Titel

Vorkammerzündkerze

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorkammerzündkerze mit verbesserten Zündeigenschaften und einer längeren Lebensdauer und insbesondere einem reduzierten Risiko einer Befunkung von Schweißnähten der Vorkammerzündkerze.

Vorkammerzündkerzen sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Eine Vorkammer der Vorkammerzündkerze wird dabei üblicherweise durch einen Gehäusebereich und eine Kappe definiert. Durch die Verwendung der Kappe kann jedoch das zündfähige Gemisch nicht direkt mit der Funkenstrecke in Berührung kommen und entzündet werden. Von daher sind üblicherweise in der Kappe sog. Kappenlöcher vorgesehen, welche sicherstellen sollen, dass ein zündfähiges Gemisch in die Vorkammer und insbesondere in den Zündspalt zwischen einer Mittelelektrode und einer Masseelektrode gelangt. Ein Problemkreis hierbei liegt jedoch darin begründet, dass Hersteller von Brennkraftmaschinen üblicherweise unterschiedliche Designs und Auslegungsbedingungen haben, insbesondere, was eine Position einer Vorkammerzündkerze zu einem Einspritzstrahl eines Brennstoffs betrifft. Daher muss insbesondere die Kappe der Vorkammerzündkerze exakt positioniert sein, um einen optimalen Gasaustausch innerhalb der Vorkammer zu erreichen. Hierbei ergibt sich häufig auch die Gefahr einer Befunkung von Schweißnähten der Vorkammerzündkerze, wenn die Lage der Kappe und damit der Gasaustausch zum Einbringen eines zündfähigen Gemischs nicht optimal ist. Hierdurch kann jedoch eine Lebensdauer der Vorkammerzündkerze signifikant reduziert werden.

Offenbarung der Erfindung Die erfindungsgemäße Vorkammerzündkerze mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass durch Einhaltung definierter Parameter von Bauteilen der Vorkammerzündkerze eine gezielte Strömung in der Vorkammer erzielt werden kann, welche zu einer besseren Entflammung in der Vorkammer führt. Insbesondere kann ein Funkenort gezielt von Schweißnähten oder dgl. weggerichtet werden, was die Lebensdauer der Vorkammerzündkerze signifikant verlängert. Auch kann erfindungsgemäß eine Zunahme einer Strömungsgeschwindigkeit innerhalb der Vorkammer realisiert werden, was zu einer turbulenteren Strömung in der Vorkammer und einer verbesserten Entflammung zum Zündzeitpunkt führt. Insbesondere kann die Zündfähigkeit durch eine stärkere Funkenauslenkung und eine dadurch resultierende Volumenvergrößerung zwischen Funken und entflammbarem Gemisch in der Vorkammer erreicht werden.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Vorkammerzündkerze ein Gehäuse, eine Mittelelektrode und eine Masseelektrode aufweist. Die Mittelelektrode und die Masseelektrode sind in einer Vorkammer angeordnet. Ferner umfasst die Vorkammerzündkerze einen Isolator sowie eine Kappe, welche die Vorkammer in Richtung eines Brennraums einer Brennkraftmaschine abschließt. Der Isolator weist einen seitlichen Wandbereich auf, welcher parallel zu einer Mittelachse X-X der Vorkammerzündkerze ist, einen im Wesentlichen senkrecht zur Mittelachse befindlichen Endbereich, an dem die Mittelelektrode angeordnet ist und insbesondere vorsteht, und einen den Wandbereich mit dem Endbereich verbindenden Verbindungsbereich auf. An einem Übergang zwischen dem seitlichen Wandbereich und dem Verbindungsbereich des Isolators ist ein erster Punkt K definiert. An einem Übergang zwischen dem Verbindungsbereich und dem Endbereich des Isolators ist ein zweiter Punkt M definiert. Ein dritter Punkt I ist an einem freien Ende der Mittelelektrode definiert, wobei der dritte Punkt I der Punkt am freien Ende der Mittelelektrode ist, der am weitesten entfernt von der Masseelektrode ist. Ein vierter Punkt P ist an einem freien Ende der Masseelektrode definiert. Der vierte Punkt P ist der Punkt am freien Ende der Masseelektrode, welcher am weitesten entfernt von der Mittelelektrode ist. Ferner ist eine erste Gerade Kl vorhanden, welche durch den ersten K und den dritten Punkt I verläuft. Eine zweite Gerade KP verläuft durch den ersten Punkt K und den vierten Punkt P. Zwischen der ersten und zweiten Gerade ist eine Winkelhalbierende W vorhanden. Eine dritte Gerade KM verläuft durch den ersten Punkt K und den zweiten Punkt M am Isolator. Ein Winkel a zwischen der Winkel halbierenden W und der dritten Gerade KM liegt dabei in einem Bereich von +20° < a < -20°. Somit liegt der Winkel a in einem Bereich von ± 20° um die Winkelhalbierende W. Durch Einhaltung dieser geometrischen Vorschriften kann somit eine stärkere Funkenauslenkung des Funkens zwischen Mittelelektrode und Masseelektrode erreicht werden, woraus eine Volumenvergrößerung zwischen dem Funken und dem zündfähigen Gemisch in der Vorkammer resultiert. Damit kann eine bessere Entflammung des zündfähigen Gemischs in der Vorkammer erreicht werden.

Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.

Vorzugsweise liegt der Winkel a in einem Bereich von +15° < a < -15° und weiter bevorzugt in einem Bereich von +10° < a < -10° und weiter bevorzugt in einem Bereich von +5° < a < -5° und beträgt insbesondere 0°. Besonders gute, sich ausdehnende Flammfronten innerhalb der Brennkammer werden erreicht, wenn die Winkelhalbierende W und die dritte Gerade KM zusammenfallen und der Winkel a somit 0° beträgt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist ein Abstand Q zwischen dem dritten Punkt I und dem vierten Punkt P in einem Bereich von 1 mm bis 3 mm und vorzugsweise in einem Bereich von 1,5 mm bis 2,5 mm.

Weiter bevorzugt weist die Vorkammerzündkerze mehrere Masseelektroden auf, wobei an jeder der Vielzahl von Masseelektroden jeweils ein vierter Punkt P vorhanden ist und die erfindungsgemäßen geometrischen Vorgaben für alle Masseelektroden bezüglich einer zentralen, mittigen Mittelelektrode erfüllt sind.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Masseelektrode einen zylindrischen Edelmetallpin auf, welcher das freie Ende der Masseelektrode definiert und/oder die Mittelelektrode weist einen zylindrischen Edelmetallpin auf, welcher das freie Ende der Mittelelektrode definiert.

Vorzugsweise ist der Verbindungsbereich am Isolator zwischen dem ersten

Punkt K und dem zweiten Punkt M im Schnitt eine Gerade und/oder eine konvexe Kurve und/oder eine konkave Kurve. Besonders bevorzugt beginnt der Verbindungsbereich dabei am Punkt K mit einer konkaven Kurve, welche an einem Wendepunk in eine konvexe Kurve übergeht und am Punkt M des Isolators, welcher am Übergang zwischen dem senkrecht zur Mittelachse X-X liegenden Endbereich und dem Verbindungsbereich liegt, endet.

Um eine noch bessere Strömungsführung in der Vorkammer zu erreichen, weist die Vorkammerzündkerze bevorzugt an einer Innenwand des Gehäuses ein Strömungsleitelement auf.

Das Strömungsleitelement ist vorzugsweise ein von der Innenwand radial nach Innen vorstehender Bereich, beispielsweise eine Materialanhäufung.

Das Strömungsleitelement ist vorzugsweise unterhalb der Masseelektrode angeordnet. Bei Vorsehen von mehreren Masseelektroden ist vorzugsweise unter jeder Masseelektrode ein Strömungsleitelement angeordnet.

Besonders bevorzugt endet das Strömungsleitelement an oder nahe einer Ebene E, die senkrecht zu einer Mittelachse X-X der Vorkammerzündkerze ist und durch den zweiten Punkt M am Isolator führt.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Strömungsleitelement eine Aussparung in der Innenwand des Gehäuses, vorzugsweise unterhalb der Masseelektrode. Die Aussparung ist dabei vorzugsweise auf Höhe des Verbindungsbereichs des Isolators ausgebildet und endet bevorzugt auf Höhe des ersten Punkts K. Vorzugsweise umfasst das Strömungsleitelement eine Materialanhäufung und eine Aussparung.

Die Vorkammerzündkerze weist vorzugsweise genau eine Mittelelektrode auf, welche in einer Mittelachse der Vorkammerzündkerze angeordnet ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist: Figur 1 eine schematische Schnittansicht einer Vorkammerzündkerze gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Figur 2 eine schematische Schnittansicht einer Vorkammerzündkerze gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und

Figur 3 eine schematische Schnittansicht einer Vorkammerzündkerze gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf Figur 1 eine Vorkammerzündkerze 1 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.

Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, umfasst die Vorkammerzündkerze 1 ein Gehäuse 2 und eine Kappe 6. Das Gehäuse 2 und die Kappe 6 definieren zusammen eine Vorkammer 5.

In der Kappe 6 sind mehrere Kappenlöcher 60 für einen Gasaustausch zwischen der Vorkammer 5 und einem Brennraum 11 vorgesehen.

Die Vorkammerzündkerze 1 umfasst ferner eine Mittelelektrode 3 und eine Masseelektrode 4. Die Mittelelektrode 3 ist in einer Mittelachse X-X der Vorkammerzündkerze angeordnet. Die Masseelektrode 4 ist in einem rechten Winkel zur Mittelelektrode 3 im Gehäuse angeordnet.

Die Mittelelektrode 3 umfasst einen zylindrischen Edelmetallpin 30, an welchem ein ebenes, flaches freies Ende 30a definiert ist. Die Masseelektrode 4 umfasst ebenfalls einen zylindrischen Edelmetallpin 40, an welchem ein ebenes, freies Ende 40a definiert ist.

Die Masseelektrode 4 ist im Gehäuse 2, beispielsweise mittels einer Schweißverbindung, fixiert.

Die Mittelelektrode 3 ist in einem Isolator 7 angeordnet, welcher das Gehäuse 2 und damit die Masseelektrode 4 elektrisch von der Mittelelektrode 3 isoliert. Die Mittelelektrode 3 ist in bekannter Weise mit einem elektrischen Anschluss der Vorkammerzündkerze (nicht gezeigt) verbunden.

Die Vorkammerzündkerze 1 ist somit unmittelbar am Brennraum 11 einer Brennkraftmaschine angeordnet. Durch die Verwendung der Kappe 6 kann ein zündfähiges Gemisch, welches sich im Brennraum 11 bildet, nicht unmittelbar mit einer Funkenstrecke zwischen der Mittelelektrode 3 und der Masseelektrode 4 in Kontakt kommen. Daher muss die Vorkammerzündkerze und insbesondere die Kappe 6 derart ausgerichtet werden, dass eine Gaströmung 10, welche in Figur 1 schematisch eingezeichnet ist, in die Vorkammer 5 und insbesondere in die Funkenstrecke zwischen Mittelelektrode und Masseelektrode reicht, um dort ein zündfähiges Gemisch bereitzustellen, wenn ein Zündfunke entsteht.

Wie weiter aus Figur 1 ersichtlich ist, weist der Isolator 7 einen seitlichen Wandbereich 70, einen stirnseitigen Endbereich 71 und einen Verbindungsbereich 72 auf, welcher den Wandbereich 70 mit dem Endbereich 71 verbindet. Im Schnitt ist der Verbindungsbereich 72 eine Gerade.

Unterschiedliche Ausführungen des Verbindungsbereichs können auch konkav sowie konvex ausfallen. Somit weist der Isolator 7 an seinem zur Vorkammer 5 gerichteten Ende im Wesentlichen die Form eines Kegelstumpfs auf.

Der seitliche Wandbereich 70 verläuft dabei parallel zu einer Innenwand 20 des Gehäuses 2. Somit sind die Innenwand 20 und der seitliche Wandbereich 70 zylindrisch ausgebildet. Alternativ liegt der Wandbereich 70 des Isolators direkt an der Innenwand 20 an.

Wie weiter aus Figur 1 ersichtlich ist, ist an einem Übergang zwischen dem seitlichen Wandbereich 70 und dem Verbindungsbereich 72 ein erster Punkt K definiert.

An einem Übergang zwischen dem Verbindungsbereich 72 und dem Endbereich 71 ist ein zweiter Punkt M definiert.

Ein dritter Punkt I ist an einem freien Ende der Mittelelektrode 3, genauer am zylindrischen Edelmetallpin 30 definiert, wobei der dritte Punkt I der am weitesten entfernte Punkt des freien Endes 30a der Mittelelektrode 3 von der Masseelektrode 4 ist. Ein vierter Punkt P ist an einem freien Ende 40a der Masseelektrode 4 definiert.

Der vierte Punkt P ist dabei am zylindrischen Edelmetallpin 40 an dessen freiem Ende 40a der Punkt, welcher am weitesten entfernt von der Mittelelektrode ist.

Weiterhin umfasst die Vorkammerzündkerze 1 eine erste Gerade Kl durch den ersten Punkt K und den dritten Punkt I.

Ferner ist eine zweite Gerade KP durch den ersten Punkt K und den vierten Punkt P definiert.

