Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine - insbesondere eines Gasmotors - mit zumindest einer Zündkerze mit mindestens einer Massen elektrode zur Bildung eines Zündfunkens und einem die Zündkerze aufnehmendes Vorkammerbauteil, das eine Vorkammer bildet in den ein Brennstoffkanal führt, der in dem Vorkammerbauteil angeordnet ist, wobei eine Strömungsachse des Brennstoffkanals am Austritt des Brennstoffkanals in Richtung der Massenelek trode orientiert ist, so dass im Wesentlichen der gesamte Brenn Stoff ström zu der Massenelektrode strömt.

Weiters betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Fertigung eines derartigen Zylin derkopfs und eine Brennkraftmaschine mit dem Zylinderkopf.

Dabei ist die Brennkraftmaschine und dadurch der Zylinderkopf üblicherweise flüs sigkeitsgekühlt.

Zündkerzen mit Vorkammern sind beispielsweise aus der EP 2 894 313 Al für Gas- Otto-Motoren bekannt. Dabei ist in einer Hülse um die Zündkerze ein Brennstoff ventil vorgesehen. In der Hülse befindet sich eine Bohrung, die vom Brennstoff ventil bis zur Vorkammer reicht. Diese Bohrung ist zur Achse der Zündkerze ge neigt angeordnet. Bei dieser Zündkerze ist zur besseren Vermischung ein Leitele ment zwischen Zündkerze und Brennstoffventil und der Vorkammer vorgesehen. Über Übertrittsöffnungen ist ein Brennraum der Brennkraftmaschine mit der Vor kammer strömungsverbunden. Bei dieser speziellen Anordnung ist zwischen Vor kammer und Übertrittsöffnung eine Steigleitung vorgesehen. Nachteilig an dieser Anordnung ist, dass einerseits zur Gewährleistung einer guten Durchmischung ein zusätzliches Leitelement vorgesehen werden muss. Weiters kommt es durch die Teilung der Brennstoffströmung zu unerwünschten Strömungsverhältnissen.

Durch die Teilung des Brennstoffs durch das Leitelement ist die Strömung schwie riger vorherzubestimmen. Dadurch können dementsprechend zündfähige Gemi sche bei Entstehung des Zündfunkens von der Massenelektrode entfernt entstehen und so zu einer verzögerten Zündung, Klopfen, ungleichmäßiger Verbrennung und dergleichen kommen. Dieser Effekt wird durch Abnutzungserscheinungen weiter verstärkt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es die Zündung zu verbessern. Diese Aufgabe wird durch den obigen Zylinderkopf dadurch gelöst, dass die Dreh achse der Zündkerze einen Versatz zu der Achse der Vorkammer aufweist, wobei der Versatz zwischen 0 % bis 15 % des größten Vorkammerdurchmessers beträgt.

Unter Strömungsachse versteht sich hier diejenige Linie, die die Mittelpunkte der Durchmesser des Brennstoffkanals miteinander verbindet. Die Richtung der Strö mungsachse entspricht unter Vernachlässigung etwaiger unerwarteter Strömungs effekte durch das Brennstoffventil oder der Strömung stromab des Brennstoffka nals in etwa der Strömungsrichtung der ungestörten Strömung im Mittelpunkt des Strömungskanals.

In Anbetracht des allgemeinen Bestrebens in der Automobilindustrie Bauteilgrößen zur reduzieren, ist es vorteilhaft, wenn eine Strömungsachse des Brennstoffkanals in zumindest einer Richtung gekrümmt ist. Durch diese Krümmung kann die Nei gung des Brennstoffventils gegenüber der Vorkammerachse reduziert werden, ohne dass mit störenden Strömungseffekten zu rechnen ist.

Durch diese Reduzierung der Neigung kann die radiale Baugröße um die Achse der Vorkammer verringert werden. Durch reduzierte Baugrößen kann Gewicht mini miert werden, was in weiterer Folge zu Reduktion des B re n n Stoff be darf s führt, was wiederum hinsichtlich des Umweltschutzes vorteilhaft ist. Fragen des Packagings in Fahrzeugen werden durch verringerte Baugrößen vereinfacht. Weiters kann durch die Krümmung ein Tumble oder ein Drall erzeugt werden, der positiv auf die Vermischung in der Vorkammer einwirken kann.

