Vorkammerzündung im Wasserstoff-Verbrennungsmotor: Kleine Geometrie, grosse Wirkung

Autor: Dr. Christian Lämmle, combustion and flow solutions

Bei der Vorkammerzündung wird das Gemisch zunächst in einer kleinen Kammer gezündet. Durch Bohrungen treten heisse Gas- und Flammenstrahlen in den Hauptbrennraum aus und entzünden das Gemisch dort an mehreren Stellen gleichzeitig. Wie diese Strahlen ausgebildet sind, hängt stark von der Geometrie der Vorkammer und ihrer Bohrungen ab. Schon kleine Änderungen können Strömung, Gemischverteilung und Verbrennungsstabilität deutlich verändern – im Wasserstoff-Verbrennungsmotor ebenso wie im Gasmotor.

Das Wichtigste in Kürze

• Prinzip: Zündung in einer kleinen Vorkammer, Übertragung in den Hauptbrennraum über heisse Strahlen aus Bohrungen.
• Nutzen: Eine kräftige, räumlich verteilte Zündung, die auch magere Gemische zuverlässig entflammt.
• Wasserstoff: Sehr magerer Betrieb ist möglich und senkt die Stickoxidbildung. Die hohe Reaktivität von Wasserstoff stellt zugleich besondere Anforderungen an die Auslegung.
• Geometrie: Durchmesser, Anzahl und Anordnung der Bohrungen sowie das Vorkammervolumen bestimmen Strahlform, Mischung und Zündverhalten.
• CFD: Die Simulation macht sichtbar, warum sich eine geänderte Geometrie anders verhält – nicht nur, dass sie es tut.

Wie funktioniert eine Vorkammer­zündung?

Die Vorkammer ist ein kleiner Raum, der über mehrere Bohrungen mit dem Hauptbrennraum verbunden ist. Dort sitzt die Zündkerze. Nach der Zündung steigt der Druck in der Vorkammer, und heisse Gase strömen als Strahlen durch die Bohrungen in den Hauptbrennraum. Anstelle eines einzelnen Zündpunkts entstehen so mehrere Zündorte, und die Verbrennung erfasst den Brennraum schneller.

Man unterscheidet zwei Bauarten:

• Passive Vorkammer: Sie hat keine eigene Kraftstoffzufuhr. Das Gemisch strömt während der Verdichtung aus dem Hauptbrennraum in die Vorkammer.
• Aktive oder gespülte Vorkammer: Sie erhält zusätzlich eigenen Kraftstoff. Das Gemisch in der Vorkammer lässt sich so unabhängig vom Hauptbrennraum einstellen.

Vorkammerzündungen werden seit Langem in grossen Gasmotoren eingesetzt, um magere Gemische sicher zu zünden.

Warum ist die Vorkammer­zündung für Wasserstoff­motoren interessant?

Wasserstoff lässt sich in einem weiten Mischungsbereich entzünden, auch in sehr mageren Gemischen. Magerer Betrieb senkt die Verbrennungstemperatur und damit die Bildung von Stickoxiden, dem wichtigsten Schadstoff des Wasserstoff-Verbrennungsmotors. Eine Vorkammer liefert dafür eine kräftige Zündquelle.

Gleichzeitig verbrennt Wasserstoff mit deutlich höherer Flammengeschwindigkeit als herkömmliche Kraftstoffe und lässt sich schon mit sehr wenig Energie entzünden. Unerwünschte Zündungen an heissen Stellen müssen deshalb vermieden werden. Wie sich Wasserstoff in der Vorkammer verteilt und wo sich lokal fette oder magere Zonen bilden, wird damit zur zentralen Auslegungsfrage. Mehr zum Hintergrund lesen Sie in unserem Beitrag zur Wasserstoffmotor-Konferenz 2026.