Weiterhin ist zwischen der ersten Gerade Kl und der zweiten Gerade KP eine Winkelhalbierende W.

Eine dritte Gerade KM verläuft durch den ersten Punkt K und den zweiten Punkt M am Isolator 7.

Ein Winkel a zwischen der Winkelhalbierenden W und der dritten Geraden KM am Isolator 7 liegt dabei vorzugsweise in einem Bereich von +20° < a < -20° und beträgt in diesem Ausführungsbeispiel 5°. Der Winkel a ist positiv, falls die Gerade KM zwischen den Punkten P und I verläuft.

Weiterhin ist ein Abstand Q zwischen dem dritten Punkt I an der Mittelelektrode und dem vierten Punkt P an der Masseelektrode definiert. Die Winkelhalbierende W schneidet den Abstand Q dabei in der Hälfte.

Wie in Figur 1 angedeutet, kann somit ein Funken 9, welcher zwischen der Mittelelektrode 3 und der Masseelektrode 4 erzeugt wird, eine Auslenkung aufgrund der Gaströmung 10 erfahren, welche in Richtung der Kappe 6 führt. Somit wird der Funke 9 nun durch die Gaströmung 10 von seinem Ursprungsort zwischen der Mittelelektrode 3 und der Masseelektrode 4, welche üblicherweise die kürzeste Entfernung zwischen Mittelelektrode 3 und Masseelektrode 4 ist, über die Brenndauer hinweg ausgelenkt. Durch die gezielte Gaströmung 10 resultiert auch eine Zunahme einer Strömungsgeschwindigkeit innerhalb der Vorkammer 5, was sich vorteilhaft auf die Beschleunigung der Verbrennung auswirkt, da dadurch eine höhere T urbulenz in der Vorkammer 5 erzeugt wird. Die Gasströmung 10 stellt dabei sicher, dass der Funken sich nicht in Richtung einer Schweißnaht, welche zwischen der Masseelektrode 4 und der Innenwand 20 des Gehäuses 2 vorhanden sein kann, ausbreitet. Dadurch wird eine Lebensdauer der Zündkerze signifikant verlängert.

Somit kann durch die gezielte Ausdehnung des Funkens 9 mittels der Gasströmung 10 eine Volumenvergrößerung der Flammfront in der Vorkammer 5 erreicht werden, was sich vorteilhaft auf die Entflammung innerhalb der Vorkammer 5 und dadurch auf die durch die Kappenlöcher 60 dann austretenden Fackelstrahlen zur Entflammung des entzündbaren Gemischs im Brennraum 11 auswirkt.

Figur 2 zeigt eine Vorkammerzündkerze 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel bezeichnet.

Wie aus Figur 2 ersichtlich ist, entspricht das zweite Ausführungsbeispiel im Wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel, wobei im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel beim zweiten Ausführungsbeispiel an der Innenwand 20 des Gehäuses 2 ein Strömungsleitelement 8 angeordnet ist. Das Strömungsleitelement 8 ist in diesem Ausführungsbeispiel eine Materialanhäufung 80. Das Strömungsleitelement 8 ist dabei unterhalb der Masseelektrode 4 angeordnet. Das Strömungsleitelement 8 ist dabei derart vorgesehen, dass es zwischen einer Ebene E, in welcher der Endbereich 71 des Isolators 7 liegt und der Masseelektrode 4 liegt. Dabei endet das Strömungsleitelement 8 an der Ebene E. Das Strömungsleitelement 8 ist dabei strömungsgünstig geformt, um eine Umlenkung der Gasströmung 10 in Richtung der Funkenstrecke zwischen Mittelelektrode 3 und Masseelektrode 4 zu erreichen. Dadurch kann eine noch gezieltere Führung der Gasströmung 10 erreicht werden.

Figur 3 zeigt eine Vorkammerzündkerze 1 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen bezeichnet.

Das dritte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem zweiten

Ausführungsbeispiel und weist ebenfalls ein Strömungsleitelement 8 auf. Das Strömungsleitelement 8 des dritten Ausführungsbeispiels ist jedoch eine Aussparung 81 an der Innenwand 20 des Gehäuses 2. Die Aussparung 81 ist wieder unterhalb der Masseelektrode 4 ausgebildet. Die Aussparung 81 hat ebenfalls die Funktion einer Umleitung der Gasströmung 10, um die Gasströmung 10 in verbesserter Weise in den Zündspalt zwischen Mittelelektrode 3 und Masseelektrode 4 umzulenken. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel dem zweiten Ausführungsbeispiel, so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.