DE102012102731B4

DE102012102731B4 - Vorkammerzündkerzenanordnung und Verfahren zur Erleichterung der Verbrennung in einer Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102012102731B4
Application number: DE102012102731.5A
Authority: DE
Inventors: Domenico Chiera; David C. Petruska; Gregory James Hampson
Original assignee: Woodward Inc
Current assignee: Woodward Inc
Priority date: 2012-01-10
Filing date: 2012-03-29
Publication date: 2019-08-29
Anticipated expiration: 2032-03-30
Also published as: JP2013143371A; JP6196695B2; JP5988628B2; JP2016146348A; DE102012102731A1

Abstract

Vorkammerzündkerzenanordnung (300), welche umfasst:
eine Vorkammer (304) und eine Zündkerze (306), welche innerhalb der Vorkammer (304) angeordnet ist;
einen Mantel (334);
eine Endkappe (340) des Mantels (334), die mehrere Belüftungslöcher (324) aufweist;
einen Isolator (312), der innerhalb des Mantels (334) angeordnet ist;
eine Mittelelektrode (310), die von dem Isolator (312) koaxial umgeben ist und sich in die Vorkammer (304) hinein erstreckt, wobei die Vorkammer (304) durch den Mantel (334) und die Endkappe (340) definiert ist; und eine Masseelektrode (308), die an dem Isolator (312) befestigt ist und ein distales Ende der Mittelelektrode (310) umgibt und umfasst:
einen rohrförmigen Innenring, der in einer die Mittelelektrode (310) umgebenden Position und von dieser beabstandet angeordnet ist, und
eine radial bezüglich des rohrförmigen Innenrings versetzte Umfangsverlängerung, die sich axial über das distale Ende der Mittelelektrode (310) hinaus erstreckt und einen aerodynamischen Nasenkegel bildet, wobei der aerodynamische Nasenkegel an der Masseelektrode (308) befestigt ist, um eine aerodynamische Stauvorrichtung zu bilden.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft allgemein Zündkerzen für Verbrennungskraftmaschinen und spezieller Zündkerzen mit einer Vorbrennkammer oder Vorkammer sowie Verfahren zur Erleichterung der Verbrennung in einer Verbrennungskraftmaschine.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Motoren, die mit gasförmigen Kraftstoffen wie etwa Erdgas betrieben werden, werden gewöhnlich mit einem mageren Kraftstoffgemisch versorgt, welches ein Gemisch von Luft und Kraftstoff ist, das einen Überschuss an Luft gegenüber demjenigen, welches „chemisch korrekt“ oder stöchiometrisch ist, enthält. Das magere Kraftstoffgemisch hat oft eine schlechte Verbrennung wie Fehlzündungen, unvollständige Verbrennung und schlechte Kraftstoffwirtschaftlichkeit zur Folge, und oft führen Bemühungen, die Verbrennung zu verbessern, zu einem Klopfen oder zur Verwendung von Hochenergiefunken, welche zu einer kurzen Lebensdauer der Zündkerzen führt. Ein Faktor, welcher zu solchen Ereignissen führen kann, ist die geringe Fähigkeit herkömmlicher Zündkerzen, ein mageres Kraftstoffgemisch im Zylinder des laufenden Motors effizient und konsistent zu zünden. Eine effizientere Verbrennung von mageren Kraftstoffgemischen kann bei Verwendung einer Vorbrennkammer oder Vorkammer erreicht werden.
Vorkammerzündkerzen werden typischerweise verwendet, um die unteren („mageren“) Entflammbarkeitsgrenzen in Magermotoren wie etwa Erdgas-Magermotoren oder Magerbenzinmotoren von Kraftfahrzeugen zu verbessern. Bei bekannten Vorkammerzündkerzen, wie etwa der Vorkammerzündkerze, die in der US-Patentschrift Nr. US 5 554 908 A offenbart ist, ist die Funkenstrecke in einem Hohlraum mit einem Volumen eingeschlossen, welches einen relativ kleinen Bruchteil des gesamten des Motorzylinderhubraums darstellen kann. Bei einigen Ausführungsformen ist ein Abschnitt des Hohlraums als eine Kuppel ausgebildet und weist verschiedene tangentiale Einlass-/Auslasslöcher auf. Während des Betriebs, wenn sich der Motorkolben während des Verdichtungstaktes nach oben bewegt, wird Luft-Kraftstoff-Gemisch durch die Einlasslöcher in die Vorkammer gepresst. Die Ausrichtung der Löcher kann die Bewegung des Luft-Kraftstoff-Gemisches im Inneren des Vorkammerraums und den reagierenden Strahl beim Austritt aus der Vorkammer bestimmen.
Wenn die Brenngeschwindigkeit des Luft-Kraftstoff-Gemisches im Vorkammerraum erhöht wird, sind das Ergebnis tiefer in die Brennkammer des Motors eindringende Fackelstrahlen (flame jets). Diese Fackelstrahlen verbessern die Fähigkeit des Motors, eine schnellere und reproduzierbare Flammenausbreitung in der Brennkammer des Motors bei magereren Luft-Kraftstoff-Gemischen zu erreichen. Viele herkömmliche Vorkammerzündkerzen weisen nicht reproduzierbare und nicht vorhersagbare Leistungsmerkmale auf, welche zu einem Variationskoeffizienten, der höher als gewünscht ist, und zu Fehlzündungen führen können, was ein Maß für die Rauheit darstellt. Ferner sind viele herkömmliche Vorkammerzündkerzen empfindlich gegenüber Fertigungsschwankungen und weisen eine schlechte Abgasspülung auf, was ebenfalls zu einem erhöhten Variationskoeffizienten führt.
Eine der Herausforderungen bei der Entwicklung von Zündkerzen ist es, eine Zündkerze zu schaffen, die in der Lage ist, eine reproduzierbare und steuerbare Zündverzögerungszeit während des Verbrennungsprozesses zu erreichen, trotz der Tatsache, dass in Verbrennungskraftmaschinen die frische Ladung gewöhnlich in vielerlei Hinsicht (z.B. Äquivalenzverhältnis, Turbulenz, Temperatur, Restabgase) nicht homogen oder von Zyklus zu Zyklus reproduzierbar sein wird. Es ist außerdem wünschenswert, über eine Zündkerze zu verfügen, welche relativ unempfindlich gegenüber Schwankungen in der Fertigung oder bei Komponenten oder beim Zusammenbau derselben ist.
