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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kammerdeckel für eine Vorkammer-Zündkerze für Brennkraftmaschinen und Zündkerzen mit einem solchen Kammerdeckel.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die Aussagen in diesem Abschnitt sind lediglich als Hintergrundinformation, die sich auf die vorliegende Offenbarung beziehen, vorgesehen und sollen keinen Stand der Technik bilden. Zündkerzen werden seit langer Zeit als Zündungsmittel für Brennkraftmaschinen von motorisierten Fahrzeugen oder dergleichen verwendet. Die Zündkerze umfasst typischerweise eine Mittelelektrode und eine Masseelektrode, zwischen denen ein Funkenspalt vorgesehen ist. Durch Anlegen einer hohen Spannung an der Mittelelektrode und der Masseelektrode findet eine Funkenentladung in dem Funkenspalt statt, wodurch ein Flammenkern zwischen der Mittelelektrode und der Masseelektrode erzeugt wird. Wenn sich die Flamme ausbreitet, entzündet sich ein Luft-Kraftstoff-Gemisch innerhalb der Brennkammer der Maschine.
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In den letzten Jahren sind aufgrund ansteigender Anforderungen nach niedrigen Emissionen und hoher Effizienz Verbesserungen gemacht worden, um diesen Verbrennungsprozess besser zu steuern. Beispielsweise durch Verkapseln der Zündkerze ist es möglich, ein Mischen von Kraftstoff und Luft, sowie ein Steuern einer Zündung der Kerze zu verbessern. In einer solchen Anordnung kann die Zündkerze jedoch einer erhöhten Temperaturumgebung ausgesetzt sein, wodurch die Lebensdauer tendenziell verringert wird. Ansätze zum Lösen dieser Probleme umfassen ein Isolieren der Elektroden voneinander, wie es in dem U. S. Patent
US 6 460 506 B1 offenbart ist, das am 8. Oktober 2002 erteilt wurde. Allerdings gibt es selbst beim Einsatz einer solchen Ausgestaltung der Zündkerze immer noch Möglichkeiten, um die Wärmeübertragung zwischen dem Kammerdeckel und der umliegenden Umgebung zu verringern.
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Die
JP 2007-138 909 A beschreibt eine Zündkerze mit einer Vorkammer, die eine äußere und eine innere Wand aufweist. Die äußere Wand weist eine höhere thermische Leitfähigkeit als die innere Wand auf, um ein unerwartetes Entzünden an einer erwärmten Oberfläche am Ende der Vorkammer während eines Hochlastbetriebs zu verhindern.
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Die
DE 10 2009 000 956 A1 offenbart eine Laserzündkerze und ein Vorkammermodul aus einem Kupferverbundwerkstoff, das mit der Laserzündkerze verbunden werden kann.
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Die
JP 2007-100 612 A lehrt eine Hilfskammer, in deren Wand ein Volumenabschnitt vorgesehen ist, in dem ein Wärmeübertragungsmedium aufgenommen ist, um eine Kühlung eines Endabschnitts der Hilfskammer zu verbessern.
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KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
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Dieser Abschnitt bietet eine allgemeine Zusammenfassung der Offenbarung und ist keine umfassende Offenbarung des vollen Umfangs oder aller Merkmale.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Aufbau zu schaffen, der eine längere Lebensdauer einer Zündkerze in einer erhöhten Temperaturumgebung erwarten lasst.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Kammerdeckel gemäß Anspruch 1 gelöst und mit Zündkerzen gemäß den Ansprüchen 9 und 10, die einen solchen Kammerdeckel aufweisen. Der Kammerdeckel, der an einem Zündkerzengehäuse gesichert ist, zeichnet sich insbesondere aus durch: eine innere Schicht und eine äußere Schicht, die aus einem Material gebildet sind; eine Kernschicht, die zwischen der inneren und äußeren Schicht angeordnet ist, wobei die Kernschicht aus einem Legierungsmaterial ausgebildet ist, das eine höhere thermische Leitfähigkeit als diejenige des Materials der inneren Schicht und der äußeren Schicht aufweist; eine Mehrzahl von Durchlässen, die sich von der inneren Schicht durch die Kernschicht zu der äußeren Schicht erstrecken; und eine Mehrzahl von Hülsen, die innerhalb der Mehrzahl von Durchlässen fixiert gehalten sind.