Durch die gezielte Anströmung der Massenelektrode ist es möglich das zündbare Gemisch schneller in die Nähe des Zündfunkens zu transportieren. Dadurch kommt es zu einer schnelleren und besser kontrollierbaren Zündung in der Vorkammer. Die Verbrennung wird gleichmäßiger und die Klopfneigung in der Vorkammer wird reduziert.

Es ist weiter vorgesehen, dass die Drehachse der Zündkerze einen Versatz zu der Achse der Vorkammer aufweist, wobei der Versatz zwischen 0 % bis 15 % des größten Vorkammerdurchmessers beträgt. Dadurch wird eine Qualität der Ver brennung weiter gesteigert und ein Gas- Luftgemisch ist möglichst gleichmäßig und schnell zündbar. Ein weiterer dadurch erzielter Vorteil ist, dass ein in einem Zylin derkopf vorhandener Bauraum bestmöglich und effizient genutzt wird. Die Kombi nation der gezielten Anströmung der Massenelektrode mit dem kleinen Versatz der Zündkerze zur Vorkammerachse verstärkt die oben angeführten Vorteile also wei ter. Beträgt der Versatz 0 % oder nahezu 0 % ist kein Versatz zwischen der Drehachse der Zündkerze und der Achse der Vorkammer vorgesehen, das heißt diese beiden Achsen gehen im Wesentlichen versatzfrei ineinander über.

Diese Aufgabe wird auch durch eine Brennkraftmaschine mit einem erfindungsge mäßen Zylinderkopf und durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Fertigung eines erfindungsgemäßen Zylinderkopfs gelöst.

Es ist günstig, wenn der Versatz zwischen der Drehachse der Zündkerze und der Achse der Vorkammer zwischen 0 % bis 15 %, insbesondere zwischen 0 % und 10 %, bevorzugt zwischen 0 % und 8 %, besonders bevorzugt weniger als 7 % des größten Vorkammerdurchmessers beträgt. Dadurch kann eine Qualität der Zündung und Verbrennung weiter gesteigert werden. Die Zündkerze ist folglich zentral angeordnet.

Es ist vorteilhaft, wenn eine Drehachse der Zündkerze und die Strömungsachse des Brennstoffkanals im Wesentlichen in einer Ebene liegen und dass die Strö mungsachse im Wesentlichen in dieser Ebene gekrümmt ist. Dadurch ist ein Tumble erreichbar. Wenn der Brennstoffkanal nur in einer Ebene eine Krümmung aufweist, ist dies von Nutzen in der Fertigung, da sich diese dementsprechend vereinfacht.

Unter der Wendung "im Wesentlichen" verstehen sich im Rahmen dieser Erfindung Maße und Formen des betreffenden Gegenstands, die um einen geringen Anteil - beispielsweise im Rahmen einer Fertigungstoleranz - von der exakten Form oder dem exakten Maß abweichen, da eine exakte Verwirklichung nicht möglich ist.

Besonders günstige Strömungsverhältnisse ergeben sich, wenn die Krümmung des Brennstoffkanals einen Winkel zwischen 80° und 160° einschließt. Dies hat außer dem Vorteile für die Anordnung des Brennstoffventils. Dadurch kann der Bauraum weiter verringert werden.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Strömungsachse im Bereich des Austritts im Wesentlichen normal auf eine Achse der Vorkammer angeordnet ist, so dass die Anströmung des Zündfunkens im Wesentlichen normal auf die Achse der Vorkammer ist. Dies ist für gewisse Bauräume günstig.

In einer alternativen Ausführung ist für andere Platzverhältnisse oder Bauräume hingegen vorgesehen, dass die Strömungsachse im Bereich des Austritts im We sentlichen um einen Winkel gegenüber einer Normalebene durch die Achse der Vorkammer geneigt ist, sodass die Anströmung des Zündfunkens im Wesentlichen um einen Winkel gegenüber der Normalebene durch die Achse der Vorkammer geneigt ist, wobei der Winkel zwischen 0 und 30° beträgt. Um die Abstände zwischen Masselektrode und Brennstoffkanal zu verkürzen, ist es günstig, wenn der Austritt des Brennstoffkanals mit der Strömungsachse auf der Höhe der Massenelektrode entlang der Achse der Vorkammer angeordnet ist.