Eine weitere Herausforderung bei der Entwicklung von Zündkerzen ist der vorzeitige Verschleiß von Zündkerzen. Typischerweise wird ein vorzeitiger Verschleiß von Zündkerzen durch eine hohe Verbrennungstemperatur des stöchiometrischen Gemisches verursacht. Es ist nicht ungewöhnlich, dass eine Zündkerze bei Anwendungen in Motoren mit hohem effektivem Mitteldruck (Brake Mean Effective Pressure, BMEP) nur 800 bis 1000 Stunden arbeitet, bevor sie gewechselt werden muss. Dies kann zu außerplanmäßigen Stillstandszeiten für den Motor und daher zu erhöhten Betriebskosten für den Betreiber des Motors führen.
Ausführungsformen der Erfindung stellen eine Zündkerze, welche Fackelstrahlen von hoher Geschwindigkeit erzeugt, mit sehr niedrigem Variationskoeffizient und langer Betriebslebensdauer bereit - ihre Vorteile bestehen in einer schnelleren Verbrennung in der Hauptkammer, die zu verbesserten Kompromissen zwischen NOx und Kraftstoffverbrauch (oder Wirkungsgrad) führt. Diese und weitere Vorteile der Erfindung sowie zusätzliche erfinderische Merkmale werden aus der hier gegebenen Beschreibung der Erfindung ersichtlich. Ferner offenbart DE 10 2010 004 851 A1 eine Zündkerze für eine mit Gas befeuerte Brennkraftmaschine. Entsprechend der Figuren und der dazugehörigen Beschreibung umfasst die dargestellte Zündkerze eine Kappe mit einer einzigen zentralen Bohrung. Weiterhin beinhaltet die Zündkerze eine Mittelelektrode und eine Masseelektrode. Gemäß der Ausführungsform aus 3 ist die Masseelektrode am metallischen Körper und nicht am Isolator befestigt. Weiterhin ist die Masseelektrode konisch ausgebildet, mit einer Art Endring, der die Mittelelektrode umgibt und marginal über das distale Ende dieser hinaussteht. EP 1 701 419 A1 offenbart eine Vorkammerzündkerze für Verbrennungsmaschinen mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode sowie einem Isolator. Außerdem umfasst die Zündkerze ein kappenähnliches Bauteil mit mehreren Löchern. Die zweite Elektrode, welche an dem Gehause bzw. dem kappenahnlichen Bauteil befestigt ist (und nicht an dem Isolator), ist dabei ringförmig ausgestaltet und umgibt die erste Elektrode in deren distalem Endbereich. Dabei ragt der Ring der zweiten Elektrode marginal über das distale Ende der ersten Elektrode hinaus (siehe 2). Allerdings weist die ringförmige zweite Elektrode der Vorkammerzündkerze weder eine radial bezüglich des Rings versetzte Umfangsverlängerung auf noch einen entsprechenden Nasenkegel der eine aerodynamische Stauvorrichtung bildet.
DE 10 2011 053 530 A1 offenbart eine Vorkammerzündkerze, die eine Hülse und eine an der Hülse angebrachte Endkappe aufweist. Außerdem weist die Vorkammerzündkerze einen in der Hülse angeordneten Isolator auf. In einer besonderen Ausführungform hat eine Mittelelektrode einen ersten Abschnitt, der vom Isolator umgeben ist, und einen zweiten Abschnitt, der sich vom Isolator in eine Vorkammer erstreckt. Die Vorkammer wird von der Hülse und der Endkappe definiert. In einer weiteren Ausführungform ist eine Masseelektrode an der Hülse angebracht. In besonderen Ausführungformen hat die Masseelektrode eine rohrförmige Form und weist einen inneren Funkenoberflächenring, der in umgebender Beziehung zu der Mittelelektrode beabstandet ist, um einen
Elektrodenabstand zu bilden, einen an der Hülse angebrachten äußeren Ring und eine Vielzahl von gerundeten Speichen auf, die den äußeren und den inneren Ring miteinander verbinden. In einer besonderen Ausführungform ermöglichen die Masse- und die Mittelelektrode die Anbringung von Edelmetalllegierungen zur Verlängerung der Lebensdauer der Elektrodenoberflächen.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung wird vorrichtungstechnisch mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und verfahrenstechnisch mit den Merkmalen des Anspruch 11 beschrieben. Gemäß einem Aspekt stellen Ausführungsformen der Erfindung eine Vorkammerzündkerze bereit, welche einen Mantel und eine an dem Mantel befestigte Endkappe, eine Mittelelektrode und eine Masseelektrode aufweist. Außerdem enthält die Vorkammerzündkerze einen Isolator, der innerhalb des Mantels angeordnet ist. Bei einer speziellen Ausführungsform weist die Mittelelektrode einen ersten Teil auf, der von dem Isolator umgeben ist, und einen zweiten Teil, welcher sich von dem Isolator in eine Vorkammer hinein erstreckt. Das Vorkammervolumen ist durch den Mantel und die Endkappe definiert. Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Masseelektrode an dem Mantel befestigt. Bei speziellen Ausführungsformen weist die Masseelektrode einen Innenring, der in einer die Mittelelektrode umgebenden Position und von ihr beabstandet angeordnet ist, einen Außenring, der an dem Mantel befestigt ist, und mehrere Speichen, die den Innen- und den Außenring verbinden, auf. Bei einer speziellen Ausführungsform hat die Masseelektrode eine rohrförmige Gestalt, welche dazu dient, die ankommende zentrale (primäre) Lochströmung, die durch den Spalt zwischen der Mittel- und der Masseelektrode fließt, vor Störungen durch die über seitliche (sekundäre) Löcher eintretende Strömung zu schützen. Die rohrförmige Gestalt leitet außerdem die Strömung der seitlichen Löcher hinter der Masseelektrode am Umfang, so dass sie sich mit dem Funkenkern verbindet, wenn er aus dem Spalt austritt. Außerdem weist die Mittelelektrode eine aerodynamische Form auf, welche die Stromlinienform durch den Spalt von dem Mittelloch verbessert.