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Die Erfindung sieht somit erstmals einen Kammerdeckel vor, der durch eine Kernschicht mit einer höheren thermischen Leitfähigkeit als derjenigen in einer inneren und einer äußeren Schicht schnell abkühlt, wenn der Kammerdeckel Wärme an ein Gehäuse und in einen Wassermantel ableitet.
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Weitere Anwendungsgebiete werden aus der hier bereitgestellten Beschreibung ersichtlich. Die Beschreibung und bestimmte Beispiele in dieser Kurzfassung dienen lediglich zum Zwecke der Darstellung und sind nicht dazu vorgesehen, den Umfang der vorliegenden Offenbarung zu beschränken.
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ZEICHNUNGEN
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Die nachstehend beschriebenen Zeichnungen sind lediglich zu darstellenden Zwecken der ausgewählten Ausführungsformen und nicht aller möglichen Umsetzungen gedacht und sind nicht dazu vorgesehen, den Umfang der vorliegenden Offenbarung zu beschränken.
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1 ist ein Teil einer Schnittansicht eines Direkteinspritzungs-Maschinenzylinders mit einer Vorkammer-Zündkerze;
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2 ist ein Teil einer Schnittansicht der Vorkammer-Zündkerze aus 1;
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3 ist eine vergrößerte Schnittansicht eines Kammerdeckels für eine Vorkammer-Zündkerze;
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4 ist eine Vergleichsansicht eines Temperaturunterschieds zwischen einer Zündkerze aus dem Stand der Technik und einer Zündkerze mit einem Kammerdeckel, der einen Aufbau erfindungsgemäßer Schichten veranschaulicht;
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5 ist eine vergrößerte Schnittansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kammerdeckels für die Vorkammer-Zündkerze; und
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6 ist eine vergrößerte Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kammerdeckels für die Vorkammer-Zündkerze.
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Entsprechende Bezugszeichen zeigen in den diversen Ansichten der Zeichnungen durchwegs entsprechende Bauteile an.
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AUSFÜHRÜLICHE BESCHREIBUNG
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Die beispielhaften Ausführungsformen werden nachstehend mit Bezug auf die 1–6 der begleitenden Zeichnungen ausführlicher beschrieben. Es ist verständlich, dass in den Zeichnungen entsprechende Bezugszeichen durchwegs gleiche oder entsprechende Bauteile und Merkmale anzeigen. Beispielhafte Ausführungsformen sind dazu vorgesehen, dass diese Offenbarung eingehend ist und dem Fachmann den Umfang vollständig übermittelt. Zahlreiche spezifische Einzelheiten wie Beispiele von spezifischen Bauteilen, Vorrichtungen und Verfahren werden hierbei vorangestellt, um ein eingehendes Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung vorzusehen. Es ergibt sich für den Fachmann, dass spezifische Einzelheiten nicht eingesetzt werden müssen, dass beispielgebende Ausführungsformen in vielen verschiedenen Formen ausgeführt werden können, und dass diese nicht dazu ausgelegt werden sollen, den Umfang der Offenbarung zu beschränken. In einigen beispielgebenden Ausführungsformen werden bekannte Prozesse, bekannte Vorrichtungsaufbauten und bekannte Technologien nicht ausführlich beschrieben.
