Ausführungsbeispielen wird eine Vielzahl von gekrümmten Zumessöffnungen in dem Düsenkörper definiert. Zumindest ein Paar von gekrümmten Zumessöffnungen kann in gegenüberliegender Beziehung zueinander entlang einer Längsebene angeordnet sein, die sich durch die mittige Längsachse erstreckt, so dass die mittige Längsachse zwischen dem ersten Zumessöffnungsdurchlass und dem zweiten Zumessöffnungsdurchlass entlang der Längsebene angeordnet ist.
In anderen Ausführungsbeispielen eines Verfahrens zur Herstellung einer Düse für eine Vorkammeranordnung folgend den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung wird die Zumessöffnungsfläche so definiert, dass die Zumessöffnungsfläche sich umlaufend um die mittige Längsachse erstreckt. In Ausführungsbeispielen ist eine Vielzahl von gekrümmten Zumessöffnungen in dem Düsenkörper definiert, welcher sich umlaufend um die mittige Längsachse erstreckt.
In Ausführungsbeispielen eines Verfahrens zur Herstellung einer Düse für eine Vorkammeranordnung folgend den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung wird der Düsenkörper so hergestellt, dass die innere Fläche eine Nutenfläche aufweist. Die Nutenfläche steht radial nach außen weg von der mittigen Längsachse vor und ist angrenzend an die Zumessöffnungsfläche. Die Nutenfläche definiert eine Zumessöffnungsnut in Verbindung mit der inneren Kammer und mit dem Zumessöffnungsdurchlass. In mindestens einigen von solchen Ausführungsbeispielen ist die Nutenfläche im Allgemeinen schraubenförmig, wobei sie sich axial entlang der mittigen Längsachse und umlaufend um die mittige Längsachse erstreckt.
In Ausführungsbeispielen eines Verfahrens zur Herstellung einer Düse für eine Vorkammeranordnung folgend den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung weist der Düsenkörper eine Vielzahl von gekrümmten Zumessöffnungsflächen auf. Die Vielzahl von gekrümmten Zumessöffnungsflächen ist umlaufend um die mittige Längsachse angeordnet. Die Vielzahl von gekrümmten Zumessöffnungsflächen definiert eine entsprechende Vielzahl von Zumessöffnungsdurchlässen, die sich zwischen einer entsprechenden Vielzahl von äußeren Öffnungen und inneren Öffnungen erstrecken und damit in Verbindung sind, welche durch die Außenfläche bzw. die Innenfläche definiert werden. Die Innenfläche des Düsenkörpers weist eine Vielzahl von Nutenflächen auf, die jeweils angrenzend an die Vielzahl von Zumessöffnungsflächen sind. Die Vielzahl von Nutenflächen definiert eine Vielzahl von Zumessöffnungsnuten in Verbindung mit der inneren Kammer. Die Vielzahl von Zumessöffnungsnuten ist auch jeweils in Verbindung mit der Vielzahl von Zumessöffnungsdurchlässen.
Industrielle Anwendbarkeit
Die industrielle Anwendbarkeit der Ausführungsbeispiele eines Brennstoffverbrennungssystems, einer Düse für eine Vorkammeranordnung und eines Verfahrens zu deren Herstellung wird leicht aus der vorangegangenen Besprechung klar werden. Zumindest ein Ausführungsbeispiel einer Vorkammeranordnung, die gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung aufgebaut ist, kann in einem Motor verwendet werden, um dabei zu helfen, den Motor mit einem mageren Brennstoff/Luft-Verhältnis zu betreiben. Ausführungsbeispiele einer Düse und/oder einer Vorkammeranordnung gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung können potentielle Anwendung in jeglichem geeigneten Motor finden. Beispielhafte Motoren weisen jene auf, die beispielsweise in Elektrizitätsgeneratoren und Pumpen verwendet werden.