Gemäß einem anderen Aspekt stellen Ausführungsformen der Erfindung ein Verfahren zur Erleichterung der Verbrennung in einer Verbrennungskraftmaschine bereit. Das Verfahren umfasst das Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemisches in einer Vorkammer einer Vorkammerzündkerze. Bei einer speziellen Ausführungsform beinhaltet das Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemisches in einer Vorkammer das Bereitstellen eines ersten Kanals, um das Strömen einer ersten Menge des Luft-Kraftstoff-Gemisches in einen Spalt zwischen der Mittel- und der Masseelektrode zu ermöglichen, mit einer vorherrschenden Rückwärts-Strömungsrichtung von der vorderen Kammer der Vorkammer, und das Zünden des Luft-Kraftstoff-Gemisches in dem Spalt, wobei die Zündung einen Flammenkern erzeugt. Ferner beinhaltet das Verfahren das Bewirken, dass der Flammenkern zu einer hinteren Kammer der Vorkammer transportiert wird, und das Bereitstellen eines zweiten Kanals, um das Strömen einer sekundären (seitlichen) Menge des Luft-Kraftstoff-Gemisches in die vordere Kammer zu ermöglichen, so dass die sekundäre Menge des Luft-Kraftstoff-Gemisches zu der hinteren Kammer strömt, um durch den Flammenkern gezündet zu werden. Die sekundäre Strömung kann auch einen Wirbel aufweisen, welcher dazu dient, die sich entwickelnde Flamme in der hinteren Kammer in der azimutalen Richtung auszubreiten - derart, dass die azimutale Gleichmäßigkeit verbessert wird und Turbulenz innerhalb der Vorkammer erzeugt wird, welche die Verbrennung zusätzlich beschleunigt. Die Zündung der ersten und zweiten Menge des Luft-Kraftstoff-Gemisches erzeugt einen Druckanstieg in der Vorkammer, welcher bewirkt, dass ein Fackelstrahl aus dem ersten und dem zweiten Kanal austritt. Die Größe und der Winkel desr Kanalloches können optimiert werden, um die Geschwindigkeit des Fackelstrahls und sein Eindringen in die Hauptkammer zu maximieren und dadurch die Verbrennung in der Hauptkammer zu verbessern. Die Lochgröße steuert sowohl den Zufluss als auch den Abfluss und wird daher optimiert, um die gewünschte motorspezifische Zündverzögerungszeit, Strahlgeschwindigkeit und Fackelstrahl-Eindringtiefe und somit die gewünschten Verbrennungsgeschwindigkeiten der Hauptkammer zu erreichen.
Gemäß noch einem anderen Aspekt stellen Ausführungsformen der Erfindung eine Vorkammerzündkerze bereit, welche einen Mantel und eine an dem Mantel befestigte Endkappe aufweist. Außerdem enthält die Vorkammerzündkerze einen Isolator, der innerhalb des Mantels angeordnet ist. Bei einer speziellen Ausführungsform weist eine Mittelelektrode einen ersten Abschnitt auf, der von dem Isolator umgeben ist, und einen zweiten Abschnitt, welcher sich von dem Isolator in eine Vorkammer hinein erstreckt. Die Vorkammer ist durch den Mantel und die Endkappe definiert. Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Masseelektrode an dem Mantel befestigt. Bei speziellen Ausführungsformen weist die Masseelektrode einen Innenring auf, der in einer die Mittelelektrode umgebenden Position und von ihr beabstandet angeordnet ist, und mehrere Speichen, die von dem Innenring radial nach außen vorstehen und den Ring in seiner Position halten. Bei einer Ausführungsform ist das Ende jeder Speiche an dem Mantel befestigtDie spezielle Anordnung einer rohrförmigen Masseelektrode mit einer konzentrischen Mittelelektrode, welche Bedingungen für eine Strömung durch den Spalt zur Rückseite der Masseelektrode geschaffen hat, kann in einer Vorkammer in der Kopfkonstruktion realisiert werden, bei welcher der Mantel der Zündkerze nicht benötigt wird, wobei die Zylinderkopf-Vorkammer die Stelle der Wand des Zündkerzenmantels einnimmt. Außerdem kann Kraftstoff entweder der Vorkammerzündkerze oder der Vorkammer in der Kopf-Vorrichtung zugeführt werden, um die Grenze für den Magerbetrieb noch weiter zu verschieben. Diese Vorrichtungen werden als „kraftstoffgespeiste“ („füel-fed“) Vorrichtungen bezeichnet.
Bei einer anderen Ausführungsform umfasst eine Vorkammerzündkerze einen Mantel, einen Isolator, eine Mittelelektrode und eine Masseelektrode. Der Mantel weist mehrere Belüftungslöcher auf. Der Isolator ist innerhalb des Mantels angeordnet. Die Mittelelektrode ist von dem Isolator umgeben und erstreckt sich in eine Vorkammer hinein, welche durch den Mantel definiert ist. Der Isolator ist koaxial um die Mittelelektrode angeordnet. Die Masseelektrode ist an dem Isolator befestigt und umgibt ein distales Ende der Mittelelektrode. Die Masseelektrode umfasst einen rohrförmigen Ring, der in einer die Mittelelektrode umgebenden Position und von dieser beabstandet angeordnet ist, und weist eine radial versetzte Umfangsverlängerung auf, die sich axial über das distale Ende der Mittelelektrode hinaus erstreckt und eine Geometrie bildet, welche als eine aerodynamische Stauvorrichtung (aerodynamic ram) dient.
Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein Verfahren zur Erleichterung der Verbrennung in einer Verbrennungskraftmaschine, welches mehrere Schritte umfasst. Ein Luft-Kraftstoff-Gemisch wird in einer Vorkammer einer Vorkammerzündkerze gezündet. Das Zünden des Luft-Kraftstoff-Gemisches umfasst das Bereitstellen mehrerer Belüftungslöcher, um eine primäre Strömung eines Luft-Kraftstoff-Gemisches in eine Funkenstrecke der Vorkammer hinein zu ermöglichen, und das Zünden des Luft-Kraftstoff-Gemisches, wobei ein Zündereignis einen Flammenkern erzeugt. Als Nächstes wird der Flammenkern zu einer ersten Stufe der Vorkammer transportiert, wobei die erste Stufe der Vorkammer durch einen Hohlraum definiert ist, der zwischen einer an einem Isolator befestigten Masseelektrode, welche koaxial zu einer Mittelelektrode ist, und der Mittelelektrode angeordnet ist, und der als ein „Flammenhalter“ fungiert, indem er einen Rezirkulationsbereich erzeugt. Nach dem Transportieren des Flammenkerns in die erste Stufe wird eine sekundäre Strömung des Luft-Kraftstoff-Gemisches zu der Vorkammer von den mehreren Belüftungslöcher bereitgestellt, derart, dass sich die sekundäre Strömung überall in einer zweiten Stufe der Vorkammer verteilt, die durch einen Hohlraum definiert ist, der außerhalb der an dem Isolator befestigten Masseelektrode angeordnet ist. Schließlich bewegt sich der Flammenkern von der ersten Stufe zu der zweiten Stufe, wobei er die sekundäre Strömung des Luft-Kraftstoff-Gemisches zündet und bewirkt, dass sich die Flamme überall in der Vorkammer ausbreitet, wobei sie die Hauptmasse des Kraftstoffs in der Vorkammer verbrennt, einen hohen Druckanstieg erzeugt, und demzufolge das Austreten eines Fackelstrahls aus den mehreren Belüftungslöcher.
Bei einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst eine Vorkammerzündkerze einen Mantel, einen Isolator, eine Mittelelektrode und eine Masseelektrode. Der Isolator ist innerhalb des Mantels angeordnet. Die Mittelelektrode weist einen ersten Teil auf, der von dem Isolator umgeben ist, und weist einen zweiten Teil auf, welcher sich von dem Isolator in eine Vorkammer hinein erstreckt, welche durch den Mantel definiert ist. Die Masseelektrode ist an dem Isolator befestigt und umfasst einen Innenring, der in einer die Mittelelektrode umgebenden Position und von ihr beabstandet angeordnet ist und eine Funkenstrecke bildet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die im Stand der Technik vorhandenen Nachteile zu vermeiden bzw. derart zu verbessern, dass eine verbesserte und effizientere Verbrennung von mageren Kraftstoffgemischen erreicht wird.
Diese Aufgabe wird vorrichtungsseitig durch die Merkmale gemäß Anspruch 1 gelöst und verfahrentechnisch durch die Merkmale gemäß Anspruch 11.
Weitere Aspekte, Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen noch klarer ersichtlich.
Figurenliste
Die beigefügten Zeichnungen, die in die Beschreibung integriert sind und einen Teil derselben bilden, veranschaulichen verschiedene Aspekte der vorliegenden Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erläutern. Es zeigen:

1 eine Schnittdarstellung eines Abschnitts einer Vorkammerzündkerze gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2 eine perspektivische Ansicht der gemäß einer Ausführungsform der Erfindung hergestellten rohrförmigen Elektrode;
3 eine beispielhafte Ausführungsform des ersten und des zweiten Elektrodenoberflächenrings gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
4 eine Draufsicht der gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung hergestellten rohrförmigen Elektrode;
5 eine Schnittdarstellung der rohrförmigen Elektrode mit einem ersten Elektrodenoberflächenring auf einem Substratmaterial gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
6 eine perspektivische Ansicht einer gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung hergestellten rohrförmigen Elektrode;
7 eine Endansicht einer Endkappe für die Vorkammerzündkerze gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung;
8 eine Schnittdarstellung der Endkappe von 7;
9 eine Schnittdarstellung eines Abschnitts einer Vorkammerzündkerze gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung;
10 eine Schnittdarstellung einer Kolbenzylinderanordnung mit großem Loch und einer Vorkammerzündkerze gemäß einer speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
11 eine Schnittdarstellung einer Vorkammerzündkerze gemäß einer speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
12 eine Schnittdarstellung einer Vorkammerzündkerze, die den Kraftstoffstrom in die Vorkammer gemäß einer speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
13 eine Schnittdarstellung eines sekundären Kraftstoffeinspritzventils in der Vorkammer gemäß einer speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
14 eine Schnittdarstellung eines kombinierten Gaseinlassventils mit Zündvorrichtung/Zündkerze gemäß einer speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
15 eine Detail-Schnittdarstellung einer Zündvorrichtung/Zündkerze eines kombinierten Gaseinlassventils mit einer Zündvorrichtung gemäß einer speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
16 eine Detail-Schnittdarstellung eines Spaltes einer Vorkammer.

Obwohl die Erfindung in Verbindung mit bestimmten bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wird, ist nicht beabsichtigt, sie auf diese Ausführungsformen zu beschränken. Es ist vielmehr beabsichtigt, alle Alternativen, Abänderungen und Äquivalente abzudecken, die der Grundidee der Erfindung entsprechen und in ihrem durch die beigefügten Ansprüche definierten Schutzbereich enthalten sind.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Um die Probleme einer reproduzierbaren und steuerbaren Zündverzögerungszeit während des Verbrennungsprozesses zu lösen, welche sowohl einen effizienteren Verbrennungsprozess als auch eine längere Lebensdauer der Zündkerze zur Folge hat, wurde eine Vorkammerzündkerze entwickelt, welche eine rohrförmige Elektrode enthält, um die Entwicklung des Flammenkerns, die Zündverzögerungszeit, die Bildung der Fackelstrahlen und die Brenngeschwindigkeit in der Hauptbrennkammer zu steuern und demzufolge die Motorleistung zu verbessern. Die Verzögerungszeit ist die Zeitdauer zwischen dem Funken und demjenigen Zeitpunkt, zu dem die Verbrennung ein Volumen erfasst hat, das ausreichend ist, um den Druck in der Vorkammer und dadurch auch in der Hauptbrennkammer zu erhöhen.