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Mit Bezug auf 1 kann in einem herkömmlichen Aufbau wenigstens eine Zündkerze 10 in jedem Zylinder 12 einer Brennkraftmaschine 14 eines motorisierten Fahrzeugs, einem Blockheizkraftsystem oder einer Gasdruckeinspeisepumpe angeordnet sein. Die Zündkerze 10 kann als Zündungsmittel zum Zünden einer Verbrennung innerhalb der Brennkammer 16 verwendet werden. Der Zylinder 12 ist typischerweise in einem Maschinenblock 18 eingebunden, der ein Eisen- oder ein Aluminiumlegierungsguss sein kann. Die Zündkerze 10 kann an einem oberen Abschnitt 20 des Maschinenblocks 18 durch bekannte Mittel positioniert sein. Zum Beispiel kann der Maschinenblock 18 eine Gewindebohrung (nicht dargestellt) zur lösbaren Aufnahme der Zündkerze 10 aufweisen.
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Der Zylinder 12 kann eine Mehrzahl von Öffnungen 22 zum Aufnehmen eines Kraftstoffinjektors 24, wenigstens einem Einlassventil 26 und wenigstens einem Auslassventil 28 aufweisen. Im Betrieb öffnen sich der Kraftstoffinjektor 24 und das Einlassventil 26, um ein Eintreten einer Menge von Luft und Kraftstoff 30 in die Brennkammer 16 in einem bestimmten Verhältnis zu ermöglichen. Ein Kolben 32, der innerhalb des Zylinders 12 positioniert ist, bewegt sich nach oben, um das Luft-Kraftstoff-Gemisch zu komprimieren. Anschließend wird eine Spannung an der Zündkerze 10 angelegt, welche das komprimierte Luft-Kraftstoff-Gemisch entzündet. Schließlich wird das Auslassventil 28 geöffnet, um die Nebenprodukte der Verbrennung auszustoßen.
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Mit Bezug auf 2 kann eine herkömmliche Zündkerze 10 ein zylindrisches Metallgehäuse 40, eine Mehrzahl von Montagegewinden 42 an einem unteren Abschnitt 44 des Gehäuses 40, einen Isolator 46, der von einem oberen Bereich 48 des Gehäuses 40 nach außen hervorsteht, sowie einen Kammerdeckel 50, der an dem unteren Abschnitt 44 des Gehäuses 40 gesichert ist, aufweisen. Das Gehäuse 40 kann aus einem elektrisch leitenden Stahl (zum Beispiel einem kohlenstoffarmen Stahl) gefertigt sein, um dem Drehmoment zum Anziehen der Zündkerze 10 in dem Maschinenblock 18 zu widerstehen, überschüssige Wärme von der Zündkerze 10 zu entfernen und die überschüssige Wärme auf den Maschinenblock 18 zu verteilen. Die Montagegewinde 42 können zur Befestigung im Maschinenblock 18 um eine äußere Oberfläche des Gehäuses 40 herum ausgebildet sein. Der Isolator 46 kann aus einem Porzellanmaterial (zum Beispiel einer Aluminiumkeramik) sein, dass innerhalb des Gehäuses 40 entlang einer Mittelachse Y fixiert und koaxial gestützt ist. Der Isolator 46 kann ein entferntes Ende 52, das sich von dem oberen Abschnitt 48 des Gehäuses 40 erstreckt, sowie ein nahes Ende 54, das sich durch die Montagegewinde 42 erstreckt, umfassen. Die Länge des Isolators 46 kann verändert werden, um in Bezug auf eine Maschinenausgestaltung eine angemessene Länge für die Zündkerze 10 vorzusehen, sodass dieser für einen Service leichter zugänglich ist.
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Der Isolator 46 kann ebenso eine Mittelelektrode 60 in einen elektrisch isolierten Zustand fixiert halten. Die Mittelelektrode 60 kann sich von dem nahen Ende 54 des Isolators 46 erstrecken. Eine Masseelektrode 62 kann in einer vorbestimmten Entfernung (zum Beispiel 0,5–1,0 mm) von der Mittelelektrode 36 angeordnet sein. Die Masseelektrode 62 kann einen rechteckigen säulenförmigen Aufbau mit einem fixierten Ende 64 haben, das an dem Gehäuse 40 durch Schweißen gesichert ist. Eine Elektrodenspitze 66 kann an einem freien Ende 68 der Masseelektrode 62 gesichert sein. Die Elektrodenspitze 66 kann durch einen Funkenspalt 72 in einem gegenübergestellten (zum Beispiel gegenüberliegenden) Verhältnis zu einem ersten Ende 70 der Mittelelektrode 60 angeordnet sein.