Es ist günstig, wenn das Vorkammerbauteil eine Vorkammerhülle zur Bildung der Vorkammer und eine Hülse um die Zündkerze aufweist, wobei die Vorkammerhülle und die Hülse jeweils einstückig ausgebildet sind und/oder miteinander verbunden sind. Dadurch kann bei Problemen mit der Zündung einfach das Vorkammerbauteil aus dem Zylinderkopf entnommen werden, was Reparaturen und Austausch ein facher und kostengünstiger macht. Wenn Vorkammerhülle und Hülse miteinander verbunden sind, so kann dies beispielsweise durch eine Verschraubung mit einer Dichtung realisiert sein. Es kann also vorgesehen sein, dass die Hülse einstückig und die Vorkammerhülle einstückig ausgebildet und dann miteinander verbunden sind. Allerdings kann es auch sein, dass die Hülse und die Vorkammerhülle zusam men einstückig ausgebildet sind.

In einer besonderen Ausführung ist vorgesehen, dass im Vorkammerbauteil ein Brennstoffventil angeordnet ist. Dadurch können Leckagen erfolgreich vermieden werden.

Um eine günstige Strömung im Brennstoffkanal zu erreichen, ist in einer günstigen Ausführung vorgesehen, dass die Strömungsachse des Brennstoffkanals in einem Bereich des Brennstoffkanals der an das Brennstoffventil angrenzt im Wesentlichen der Drehachse des Brennstoffventils entspricht. Turbulenzen nach dem Brennstoff ventil können so vermieden werden. Es kann allerdings auch vorgesehen sein, dass die Drehachse des Brennstoffventils nicht koaxial mit der Achse des Brennstoffka nals 12 ist, sondern dass zwischen den beiden Achsen ein Winkel von etwa 0° bis etwa 0° vorgesehen ist.

Es ist von Vorteil, wenn das Brennstoffventil gegenüber der Achse der Vorkammer geneigt angeordnet ist, wobei diese Neigung vorzugsweise einem Winkel zwischen -10° und +35° entspricht. Durch die obige angesprochene Reduzierung der Nei gung kann in einem extremen Fall eine Neigung von 0°, also keine Neigung vor gesehen werden. Das würde zwar zur maximalen Platzeinsparung führen. Es ist jedoch die Strömung im ersten Bereich des Brennstoffkanals, der an das Brenn stoffventil grenzt ein Knick oder eine Umlenkung erforderlich, so dass die Strö mung negativ beeinflusst werden könnte.

Eine weitere Steigerung dieses Effekts wird erreicht, wenn der Versatz in der Ebene liegt und die Massenelektrode durch den Versatz in Bezug auf die Achse der Vor kammer von dem Brennstoffkanal abgewandt angeordnet ist. Um maximale Flexibilität hinsichtlich der Anordnung der Bauteile zu gewinnen, ist es vorgesehen, dass eine Drehachse der Zündkerze einen Winkel zur Achse der Vorkammer aufweist, der zwischen 0° und 30 ° ist.

Hinsichtlich der Dichtheit und der Robustheit der Erfindung, ist es vorteilhaft, wenn der Brennstoffkanal durch eine rohrförmige Ausnehmung entlang der Strömungs achse innerhalb des Vorkammerbauteils gebildet ist, sodass die Ausnehmung des Brennstoffkanals radial um die Strömungsachse von Material des Vorkammerbau teils umgeben ist.

Um die Fertigung zu erleichtern ist es in einer günstigen Variante des Verfahrens vorgesehen, dass das Schneiden des Kerzengewindes für die Zündkerze in dem Vorkammerbauteil derart durchgeführt wird, dass eine Massenelektrode nach dem Einschraubvorgang in einer definierten Lage zum Brennstoffkanal angeordnet ist. Grundsätzlich ist es günstig, wenn der Zylinderkopf zumindest teilweise, insbeson dere die Vorkammer und/oder die Zündkerze über 3D-Druck hergestellt wird. Ins besondere wird der Zylinderkopf zumindest teilweise durch das additive Ferti gungsverfahren Laseraufschmelzen hergestellt.