1 zeigt eine Schnittdarstellung eines Abschnitts einer Vorkammerzündkerze 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Vorkammerzündkerze 100 weist eine Längsachse 101 auf, sowie eine Mittelelektrode 102, welche sich entlang der Längsachse 101 erstreckt und sich ferner von einem Isolator 104 in eine Vorbrennkammer hinein erstreckt, welche in eine hintere Kammer 106 und eine vordere Kammer 108 aufgeteilt ist. Eine rohrförmige Elektrode 110, welche als die Masseelektrode dient, ist innerhalb eines Mantels 112 angeordnet. Bei Ausführungsformen der Erfindung ist der Mantel 112 aus einem hochfesten Metall hergestellt, das in der Lage ist, der Einwirkung hoher Temperaturen standzuhalten. Der Scheibenabschnitt 114 der rohrförmigen Elektrode 110 trennt die hintere Kammer 106 von der vorderen Kammer 108. Eine Endkappe 116 definiert ein Ende des Vorkammervolumens der Zündkerze 100 und auch eine Grenze der vorderen Kammer 108. Wie in 1 dargestellt, kann bei einer speziellen Ausführungsform der Erfindung eine Innenfläche 118 des Mantels 112 einen abgestuften Abschnitt 120 aufweisen, derart, dass die rohrförmige Elektrode 110 während der Montage der Vorkammerzündkerze 100 an dem abgestuften Abschnitt 120 zur Anlage kommen kann.
2 ist eine perspektivische Ansicht der gemäß einer Ausführungsform der Erfindung hergestellten rohrförmigen Elektrode 110. Die rohrförmige Elektrode 110 weist einen Innenring 130 und einen Außenring 132 auf, die in die rohrförmige Masseelektrode 110 eingebettet sind. Bei der Ausführungsform von 2 sind der Innenring 130 und der Außenring 132 durch drei Speichen 134 verbunden. Von dem Innenring 130 im mittleren Abschnitt der rohrförmigen Elektrode 110 aus erstreckt sich ein rohrförmiger Innenring oder ein Geschwindigkeitssteuerrohr 136. Bei einer speziellen Ausführungsform der Erfindung, die in 1 dargestellt ist, erstreckt sich das Geschwindigkeitssteuerrohr 136 von dem Scheibenabschnitt 114 weg in einer Richtung in die vordere Kammer 108 hinein. Eine Mittelöffnung 138 erstreckt sich durch den Innenring 130 und das Geschwindigkeitssteuerrohr 136 hindurch.
Es wird nach wie vor auf 2 Bezug genommen; bei einer Ausführungsform der Erfindung ist die rohrförmige Elektrode 110 aus einer Kupferlegierung, einer Nickellegierung oder irgendeinem anderen Metall mit relativ hoher Leitfähigkeit hergestellt. Bei einer speziellen Ausführungsform der Erfindung ist ein Edelmetall an einer Innenfläche 140 des Innenrings 130 befestigt oder auf diese aufgebracht. Edelmetalle werden typischerweise auf Zündkerzenelektroden verwendet, um die Lebensdauer der Zündkerze zu erhöhen und die Leistungsfähigkeit zu verbessern. Die für diese Anwendung gewählten Edelmetalle weisen einen hohen Schmelzpunkt, eine hohe Leitfähigkeit und eine erhöhte Oxidationsbeständigkeit auf. Bei Ausführungsformen der Erfindung kleidet ein erster Elektrodenoberflächenring 142 aus zum Beispiel Platin oder Legierungen davon, Rhodium oder Legierungen davon, Wolfram oder Legierungen davon, Iridium oder Legierungen davon die Innenfläche 140 des Innenrings 130 aus. Bei alternativen Ausführungsformen ist die Innenfläche 140 des Innenrings 130 mit einer Iridium-Rhodium-Legierung oder einer Nickellegierung ausgekleidet. Es wird nochmals auf 1 Bezug genommen; bei speziellen Ausführungsformen der Erfindung ist ein zweiter Elektrodenoberflächenring 144, der aus demselben oder einem ähnlichen Material wie der erste Elektrodenoberflächenring 142 besteht, an einer Außenfläche 146 der Mittelelektrode 102 befestigt oder auf diese aufgebracht.
Es wird nochmals auf 2 Bezug genommen; die Speichen 134 können zur Erleichterung der Herstellung scharfkantig sein, oder sie können eine kurvenförmige Kontur aufweisen, so dass sie Gasen, die durch die Zwischenräume zwischen den Speichen 134 strömen, weniger Widerstand entgegensetzen. Bei alternativen Ausführungsformen der Erfindung kann eine größere oder kleinere Anzahl von Speichen vorhanden sein, die den Innenring 130 und den Außenring 132 verbinden. Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung weist die rohrförmige Elektrode 110 keinen aus einem Edelmetall hergestellten Elektrodenoberflächenring auf. Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist die gesamte rohrförmige Elektrode 110 aus einem einzigen Material wie etwa einer Nickellegierung hergestellt.
Die rohrförmige Elektrode 110 kann im Wesentlichen als ein einziges Teil gegossen oder durch spanende Bearbeitung hergestellt sein, obwohl der erste Elektrodenoberflächenring ein separater Ring aus demselben Typ von Edelmetall oder einem ähnlich geeigneten Metall sein kann. Es ist auch denkbar, dass die rohrförmige Elektrode 110 aus einem Metallpulver hergestellt werden kann, wobei das Metallpulver gesintert oder spritzgegossen wird. Andere Herstellungsverfahren, bei welchen das Metallpulver geschmolzen anstatt gesintert wird, sind ebenfalls denkbar. Bei mindestens einer Ausführungsform werden der erste und der zweite Elektrodenoberflächenring 142, 144 aus zum Beispiel zylindrischem oder rechteckigem Stabmaterial hergestellt, welches auf Länge geschnitten und zu einem Ring geformt wird. Bei einer alternativen Ausführungsform werden der erste und der zweite Elektrodenoberflächenring 142, 144 aus flachem Blechmaterial hergestellt, und es wird eine Stanze verwendet, um eine Anzahl von Elektrodenoberflächenringen 142, 144 aus einem einzigen flachen Blech herzustellen. 3 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform des ersten und zweiten Elektrodenoberflächenrings 142, 144, bei welcher die zwei Elektrodenoberflächenringe in einem einzigen Arbeitsgang gestanzt werden, so dass der erste und der zweite Elektrodenoberflächenring 142, 144 über drei Laschen 148 befestigt sind. Bei einer speziellen Ausführungsform werden sowohl der erste als auch der zweite Elektrodenoberflächenring 142, 144 an der rohrförmigen Elektrode 110 mit angebrachten Laschen 148 montiert, um den korrekten Abstand zwischen den Elektrodenoberflächenringen 142, 144 aufrechtzuerhalten. Die Laschen 148 werden entfernt, nachdem der erste Elektrodenoberflächenring 142 an der rohrförmigen Elektrode 110 befestigt worden ist und nachdem der zweite Elektrodenoberflächenring 144 an der Mittelelektrode 102 befestigt worden ist. Der Ring 142 kann auch in zwei oder mehr halbkreisförmige Abschnitte geschnitten werden, um die Fertigung, Montage oder Befestigung zu erleichtern und/oder der Wärmeausdehnung Rechnung zu tragen.