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Der Kammerdeckel 50 kann an dem unteren Abschnitt 44 des Gehäuses 40 durch eine Schweißnaht 74 gesichert sein. Die Schweißnaht 74 kann sich umfänglich um den Kammerdeckel 50 an dem unteren Abschnitt 44 des Gehäuses 40 erstrecken, so dass der Kammerdeckel 50 an dem Gehäuse 40 fixiert gesichert ist. Die Schweißnaht 74 kann durch einen beliebigen bekannten Schweißprozess (z. B. Laserschweißen) geschaffen werden. Ein Material für die Schweißnaht 74 wird so gewählt, dass es den Kräften, die im Wesentlichen während dem Verbrennungsprozess ausgeübt werden, widersteht. Der Kammerdeckel 50 kann verwendet werden, um die Mittel- und die Masseelektrode 60, 62 von Verwirbelungen in der Brennkammer 16 zu trennen. Der Kammerdeckel 50 kann aus einem herkömmlichen Material (z. B. einer Nickellegierung) ausgebildet sein. Obwohl der Kammerdeckel 50 als eine Schutzvorrichtung der Mittel- und Masseelektrode 60, 62 beschrieben ist, kann der Kammerdeckel 50 ebenso dazu dienen, eine Zündungskammer 76 für eine gesteuerte Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemischs einzurichten. Als ein solcher kann der Kammerdeckel 50 eine Mehrzahl von Durchlässen 78 umfassen, um dem Luft-Kraftstoff-Gemisch zu ermöglichen, von der Brennkammer 16 in die Zündungskammer 76 einzutreten. Insbesondere verhalten sich die Durchlässe 78 ebenso als Kanalwege für Nebenprodukte des Verbrennungsprozesses zum Austreten aus dem Kammerdeckel 50.
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Nachstehend wird ein Betrieb der Zündkerze 10 mit Bezug auf die 1 und 2 beschrieben. Der Kraftstoffinjektor 24 und das Einlassventil 26 werden geöffnet, um der Brennkammer 16 ein bestimmtes Luft-Kratstoffverhältnis zuzuführen. Das Luft-Kraftstoff-Gemisch wird während dem Einlasstakt des Kolbens 32 durch die Durchlässe 78 in den Kammerdeckel 50 eingepresst. Anschließend wird eine Spannung über die Mittelelektrode 60 und die Elektrodenspitze 66 der Masseelektrode 62 angelegt, die einen Plasmalichtbogen in dem Funkenspalt 72 schafft. Diese Funkenentladung entzündet das Luft-Kraftstoff-Gemisch, was einen Flammenkern zwischen der Mittel- und der Masseelektrode 60, 62 einleitet. Der Flammenkern stößt anschließend während dem Verbrennungstakt des Kolbens 32 aus den Durchlässen 78 heraus, wodurch einzelne Zündbrenner geschaffen werden, die spezifisch um den Kammerdeckel 50 gestreut sind.