In einigen Verbrennungsmotoren kann beispielsweise die Energie eines Zündfunkens nicht ausreichen, um in zufälliger Weise die Gas/Luft-Mischung in der Hauptbrennkammer zu zünden, welche wegen Emissionen oft sehr mager ist. Um die Zündungsenergie zu erhöhen, kann die Vorkammeranordnung, die gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung aufgebaut ist, mit dem Zylinderkopf verbunden werden und über eine Vielzahl von kontinuierlich gekrümmten Zumessöffnungen, die in der Düse definiert sind, in Verbindung mit der Hauptbrennkammer gebracht werden. Ein kleiner Teil der Mischung wird mit einer kleinen Menge an Verbrennungsgas oder einem zusätzlichen Brennstoff angereichert und in der Vorbrennkammer gezündet.
In Ausführungsbeispielen kann eine Vorkammeranordnung, welche eine Düse aufweist, die gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung aufgebaut ist, mit einer Quelle für zusätzlichen Brennstoff assoziiert sein, um einen Brennstofffluss in die Vorbrennkammer einer Vorkammeranordnung zu leiten, und zwar über einen anderen Pfad als über die Hauptbrennkammer im Zylinderblock, mit dem die Vorkammeranordnung assoziiert ist. In solchen Ausführungsbeispielen kann ein Steuerventil, wie beispielsweise eine herkömmliche Rückschlagventilanordnung, vorgesehen sein, um selektiv den Fluss von Brennstoff aus der Quelle von zusätzlichem Brennstoff in die Vorbrennkammer der Vorkammeranordnung zu gestatten, um weiter eine Zündung in der Vorbrennkammer zu begünstigen. In Ausführungsbeispielen kann der Brennstoff der Quelle für zusätzlichen Brennstoff ein fetteres Brennstoff/Luft-Verhältnis haben als das Brennstoff/Luft-Verhältnis des Brennstoffes, der direkt zur Hauptbrennkammer geliefert wird, mit der die Vorkammeranordnung assoziiert ist.
Ausführungsbeispiele einer Vorkammeranordnung, die gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung aufgebaut sind, können dabei helfen, eine Vermischung in der Vorbrennkammer zu verbessern, so dass magerere Mischungen für die NO_x-Steuerung für eine verbesserte Motoreffizienz verwendet werden können. In Ausführungsbeispielen kann eine Düse, die gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung aufgebaut ist, gekrümmte Zumessöffnungen definieren, die so konfiguriert sind, dass zumindest zwei separate Flüsse einer Brennstoff/Luft-Mischung aus der Brennkammer um eine mittige Längsachse verwirbelt werden können, wenn sie in die Vorbrennkammer eintreten. Die gekrümmten Zumessöffnungen können mit entsprechenden Nutenflächen in der Innenfläche angeordnet bzw. ausgerichtet sein, so dass Flüsse der Brennstoff/Luft-Mischung entlang der Innenfläche durch Nuten kanalisiert werden, welche durch die Nutenflächen definiert werden, und zwar in schraubenförmiger Weise zur Zündungsvorrichtung hin, um ein Verwirbelungsmuster in Bereichen zu erzeugen, die radial von der mittigen Längsachse versetzt sind. Die gekrümmten Zumessöffnungen, die zur inneren Kammer führen, und die Zumessöffnungsnuten darin können konfiguriert sein, um Verwirbelungscharakteristiken bzw. Verwirbelungseffekte in die Brennstoffmischung einzubringen, die in die Vorbrennkammer geleitet wird, um eine Vermischung weiter zu verbessern. Ein robuster Flammenstrahl kann in der inneren Kammer als ein Ergebnis der verbesserten Turbulenz in der inneren Kammer des Düsenkörpers entwickelt werden.
Ausführungsbeispiele einer Düse, die gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung aufgebaut ist, können eine Zumessöffnungskonfiguration haben, die eine robustere Verbrennung der Brennstoffmischung in dem inneren Hohlraum der Düse vorsieht. Die Zumessöffnungskonfiguration einer Düse, die gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung aufgebaut ist, kann den Druckabfall des Flusses der Flammfront dort hindurch verringern, um einen verbesserten Flammfortschritt mit gesteigerter Geschwindigkeit vorzusehen. Die gekrümmten Zumessöffnungen können konfiguriert sein, um dabei zu helfen, die Spannungen zu verringern, die auf die Flächen des Düsenkörpers aufgebracht werden, welche die gekrümmten Zumessöffnungen definieren, wodurch die nachteiligen Effekte verringert werden, die durch das Hindurchlaufen der Brennstoff/Luft-Mischung durch die gekrümmten Zumessöffnungen und das Auslassen der Flammen daraus verursacht werden. Ausführungsbeispiele einer Brennstoffverbrennungskomponente, die gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung aufgebaut ist, können unter Verwendung von additiven Herstellungstechniken hergestellt werden.