Eine alternative Ausführungsform der rohrförmigen Elektrode ist in 4 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform sind der Innenring 130, der Außenring 132, die Speichen 134 und das Geschwindigkeitssteuerrohr 136 im Wesentlichen dieselben wie bei der rohrförmigen Elektrode 110. Die rohrförmige Elektrode 111 enthält jedoch den zweiten Elektrodenoberflächenring 144, der an dem ersten Elektrodenoberflächenring 142 durch drei Laschen 156 befestigt ist. Insofern wird der korrekte Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Elektrodenoberflächenring 142, 144 aufrechterhalten, bis der Zusammenbau beendet ist. Nach dem Zusammenbau können die Laschen 156 mechanisch oder durch ein Elektronenstrahl- oder Wasserstrahl- oder ein ähnliches Verfahren entfernt werden. Jedoch können bei einer speziellen Ausführungsform die Laschen 156 zum Beispiel aus einem Material hergestellt sein, das einen wesentlich niedrigeren Schmelzpunkt als die anderen Materialien in der rohrförmigen Elektrode 111 oder dem zweiten Elektrodenoberflächenring 144 hat. Dies ermöglicht es, die Laschen 156 nach der Montage der rohrförmigen Elektrode 111 an der Vorkammerzündkerze 100 durch Verbrennen oder Schmelzen zu entfernen.
Es gibt verschiedene Verfahren, mittels derer der erste Elektrodenoberflächenring 142 an der rohrförmigen Elektrode 110 befestigt werden kann. Bei einer speziellen Ausführungsform der Erfindung wird die rohrförmige Elektrode 110 um den ersten Elektrodenoberflächenring 142 herum gegossen. Bei einer alternativen Ausführungsform wird ein separater Metallring mit einer Schicht aus Edelmetall oder einem ähnlich geeigneten Metall, die an einer Innenfläche des Metallrings befestigt ist, an dem Innenring 130 der rohrförmigen Elektrode 110 montiert.
Zum Beispiel kann das Material des Elektrodenoberflächenrings auf beispielsweise ein Pulvermetallsubstrat unter Anwendung von physikalischer oder chemischer Dampfphasenabscheidung aufgebracht werden. Zum Beispiel kann das Pulvermetallsubstrat ein Hohlzylinder sein, und das Material des Elektrodenoberflächenrings kann auf die Innenfläche des Hohlzylinders aufgebracht werden. Der Zylinder könnte scheibenförmig in eine Anzahl von ersten Elektrodenoberflächenringen 142 zerschnitten werden. Wenn dasselbe Material auf die Außenseite eines kleineren Holzylinders aufgebracht wird, könnte er scheibenförmig in eine Anzahl von zweiten Elektrodenoberflächenringen 144 zerschnitten werden. Auf diese Weise hergestellt, könnten die ersten Elektrodenoberflächenringe 142 in die Mittelöffnung der rohrförmigen Elektrode 110 eingesetzt und durch Schweißen oder Hartlöten befestigt werden. 5 zeigt eine Schnittdarstellung der rohrförmigen Elektrode 110 mit einem ersten Elektrodenoberflächenring 142, der auf einem Substratmaterial 143, zum Beispiel einer Nickellegierung oder einer hochleitfähigen Legierung, befestigt oder aufgebracht ist. Bei einer speziellen Ausführungsform ist die Schweißnaht eine Heftnaht an einer Stelle oder ein paar ausgewählten Stellen, um eine gewisse relative Bewegung infolge der unterschiedlichen Wärmeausdehnungsgeschwindigkeiten für die verschiedenen Materialien zu ermöglichen. Die Anwendung der oben beschriebenen Verfahren zur Anbringung des Edelmetalls an der rohrförmigen Elektrode 110 ermöglicht die Fertigung der Vorkammerzündkerze 100 mit einer geringeren Menge des Edelmetalls, als bei herkömmlichen Vorkammerzündkerzen typischerweise verwendet wird, wodurch die Vorkammerzündkerze 100 in der Herstellung kostengünstiger ist als viele herkömmliche Vorkammerzündkerzen.
Bei einer weiteren Ausführungsform kann die rohrförmige Elektrode 110 aus getrennten Komponenten zusammengebaut werden. Die Ausführungsform von 5 zeigt außerdem eine Schnittdarstellung einer speziellen Ausführungsform der rohrförmigen Elektrode 110 mit einem separaten Scheibenabschnitt 114 und einem Geschwindigkeitssteuerrohr 136. Bei mindestens einer Ausführungsform weist das Geschwindigkeitssteuerrohr 136 an einem Ende einen eingekerbten Abschnitt 152 auf, und der eingekerbte Abschnitt ist in einen ringförmigen Aufnahmeabschnitt 154 in dem Scheibenabschnitt 114 eingepresst. Bei einer weiteren Ausführungsform könnte der ringförmige Aufnahmeabschnitt 154 nach innen in den eingekerbten Abschnitt 152 des Geschwindigkeitssteuerrohrs 136 eingepresst sein und dieses in seiner Position halten. Bei einer weiteren Ausführungsform weist der eingekerbte Abschnitt 152 einen ringförmigen Vorsprung entlang seines Umfangs auf, welcher in ein entsprechendes Stück in dem ringförmigen Aufnahmeabschnitt 154 der rohrförmigen Elektrode 110 eingepasst wird, um die Befestigung zwischen dem Scheibenabschnitt 114 und dem Geschwindigkeitssteuerrohr 136 zu verbessern. Bei einer alternativen Ausführungsform ist der eingekerbte Abschnitt 152 ebenso wie eine Innenfläche des ringförmigen Aufnahmeabschnitts 154 mit einem Gewinde versehen, so dass das Geschwindigkeitssteuerrohr 136 in den Scheibenabschnitt 114 eingeschraubt werden kann.