Die Erfindung wird in weiterer Folge anhand nicht einschränkender Ausführungs beispiele in den Figuren näher erläutert. Es zeigen :

Fig. 1 ein Detail eines erfindungsgemäßen Zylinderkopfs im Schnitt in einer ersten Ausführung;

Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht des Details in Fig. 1;

Fig. 3 eine alternative vergrößerte Ansicht aus Fig. 1;

Fig. 4 ein Detail eines erfindungsgemäßen Zylinderkopfs im Schnitt in einer zweiten Ausführung; und

Fig. 5 ein Vorkammerbauteil mit einer Zündkerze und einem Brennstoff ventil eines erfindungsgemäßen Zylinderkopfs in der ersten Ausfüh rung und der schematischen Andeutung einer dritten Ausführung.

Fig. 1 zeigt ein Detail eines flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopfs 1 in einer ersten Ausführung. Dabei ist der Zylinderkopf 1 Teil einer Brennkraftmaschine, die als Gas-Ottomotor betrieben wird. Das Detail zeigt ein Vorkammerbauteil 2 genauer. Das Vorkammerbauteil 2 weist in der gezeigten Ausführung eine Hülse 3 und eine mit der Hülse 3 verbundene Vorkammerhülle 4 auf. Dabei weist die Vorkammer hülle 4 ein Außengewinde auf und die Hülse 3 weist ein Innengewinde auf. Die Vorkammerhülle 4 ist mit der Hülse 3 verschraubt. Zwischen Vorkammerhülle 4 und Hülse 3 ist eine Dichtung vorgesehen. Die Vorkammerhülle 4 umschließt einen großen Teil einer Vorkammer 5, die über Überströmöffnungen 6 mit einem Brennraum 7 strömungsverbunden sind. Der Brennraum 7 grenzt an den Zylinderkopf 1 unter anderem mit dem Vorkammer bauteil 2 und wird von ihm im Wesentlichen in Richtung der Vorkammer 5 abge schlossen.

Innerhalb der Hülse 3 ist eine Zündkerze 8 und ein Gasventil 9 angeordnet. Die Zündkerze 8 reicht mit einer Massenelektrode 10 in die Vorkammer 5. Ein Bereich in dem Zündfunken von der Zündkerze 8 gebildet werden ist mit Bezugszeichen 11 versehen.

Die Zündkerze 8 ist in der ersten Ausführung mit seiner Drehachse D parallel zu einer Achse A der Vorkammer 5 ausgerichtet. In der gezeigten ersten Ausführung sind die Drehachse D und die Achse A versetzt angeordnet. Diese Drehachse D und die Achse A sind in einer alternativen Ausführung identisch.

Das Brennstoffventil 9 ist entlang einer Achse V, die der Drehachse des Brenn stoffventils 9 entspricht, angeordnet. Dabei ist diese Achse V geneigt zu der Achse A der Vorkammer ausgerichtet.

Das Brennstoffventil 9 ist erfindungsgemäß über einen Brennstoffkanal 12 mit der Vorkammer 5 verbunden. Der Brennstoffkanal 12 verläuft entlang einer Strö mungsachse S. Dabei entspricht diese in ihrer Richtung dem Strömungsvektor der ungestörten Strömung im inneren des Brennstoffkanals 12.

Der Brennstoffkanal 12 weist einen Austritt 13 in die Vorkammer 5 auf. Der Brenn stoffkanal 12 ist zumindest am Austritt 13 in Richtung des Zündfunkens 11 und der Massenelektrode 10 orientiert. Der Brennstoff strömt daher in Richtung des Zündfunkens 11, wie durch den Pfeil B signalisiert werden soll.

Das Brennstoffventil 9 ist von der Vorkammer 5 einen Abstand a entfernt. Dabei ist dieser Abstand a die Entfernung des Abgabepunktes von Brennstoff aus dem Brennstoffventil 9 in den Brennstoffkanal 12, dem Eintritt des Brennstoffkanals, von dem Austritt 13 des Brennstoffkanals 12 in die Vorkammer 5.

Der größte Vorkammerdurchmesser g ist in den gezeigten Ausführungen am Über gang zur Zündkerze 8 zu finden. Der größte Vorkammerdurchmesser g ist bei die sen Ausführungen etwas größer als der Durchmesser der Zündkerze 8. In alterna tiven Ausführungen können diese Durchmesser gleich sein.