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Mit Bezug auf 3 wird ein Kammerdeckel 150 gezeigt, der mit einem herkömmlichen Kammerdeckel aus 2 ähnlich ist, jedoch einen Aufbau erfindungsgemäßer Schichten veranschaulicht. Der Kammerdeckel 150 ist durch eine Schweißnaht 174 an einem Gehäuse 140 gesichert ist. Die Schweißnaht 174 kann durch einen beliebigen bekannten Schweißprozess geschaffen werden und kann sich umfänglich um den Kammerdeckel 150 an dem Gehäuse 140 erstrecken, wie vorstehend beschrieben. Der Kammerdeckel 150 kann ein laminierter Aufbau mit einer inneren Schicht 180, einer Kernschicht 182 und einer äußeren Schicht 184 sein. Eine Mehrzahl von Durchlässen 178 kann sich von der inneren Schicht 180 zu der äußeren Schicht 184 erstrecken, so dass diese die Kernschicht 182 durchdringen, um zu ermöglichen, dass das Luft-Kraftstoff-Gemisch von der Brennkammer 16 in die Zündungskammer 176 eintritt. Insbesondere verhalten sich die Durchlässe 178 ebenso als Kanalwege für Nebenprodukte des Verbrennungsprozesses zum Austreten aus dem Kammerdeckel 150. Die innere und äußere Schicht 180, 184 kann aus einem herkömmlichen Legierungsmaterial (z. B. Nickel) ausgebildet sein, wohingegen die Kernschicht 182 aus einem Legierungsmaterial ausgebildet sein kann, das eine höhere thermische Leitfähigkeit aufweist (z. B. Kupfer). Auf diese Weise kann sich der Kammerdeckel 150 schnell abkühlen, wenn der Kammerdeckel 150 Wärme an das Gehäuse 140 und in den Wassermantel (nicht dargestellt) ableitet.
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Der Kammerdeckel 150 mit dem Aufbau erfindungsgemäßer Schichten kann ebenso dazu dienen, eine Zündungskammer 176 für eine gesteuerte Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemischs einzurichten. Wie zuvor mit Bezug auf die Zündkerze 10 beschrieben wurde, wird das Luft-Kraftstoff-Gemisch durch die Durchlässe 178 in den Kammerdeckel 150 eingepresst. Nach einer Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemischs stößt der Flammenkern aus den Durchlässen 178 heraus, wodurch einzelne Zündbrenner um den Kammerdeckel 150 geschaffen werden.
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Die Temperaturabweichung zwischen dem herkömmlichen Kammerdeckel 50 und dem Kammerdeckel 150 mit dem Aufbau erfindungsgemäßer Schichten wird mit Bezug auf 4 beschrieben. Wie ersichtlich ist, kennzeichnet ein Temperaturwert T1 eine Temperatur außerhalb des Kammerdeckels 50 (z. B. in der Brennkammer 16), wohingegen T1' eine Temperatur außerhalb des Kammerdeckels 150 kennzeichnet. In ähnlicher Weise kennzeichnet ein Temperaturwert T2 eine Temperatur innerhalb des Kammerdeckels (z. B. in der Zündungskammer 76), wohingegen T2' eine Temperatur innerhalb des Kammerdeckels 150 (z. B. in der Zündungskammer 176) kennzeichnet. In gleicher Weise kennzeichnet ein Temperaturwert T3 eine Temperatur direkt von dem Kammerdeckel 50, wohingegen T3' eine Temperatur des Kammerdeckels 150 kennzeichnet. T1 + T2 + T3 > T1' + T2' + T3'
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Allerdings sind die Effekte der Temperaturverringerung von T1' und T2' durch das höhere thermisch leitfähige Material an der Kernschicht 182 vernachlässigbar. Daher heben sich diese Werte gegenseitig auf, womit verbleibt: T3 > T3'
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Diese Temperaturverringerung führt zu einer längeren Lebenserwartung derjenigen Zündkerze 10, die den Kammerdeckel 150 mit dem Aufbau erfindungsgemäßer Schichten aufweist.