Es wird erneut auf 1 Bezug genommen; in Betrieb wird das Luft-Kraftstoff-Gemisch aus dem Hauptzylinder des Motors (nicht dargestellt) durch ein Mittelloch 162 (siehe auch 7 und 8) in der Endkappe 116 und durch mehrere Umfangslöcher 164 (siehe auch 7 und 8) in die vordere Kammer 108 der Vorkammerzündkerze 100 gesaugt. Das Luft-Kraftstoff-Gemisch, das durch das Mittelloch 162 angesaugt wird, strömt durch das Geschwindigkeitssteuerrohr 136 zu der Funkenstrecke zwischen der Mittelelektrode 102 und der rohrförmigen Elektrode 110, wo es durch einen elektrischen Funken gezündet wird. Die Geschwindigkeit des Luft-Kraftstoff-Gemisches bewirkt, dass der anfängliche Flammenkern in die hintere Kammer 106 transportiert wird.
Eine wesentliche Funktion der Strömung durch das primäre Mittelloch ist, dass diese Strömung aus einer frischen Luft-Kraftstoff-Ladung mit einem niedrigen Anteil an Restgasen besteht. Diese primäre Strömung bahnt sich ihren Weg in den Funkenstreckenbereich, wobei sie - gleichmäßig - die Restgase von dem letzten Verbrennungsereignis zurück und aus dem Funkenstreckenbereich hinaus drängt, wodurch sie die Funkenstrecke wirksam von Restgasen reinigt und somit die Restgase innerhalb der Vorkammer „steuert“. Bei herkömmlichen Vorkammerzündkerzen werden die Restgase nicht gut oder überhaupt nicht „gesteuert“, was zu einem unbekannten und ungesteuerten Gemisch von frischer Ladung und übrig gebliebenen Restgasen zum Zeitpunkt des Funkens führt. Dies stellt eine Hauptquelle von Schwankungen zwischen aufeinanderfolgenden Verbrennungszyklen bei herkömmlichen Vorkammerzündkerzen dar. Daher wird beansprucht, dass diese Konstruktion auf eine einzigartige und höchst effiziente Weise die Restgase nach hinten (weg von der Endkappe) drängt und so durch „Restgassteuerung“ zu einem außergewöhnlich niedrigen Variationskoeffizienten führt.
Das durch die Umfangslöcher 164 angesaugte Luft-Kraftstoff-Gemisch weist infolge der Anordnung der Umfangslöcher 164 unter einem Winkel eine Wirbelbewegung auf. Das verwirbelte Luft-Kraftstoff-Gemisch strömt an der Außenseite des Geschwindigkeitssteuerrohrs 136 entlang in Richtung der hinteren Kammer 106, wo es durch den Flammenkern von der Strömung des Mittelloches gezündet wird. Die durch die Wirbelbewegung des Luft-Kraftstoff-Gemisches verursachte Turbulenz verteilt den wachsenden Flammenkern überall in der hinteren Kammer 106, wobei der Kraftstoff in der hinteren Kammer 106 überwiegend verbraucht wird. Dies hat ein schnelleres Brennen und einen schnellen Druckanstieg innerhalb der Vorkammer zur Folge, wenn das Luft-Kraftstoff-Gemisch aus der hinteren Kammer 106 weiter zur vorderen Kammer 108 strömt. Das Ergebnis ist eine vollständigere Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemisches und daher ein erhöhter Druck innerhalb der Vorkammer. Dieser führt zu einem mit hoher Geschwindigkeit durch das Mittelloch 162 und durch die mehrere Umfangslöcher 164 in die Hauptbrennkammer (nicht dargestellt) austretenden Fackelstrahl.
Auf diese Weise wird die Zündung durch die Strömung des Flammenkerns zu der hinteren Kammer 106 verzögert. Der Verbrennungsprozess beginnt in der hinteren Kammer 106 und muss sich durch die vordere Kammer 108 hindurch fortpflanzen, bevor die resultierenden Flammen in die Hauptbrennkammer hineinreichen. Da diese erhöhte Zündverzögerungszeit eine vollständigere Verbrennung zur Folge hat, ist der Prozess besser reproduzierbar und weist eine geringere Schwankung und daher einen kleineren Variationskoeffizienten auf, als bei typischen herkömmlichen Vorkammerzündkerzen. Ein zusätzlicher Vorteil der Verzögerung der Zündung ist, dass der Funke früher in dem Verbrennungszyklus ausgelöst werden kann, wenn der Zylinderdruck niedriger ist, als dies ohne die Zündverzögerung der Fall wäre. Das Auslösen des Funkens, wenn der Zylinderdruck niedriger ist, verlängert die Lebensdauer der Vorkammerzündkerze 100.
Ferner kann bei der Gestaltung der Vorkammerzündkerze das Volumen der hinteren Kammer 106 hinter der rohrförmigen Elektrode 110 und der vorderen Kammer 108 vor der rohrförmigen Elektrode 110 optimiert werden, um die Entwicklung des Flammenkerns und damit die Zündverzögerungszeit zu steuern. Das Verhältnis des Volumens der vorderen Kammer 108 zu demjenigen der hinteren Kammer 106 steuert die Größe und die Eindringtiefe des Fackelstrahls, welcher aus dem Mittelloch 162 austritt.