In Fig. 2 ist diese Anordnung leicht vergrößert dargestellt. Daraus geht hervor, dass die Drehachse D und die Achse A der Vorkammer 5 einen geringen Versatz x zueinander aufweisen. Dabei ist die Zündkerze 8 durch den Versatz x weiter von dem Brennstoffventil 9 entfernt. In der gezeigten Ausführung liegen die Achse V des Brennstoffventils 9 und die Drehachse D der Zündkerze 8 in einer Ebene e, die auch die Schnittebene für den Schnitt der Figuren 1 bis 5 bildet. Daher ist die Bildebene mit dem Bezugszeichen für die Ebene e gekennzeichnet. Der Versatz x in der Fig. 2 kleiner als 10 % des größten Vorkammerdurchmessers g.

Der Brennstoffkanal 12 weist zwischen einem Eintritt, mit dem der Brennstoffkanal

12 an das Gasventil 9 grenzt, und dem Austritt 13 eine Krümmung 12a auf. Dabei ist die Strömungsachse S in der Ebene e gekrümmt. In alternativen Ausführungen sind auch komplexere Formen für den Brennstoffkanal 12 möglich.

Um die Übersichtlichkeit zu gewährleisten wurden nicht alle Bauteile in Fig. 2 be schriftet. Die fehlenden Bezugszeichen können der Fig. 1 entnommen werden.

Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt aus Fig. 1 und Fig. 2. Dabei ist die Zündkerze 8 mit der Massenelektrode 10, sowie der Zündfunke 11 gut erkennbar.

Durch das Brennstoffventil 9 wird Gas in den Brennstoffkanal 12 abgegeben. Der Brennstoffkanal 12 lenkt die Brennstoffströmung B im Wesentlichen entlang der Strömungsachse S ab und am Austritt 13 ist die Strömung B auf die Massenelek trode 10 gerichtet. Der Zündfunken 11 entsteht zwischen Massenelektrode 10 und dem Hauptteil der Zündkerze 8. Durch die Strömung B in Richtung des Zündfun kens B wird das Gas, der Brennstoff sofort gezündet.

Der Austritt 13 des Brennstoffkanals 12 ist dabei mit der Strömungsachse S auf Höhe des Zündfunkens 11 angeordnet und die Strömung B des Brennstoffes wird in etwa entlang einer nicht gekennzeichneten Normalebene der Achse A der Vor kammer 5 in Richtung des Zündfunkens 11 abgegeben.

Die Krümmung 12a lenkt dabei die Strömungsachse S um eine Winkel d um.

Fig. 4 zeigt ein Detail analog zu Fig. 3 einer zweiten Ausführung des erfindungs gemäßen Zylinderkopfs 1. In der Folge werden nur die Unterschiede zu der ersten Ausführung erläutert. Gleiche Bezugszeichen kennzeichnen dabei Bauteile mit glei chen Funktionen.

Im Unterschied zur ersten Ausführung ist in der zweiten Ausführung der Austritt

13 nicht auf derselben Höhe entlang der Achse A der Vorkammer 5 angeordnet. Dabei ist die Strömungsachse S am Austritt 13 im Vergleich zu der ersten Ausfüh rung näher der Zündkerze 8 zugeordnet.

Die Strömungsachse S ist im Bereich des Austritts 8 um einen Winkel ß geneigt. Dabei ist die Strömung des Brennstoffs B ebenfalls um den Winkel ß geneigt und auf den Zündfunken 11 gerichtet. In Fig. 5 ist eine alternative Drehachse d der Zündkerze 8 für eine dritte Ausfüh rung angedeutet. Diese Drehachse d weist zu der Achse A der Vorkammer eine Neigung a auf.

Zusätzlich ist in dieser Figur ein Winkel g eingezeichnet, den die Achse V das Brennstoffventils 9 zu einer Gerade aufweist, die parallel zu der Achse A der Vor kammer ist. Das Brennstoffventil 9 ist um den Winkel g gegenüber dieser Gerade geneigt.

Der Zylinderkopf 1 ist flüssigkeitsgekühlt. Aus den Fig. 1 und Fig. 2 sind Kühlräume erkennbar, die an das Vorkammerbauteil 2 angrenzen. Dadurch sind die Zündkerze 8, das Vorkammerbauteil 2 sowie die Umgebung dieser Bauteile des Zylinderkopfs 2 vor thermischen Schäden geschützt und Wärme kann abtransportiert werden.