Ein Flammfortschritt, d. h., ein Zündungskern, wird zur Hauptbrennkammer durch die kontinuierlich gekrümmten Zumessöffnungen in der Düse übertragen, und der Flammfortschritt zündet die magere Brennstoffmischung. Das Flammauslassmuster aus den gekrümmten Zumessöffnungen kann das Flammenmuster nach außen verteilen, so dass die Flammfläche bzw. der Flammenbereich in der Hauptbrennkammer vergrößert wird. Das Auslassflammmuster, welches aus der Düse austritt, ist vorteilhaft, weil es eine heiße Oberfläche hat, die auch extrem magere oder gelöste Mischungen von verbrennbaren Stoffen in wiederholbarer Weise zünden kann.
Es wird klar sein, dass die vorangegangene Beschreibung Beispiele des offenbarten Systems und der offenbarten Technik liefert. Es wird jedoch in Betracht gezogen, dass andere Ausführungen der Offenbarung im Detail von den vorangegangenen Beispielen abweichen können. Jegliche Bezugnahme auf die Offenbarung oder Beispiele davon soll sich auf das spezielle an diesem Punkt besprochene Beispiel beziehen, und diese Bezugnahmen sind nicht dafür vorgesehen, irgendeine Einschränkung bezüglich des Umfangs der Offenbarung im Allgemeinen mit sich zu bringen. Jegliche Erwähnung einer Ablehnung oder einer geringeren Bevorzugung bezüglich gewisser Merkmale soll anzeigen, dass diese Merkmale weniger bevorzugt werden, soll jedoch solche Merkmale nicht vollständig vom Umfang der Offenbarung ausschließen, außer wenn dies in anderer Weise angezeigt wird.
Die Erwähnung von Wertebereichen soll hier nur als ein abgekürztes Verfahren dazu dienen, einzeln jeden getrennten Wert zu nennen, der in den Bereich fällt, außer wenn dies in anderer Weise hier angezeigt wird, und jeder getrennte Wert wird in die Beschreibung mit eingeschlossen, genauso wie wenn er einzeln hier genannt worden wäre. Alle hier beschriebenen Verfahren können in irgendeiner geeigneten Reihenfolge ausgeführt werden, außer wenn dies hier anders angezeigt wird oder klar durch den Kontext in Abrede gestellt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 8839762 [0008]
US 6575192 [0048]

Claims

Düse für eine Vorkammeranordnung eines Motors, wobei die Düse Folgendes aufweist: einen Düsenkörper, wobei der Düsenkörper hohl ist und eine Außenfläche und eine Innenfläche aufweist, wobei die Außenfläche eine äußere Öffnung definiert, und wobei die Innenfläche eine innere Kammer und eine innere Öffnung definiert; wobei der Düsenkörper eine Zumessöffnungsfläche aufweist, wobei die Zumessöffnungsfläche einen Zumessöffnungsdurchlass definiert, der sich zwischen der äußeren Öffnung und der inneren Öffnung erstreckt und in Verbindung damit ist, wobei der Zumessöffnungsdurchlass über die innere Öffnung in Verbindung mit der inneren Kammer ist, und wobei die Zumessöffnungsfläche kontinuierlich gekrümmt ist.
Düse nach Anspruch 1, wobei die innere Öffnung einen ersten querverlaufenden Zumessöffnungsquerschnitt hat, und wobei die Zumessöffnungsfläche einen Zwischenbereich aufweist, der zwischen der inneren Öffnung und der äußeren Öffnung angeordnet ist, wobei der Zwischenbereich einen zweiten querverlaufenden Zumessöffnungsquerschnitt hat, wobei der zweite querverlaufende Zumessöffnungsquerschnitt kleiner ist als der erste querverlaufende Zumessöffnungsquerschnitt.