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(1. Ausführungsform)
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Mit Bezug auf 5 wird eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kammerdeckels 250, der dem Kammerdeckel 150 zur Veranschaulichung erfindungsgemäßer Schichten aus 3 ähnlich ist, gezeigt, der durch eine Schweißnaht 274 an einem Gehäuse 240 gesichert ist. Wie zuvor beschrieben, kann die Schweißnaht 274 durch einen beliebigen bekannten Schweißprozess geschaffen werden und sich umfänglich um den Kammerdeckel 250 an dem Gehäuse 240 erstrecken. Der Kammerdeckel 250 weist ebenso den erfindungsgemäßen laminierten Aufbau mit einer inneren Schicht 280, einer Kernschicht 282 und einer äußeren Schicht 284 auf. Der Kammerdeckel 250 weist eine Mehrzahl von Durchlässen 278 auf, die sich von der inneren Schicht 280 zu der äußeren Schicht 284 erstrecken, um zu ermöglichen, dass das Luft-Kraftstoff-Gemisch von der Brennkammer 16 in die Zündungskammer 276 eintritt, und um zu ermöglichen, dass Nebenprodukte des Verbrennungsprozesses aus dem Kammerdeckel 250 austreten. Die innere und äußere Schicht 280, 284 kann aus einem herkömmlichen Material (z. B. Nickel) ausgebildet sein, wohingegen die Kernschicht 182 aus einem Material ausgebildet ist, das eine höhere thermische Leitfähigkeit (z. B. Kupfer) aufweist, um eine Abkühlzeit für den Kammerdeckel 250 zu verbessern. Allerdings können bestimmte Materialien für die Kernschicht 182 einer Oxidation aufgrund der Umgebung in der Zündungskammer 276 unterliegen.
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Demzufolge weist der Kammerdeckel 250 der ersten Ausführungsform ferner erfindungsgemäß eine Mehrzahl von Hülsen 290 auf, die innerhalb der Mehrzahl von Durchlässen 278 gesichert sind. Die Hülsen 290 werden verwendet, um eine Oxidation der Kernschicht 282 zu verhindern. Die Hülsen 290 können aus einem Metall (z. B. Aluminium) ausgebildet sein und sie können innerhalb der Durchlasse 278 durch einen Schweißprozess (z. B. Laserschweißen) gesichert sein. Die Schweißraupe kann sich sowohl an dem Umfang der Hülse 290 entlang an einer Schnittstelle zwischen der Hülse 290 und der inneren Schicht 280, als auch zwischen der Hülse 290 und der äußeren Schicht 284 erstrecken. Auf diese Weise ist die Kernschicht 282 geschützt, wenn das Luft-Kraftstoff-Gemisch durch die Durchlässe 278 in den Kammerdeckel 250 eingepresst wird, und wenn der Flammenkern aus den Durchlässen 278 heraus stößt.
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(2. Ausführungsform)
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Mit Bezug auf 6 wird nachstehend eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kammerdeckels 350, welcher der ersten Ausführungsform aus 5 ähnlich ist, gezeigt, der durch eine Schweißnaht 374 an einem Gehäuse 340 gesichert ist. In annähernd jeder Hinsicht ist der Kammerdeckel 350 mit dem Kammerdeckel 250 ähnlich (z. B. umfasst er eine Mehrzahl von Durchlässen 378, eine innere Schicht 380, eine Kernschicht 382 und eine äußere Sicht 384), und wird daher hier nicht ausführlich beschrieben. Allerdings umfasst der Kammerdeckel 350 der zweiten Ausführungsform eine Mehrzahl von Presspassungen 390 anstelle der Mehrzahl von Hülsen 290. Die Presspassungen 390 können in ähnlicher Weise verwendet werden, um eine Oxidation der Kernschicht 382 zu verhindern. Die Presspassungen 390 können aus einem Metall (z. B. Aluminium) ausgebildet sein und durch einen Presspassungsvorgang innerhalb der Durchlässe 378 gesichert sein. Auf diese Weise wird die Kernschicht 382 geschützt, wenn das Luft-Kraftstoff-Gemisch durch die Durchlässe 378 in den Kammerdeckel 350 eingepresst wird, und wenn der Flammenkern aus den Durchlässen 378 heraus stößt. Obwohl beschrieben ist, dass die Presspassungen 390 aus einem metallischen Material ausgebildet sind, sollte verständlich sein, dass ein beliebiges Material verwendet werden kann, das der hohen Temperaturumgebung der Zündungskammer 376 widerstehen kann. Die Funktion der Presspassung 390 kann mit der Funktion der Hülse 290 gleichwertig sein.