Kleine Geometrie­änderung, grosse Wirkung

Die Grösse oder Anordnung einiger Bohrungen zu ändern, wirkt auf den ersten Blick wie eine kleine Konstruktionsänderung. Strömungstechnisch kann sie das gerade nicht sein. Das zeigt sich aktuell auch in einem unserer CFD-Projekte. Eine geänderte Geometrie kann:

• eine völlig andere Strahlstruktur erzeugen, etwa einen ausgeprägten Einzelstrahl statt mehrerer gleichmässig verteilter Strahlen,
• Rezirkulationszonen in der Vorkammer verschieben oder auflösen,
• die Mischung und damit lokale Konzentrationsunterschiede im Gemisch verändern,
• Zündung, Verbrennungsstabilität und die Schwankungen von Arbeitsspiel zu Arbeitsspiel beeinflussen.

Welche Geometriegrössen dabei typischerweise untersucht werden:

• Durchmesser, Anzahl und Neigung der Bohrungen,
• Volumen und Form der Vorkammer,
• Lage der Zündkerze,
• bei aktiven Vorkammern Ort und Menge der Kraftstoffeinbringung.

Was macht die CFD-Simulation sichtbar?

Messungen am Motor, etwa der Zylinderdruckverlauf, zeigen, dass sich eine geänderte Vorkammer anders verhält. Die CFD-Simulation zeigt, warum. Geschwindigkeitsfelder, Gemischverteilung, lokale Gradienten und zeitlich veränderliche Strömungsstrukturen machen Zusammenhänge sichtbar, die sich aus integralen Messgrössen allein kaum ableiten lassen.

Für die Entwicklung heisst das: Varianten der Vorkammer lassen sich im Modell vergleichen, bevor Hardware gebaut wird. Messdaten wie Druckverläufe dienen dazu, die Berechnung abzugleichen. Wie ein Zündkonzept mit Messdaten abgeglichen wird, zeigt unsere CFD-Fallstudie zu Zündstrahlmotoren mit Methan und Ammoniak.

Und manchmal ist die Erkenntnis überraschend einfach: Eine kleine Änderung der Geometrie kann eine grosse Änderung der Physik bewirken. Deshalb gehört das Verständnis des Strömungsfelds in den Entwicklungsprozess – nicht erst dann, wenn ein Problem auftritt.

Häufige Fragen zur Vorkammer­zündung

Was ist eine Vorkammer­zündung?

Bei der Vorkammerzündung wird das Gemisch zunächst in einer kleinen Kammer gezündet, die über Bohrungen mit dem Hauptbrennraum verbunden ist. Durch die Bohrungen treten heisse Gas- und Flammenstrahlen in den Hauptbrennraum aus und entzünden das Gemisch dort an mehreren Stellen gleichzeitig.

Was ist der Unterschied zwischen aktiver und passiver Vorkammer?

Eine passive Vorkammer hat keine eigene Kraftstoffzufuhr: Das Gemisch gelangt während der Verdichtung aus dem Hauptbrennraum in die Vorkammer. Eine aktive, auch gespülte Vorkammer erhält zusätzlich eigenen Kraftstoff. So lässt sich das Gemisch in der Vorkammer unabhängig vom Hauptbrennraum einstellen.

Warum ist die Vorkammer­zündung für Wasserstoff­motoren interessant?

Wasserstoff lässt sich auch in sehr mageren Gemischen verbrennen. Magerer Betrieb senkt die Verbrennungstemperatur und damit die Stickoxidbildung. Die Vorkammer liefert eine kräftige Zündquelle, die auch magere Gemische zuverlässig entflammt.

Was kann CFD bei der Auslegung einer Vorkammer leisten?

Die CFD-Simulation zeigt Strömung, Gemischverteilung, Strahlausbildung und Verbrennung im Inneren von Vorkammer und Brennraum. So lassen sich Geometrievarianten wie Bohrungsdurchmesser, Anzahl und Anordnung der Bohrungen vergleichen, bevor Hardware gebaut wird.

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