Düse nach Anspruch 1, wobei der Düsenkörper ein Befestigungsende und eine distale bzw. ferngelegene Spitze aufweist, wobei der Düsenkörper eine mittige Längsachse definiert, die sich zwischen dem Befestigungsende und der distalen Spitze erstreckt, und wobei die Zumessöffnungsfläche ein gekrümmtes zylindrisches Segment aufweist, wobei die Zumessöffnungsfläche entlang einer Längsebene angeordnet ist, die sich durch die mittige Längsachse erstreckt.
Düse nach Anspruch 3, wobei das gekrümmte zylindrische Segment einen proximalen bzw. nahegelegenen Teil und einen distalen bzw. ferngelegenen Teil hat, wobei der proximale Teil näher an dem Befestigungsende ist als der distale Teil, wobei der proximale Teil des gekrümmten zylindrischen Segmentes einen ersten Krümmungsradius hat, und wobei der distale Teil des gekrümmten zylindrischen Segmentes einen zweiten Krümmungsradius hat, und wobei der erste Krümmungsradius kleiner ist als der zweite Krümmungsradius, so dass der proximale Teil mehr gekrümmt ist als der distale Teil.
Düse nach Anspruch 3, wobei die innere Öffnung, die äußere Öffnung, die Zumessöffnungsfläche und der Zumessöffnungsdurchlass jeweils eine erste innere Öffnung, eine erste äußere Öffnung, eine erste Zumessöffnungsfläche und einen ersten Zumessöffnungsdurchlass aufweisen, wobei die Außenfläche eine zweite äußere Öffnung definiert, wobei die Innenfläche eine zweite innere Öffnung definiert, und wobei der Düsenkörper eine zweite Zumessöffnungsfläche aufweist, wobei die zweite Zumessöffnungsfläche einen zweiten Zumessöffnungsdurchlass definiert, der sich zwischen der zweiten äußeren Öffnung und der zweiten inneren Öffnung erstreckt und in Verbindung damit ist, wobei der zweite Zumessöffnungsdurchlass über die zweite innere Öffnung in Verbindung mit der inneren Kammer ist, wobei die zweite Zumessöffnungsfläche kontinuierlich gekrümmt ist, wobei der zweite Zumessöffnungsdurchlass in gegenüberliegender Beziehung zum ersten Zumessöffnungsdurchlass entlang der Längsebene angeordnet ist, die sich durch die mittige Längsachse erstreckt, so dass die mittige Längsachse zwischen dem ersten Zumessöffnungsdurchlass und dem zweiten Zumessöffnungsdurchlass entlang der Längsebene angeordnet ist.
Düse nach Anspruch 5, wobei der erste Zumessöffnungsdurchlass und der zweite Zumessöffnungsdurchlass so konfiguriert sind, dass erste und zweite Flüsse einer Brennstoffmischung, welche jeweils dort hindurch in die innere Kammer laufen, in der inneren Kammer kombiniert werden, so dass sie sich entlang eines Flusspfades im Allgemeinen parallel zur mittigen Längsachse bewegen.
Düse nach Anspruch 1, wobei der Düsenkörper ein Befestigungsende und eine fernliegende bzw. distale Spitze aufweist, wobei der Düsenkörper eine mittige Längsachse definiert, die sich zwischen dem Befestigungsende und der distalen Spitze erstreckt, und wobei die Zumessöffnungsfläche sich umlaufend um die mittige Längsachse erstreckt.
Düse nach Anspruch 1, wobei der Düsenkörper ein Befestigungsende und eine distale Spitze aufweist, wobei der Düsenkörper eine mittige Längsachse definiert, die sich zwischen dem Befestigungsende und der distalen Spitze erstreckt, und wobei die Innenfläche des Düsenkörpers eine Nutenfläche aufweist, wobei die Nutenfläche radial nach außen weg von der mittigen Längsachse vorsteht und angrenzend an die Zumessöffnungsfläche ist, wobei die Nutenfläche eine Zumessöffnungsnut in Verbindung mit der inneren Kammer und dem Zumessöffnungsdurchlass definiert.
Düse nach Anspruch 8, wobei die Zumessöffnungsfläche sich umlaufend um die mittige Längsachse erstreckt.
Düse nach Anspruch 8, wobei die Nutenfläche im Allgemeinen schraubenförmig ist, wobei sie sich axial entlang der mittigen Längsachse und umlaufend um die mittige Längsachse erstreckt.
Düse nach Anspruch 10, wobei die Zumessöffnungsfläche sich umlaufend um die mittige Längsachse erstreckt.
Düse nach Anspruch 1, wobei der Düsenkörper ein Befestigungsende und eine fernliegende bzw. distale Spitze aufweist, wobei der Düsenkörper eine mittige Längsachse definiert, die sich zwischen dem Befestigungsende und der distalen Spitze erstreckt, und wobei der Düsenkörper eine Vielzahl von gekrümmten Zumessöffnungsflächen aufweist, wobei die Vielzahl von gekrümmten Zumessöffnungsflächen umlaufend um die mittige Längsachse angeordnet ist, wobei die Vielzahl von gekrümmten Zumessöffnungsflächen entsprechend eine Vielzahl von Zumessöffnungsdurchlässen definiert, die sich zwischen einer entsprechenden Vielzahl von äußeren Öffnungen und inneren Öffnungen, die durch die Außenfläche bzw. die Innenfläche definiert werden, erstreckt und in Verbindung damit ist, und wobei die Innenfläche des Düsenkörpers eine Vielzahl von Nutenflächen aufweist, wobei die Vielzahl von Nutenflächen jeweils angrenzend an die Vielzahl von gekrümmten Zumessöffnungsflächen ist, wobei die Vielzahl von Nutenflächen entsprechend eine Vielzahl von Zumessöffnungsnuten in Verbindung mit der inneren Kammer definiert, und wobei die Vielzahl von Zumessöffnungsnuten jeweils in Verbindung mit der Vielzahl von Zumessöffnungsdurchlässen ist.
Brennstoffverbrennungssystem, welches Folgendes aufweist: einen Zylinderblock, wobei der Zylinderblock zumindest teilweise eine Hauptbrennkammer definiert; eine Vorkammeranordnung, wobei die Vorkammeranordnung in Verbindung mit der Hauptbrennkammer ist, wobei die Vorkammeranordnung eine Vorbrennkammer definiert, wobei die Vorbrennkammer in Verbindung mit der Hauptbrennkammer ist, wobei die Vorkammeranordnung ein Vorkammergehäuse, eine Zündungsvorrichtung, die ausgebildet ist, um selektiv eine Brennstofflieferung zu zünden, die in der Vorbrennkammer angeordnet ist, und eine Düse aufweist, wobei die Zündungsvorrichtung an dem Vorkammergehäuse befestigt ist, wobei die Düse und das Vorkammergehäuse zusammenarbeiten, um die Vorbrennkammer zu definieren, wobei die Düse Folgendes aufweist: einen Düsenkörper, wobei der Düsenkörper hohl ist und eine Außenfläche und eine Innenfläche aufweist, wobei die Außenfläche eine äußere Öffnung definiert, und wobei die Innenfläche eine innere Kammer und eine innere Öffnung definiert; und wobei der Düsenkörper eine Zumessöffnungsfläche aufweist, wobei die Zumessöffnungsfläche einen Zumessöffnungsdurchlass definiert, der sich zwischen der äußeren Öffnung und der inneren Öffnung erstreckt und in Verbindung damit ist, wobei der Zumessöffnungsdurchlass über die innere Öffnung in Verbindung mit der inneren Kammer ist, und mit der Hauptbrennkammer über die äußere Öffnung in Verbindung ist, und wobei die Zumessöffnungsfläche kontinuierlich gekrümmt ist.
Brennstoffverbrennungssystem nach Anspruch 13, wobei der Düsenkörper ein Befestigungsende und eine fernliegende bzw. distale Spitze aufweist, wobei das Befestigungsende an dem Vorkammergehäuse anliegt, wobei die distale Spitze in Verbindung mit der Hauptbrennkammer ist, wobei der Düsenkörper eine mittige Längsachse definiert, die sich zwischen dem Befestigungsende und der distalen Spitze erstreckt, und wobei die Zumessöffnungsfläche ein gekrümmtes zylindrisches Segment aufweist, wobei die Zumessöffnungsfläche entlang einer Längsebene angeordnet ist, die sich durch die mittige Längsachse erstreckt, und wobei sie so konfiguriert ist, dass sie sich zum Befestigungsende des Düsenkörpers krümmt, so dass ein Fluss einer Brennstoffmischung, der durch den Zumessöffnungsdurchlass in die innere Kammer läuft, sich entlang eines Flusspfades im Allgemeinen entlang der mittigen Längsachse zum Befestigungsende bewegt.
Brennstoffverbrennungssystem nach Anspruch 13, wobei der Düsenkörper ein Befestigungsende und eine distale Spitze aufweist, wobei das Befestigungsende an dem Vorkammergehäuse angebracht ist, wobei die distale Spitze in Verbindung mit der Hauptbrennkammer ist, wobei der Düsenkörper eine mittige Längsachse definiert, die sich zwischen dem Befestigungsende und der distalen Spitze erstreckt, und wobei die Zumessöffnungsfläche sich umlaufend um die mittige Längsachse erstreckt.
Brennstoffverbrennungssystem nach Anspruch 13, wobei der Düsenkörper ein Befestigungsende und eine distale Spitze aufweist, wobei das Befestigungsende an dem Vorkammergehäuse angebracht ist, wobei die distale Spitze in Verbindung mit der Hauptbrennkammer ist, wobei der Düsenkörper eine mittige Längsachse definiert, die sich zwischen dem Befestigungsende und der distalen Spitze erstreckt, und wobei die Innenfläche des Düsenkörpers eine Nutenfläche aufweist, wobei die Nutenfläche radial nach außen weg von der mittigen Längsachse vorsteht und angrenzend an die Zumessöffnungsfläche ist, wobei die Nutenfläche eine Zumessöffnungsnut in Verbindung mit der inneren Kammer und dem Zumessöffnungsdurchlass definiert.
Verfahren zur Herstellung einer Düse für eine Vorkammeranordnung eines Motors, wobei das Herstellungsverfahren Folgendes aufweist: Herstellen eines Düsenkörpers, wobei der Düsenkörper hohl ist und eine Außenfläche und eine Innenfläche aufweist, wobei die Außenfläche eine äußere Öffnung definiert, und wobei die Innenfläche eine innere Kammer und eine innere Öffnung definiert; Definieren einer Zumessöffnungsfläche in dem Düsenkörper, wobei die Zumessöffnungsfläche einen Zumessöffnungsdurchlass definiert, der sich zwischen der äußeren Öffnung und der inneren Öffnung erstreckt und in Verbindung damit ist, wobei der Zumessöffnungsdurchlass über die innere Öffnung in Verbindung mit der inneren Kammer ist, und wobei die Zumessöffnungsfläche kontinuierlich gekrümmt ist.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 17, wobei der Düsenkörper hergestellt wird und wobei die Zumessöffnungsfläche definiert wird, und zwar durch additive Herstellung.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 18, wobei der Düsenkörper so hergestellt wird, dass der Düsenkörper ein Befestigungsende und eine fernliegende bzw. distale Spitze aufweist, wobei der Düsenkörper eine mittige Längsachse definiert, die sich zwischen dem Befestigungsende und der distalen Spitze erstreckt, und wobei die Zumessöffnungsfläche so definiert ist, dass die Zumessöffnungsfläche sich umlaufend um die mittige Längsachse erstreckt.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 18, wobei der Düsenkörper so hergestellt wird, dass der Düsenkörper ein Befestigungsende und eine distale Spitze aufweist, wobei der Düsenkörper eine mittige Längsachse definiert, die sich zwischen dem Befestigungsende und der distalen Spitze erstreckt, und so, dass die Innenfläche des Düsenkörpers eine Nutenfläche aufweist, wobei die Nutenfläche radial nach außen weg von der mittigen Längsachse vorsteht und angrenzend an die Zumessöffnungsfläche ist, wobei die Nutenfläche eine Zumessöffnungsnut in Verbindung mit der inneren Kammer und mit dem Zumessöffnungsdurchlass definiert.