6 ist eine perspektivische Ansicht einer gemäß einer Ausführungsform der Erfindung hergestellten rohrförmigen Elektrode 180. Die rohrförmige Elektrode 180 dient als Masseelektrode und ist der rohrförmigen Elektrode 110 ähnlich, mit dem Unterschied, dass die rohrförmige Elektrode 180 keinen Außenring aufweist. Die rohrförmige Elektrode 180 weist den Innenring 130 mit einer Mittelöffnung 138 auf. Der Innenring 130 erstreckt sich axial, um das Geschwindigkeitssteuerrohr zu bilden. Bei der Ausführungsform von 6 erstrecken sich drei Speichen 134 von der Außenseite des Innenrings 130 aus radial nach außen. Bei einer speziellen Ausführungsform wird die rohrförmige Elektrode 180 mit der Vorkammerzündkerze 100 zusammengebaut, indem ein Ende 182 jeder Speiche 134 direkt an dem Mantel 112 befestigt wird. Die Befestigung kann durch Schweißen, Hartlöten oder Ähnliches erfolgen.
7 und 8 zeigen eine Endansicht bzw. eine Schnittdarstellung der Endkappe 116 für die Vorkammerzündkerze 100 gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung. Bei einer speziellen Ausführungsform ist die Endkappe 116 schalenförmig, so dass sie vom Ende des Mantels 112 leicht vorsteht. Die Endkappe 116 weist einMittelloch 162 auf, welche bei mindestens einer Ausführungsform um die Längsachse 101 der Vorkammerzündkerze 100 herum zentriert ist. Das Mittelloch 162 ist dafür ausgebildet, die Durchflussmenge des Luft-Kraftstoff-Gemisches in die vordere Kammer 108 zu steuern. Die Endkappe 116 weist ferner die mehrere Umfangslöcher 164 auf, welche in einer Seitenwand 166 der Endkappe 116 gebohrt oder geformt sein können. Die Umfangslöcher 164 sind dafür ausgebildet, eine Wirbelbewegung des Luft-Kraftstoff-Gemisches in der Vorbrennkammer zu erzeugen. Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist die Endkappe 116 an dem Mantel 112 durch Schweißen, Hartlöten und Ähnliches befestigt. Die Endkappe 116 kann bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform auch flach (senkrecht zu dem Mantel) oder V-förmig sein.
7 und 8 zeigen eine Ausführungsform der Endkappe 116 mit sieben Umfangslöchern 164 in der Seitenwand 166 und sieben Umfangslochachsen 168. Der Einfachheit halber ist in 7 nur eine Umfangslochachse 168 dargestellt. 7 zeigt eine Endansicht der Endkappe 116, welche einen beispielhaften Drallwinkel für die Umfangslöcher 164 aufweist, und enthält ferner die Längsachse 101 für die Vorkammerzündkerze 100, wie sie bei einer speziellen Ausführungsform verlaufen würde, wenn die Endkappe 116 an dem Mantel 112 montiert ist. 8 ist eine Schnittdarstellung der Endkappe 116 und zeigt einen beispielhaften Eindringwinkel für die Umfangslöcher 164.
Andere Ausführungsformen der Endkappe 116 können mehr oder weniger als sieben Umfangslöcher 164 aufweisen. Die Umfangslöcher 164 sind unter einem Winkel angeordnet, so dass keine der Umfangslochachsen 168 die Längsachse 101 schneidet. Wie oben erwähnt, zeigt 7 einen Drallwinkel (swirl angle) für die Umfangslöcher164. Wie in 7 dargestellt, ist der Drallwinkel definiert als der Winkel zwischen der Umfangslochachse 168 und einer radialen Linie 169, die vom Mittelpunkt der Endkappe 116 aus durch einen Punkt auf der Umfangslochachse 168, der sich in der Mitte zwischen den Enden des durch das entsprechende Umfangsloch 164 definierten Zylinders befindet, verläuft.
Bei der Ausführungsform von 7 und 8 beträgt der Drallwinkel 45 Grad, jedoch könnte er bei alternativen Ausführungsformen größer oder kleiner als 45 Grad sein. 8 zeigt einen Eindringwinkel für die Umfangslöcher 164. Wie in 8 dargestellt, ist der Eindringwinkel definiert als der Winkel zwischen der Umfangslochachse 168 und der Längsachse 101 oder einer zu der Längsachse 101 parallelen Linie. Während des Betriebs des Motors, wenn ein Luft-Kraftstoff-Gemisch in die vordere Kammer 108 der Vorkammer eingeführt wird, erzeugt die Anordnung der Umfangslöcher 164 unter einem Winkel einen Wirbeleffekt in dem Luft-Kraftstoff-Gemisch in der Vorkammer. Die genaue Position (d.h. an der Seitenwand 166) und Gestaltung (z.B. Durchmesser, Winkel) der Umfangslöcher 164 ist von dem gewünschten Strömungsfeld und der Luft-Kraftstoff-Verteilung innerhalb der Vorbrennkammer abhängig.
9 ist eine Schnittdarstellung einer gemäß einer Ausführungsform der Erfindung hergestellten Vorkammerzündkerze 200. Die Vorkammerzündkerze 200 weist eine Längsachse 201 auf, sowie eine Mittelelektrode 102, welche sich entlang der Längsachse 201 erstreckt und sich ferner von einem Isolator 104 in die Vorbrennkammer hinein erstreckt, die in eine hintere Kammer 106 und eine vordere Kammer 108 aufgeteilt ist. Eine rohrförmige Elektrode 210, die im Inneren des Mantels 112 angeordnet ist, dient als die Masseelektrode. Der Scheibenabschnitt 214 der rohrförmigen Elektrode 210 trennt die hintere Kammer 106 von der vorderen Kammer 108. Die Endkappe 116 definiert das Ende der Vorkammerzündkerze 200 und auch eine Grenze der vorderen Kammer 108. Bei einer speziellen Ausführungsform der Erfindung kann eine Innenfläche 118 des Mantels 112 einen abgestuften Abschnitt 120 aufweisen, derart, dass die rohrförmige Elektrode 210 während der Montage der Vorkammerzündkerze 200 an dem abgestuften Abschnitt 120 zur Anlage kommen kann.
In Betrieb arbeitet die Vorkammerzündkerze 200 auf eine Weise, die ähnlich derjenigen ist, welche oben für den Betrieb der Vorkammerzündkerze 100 beschrieben wurde. Aus 9 ist jedoch ersichtlich, dass ein rohrförmiger Innenring oder ein Geschwindigkeitssteuerrohr 236 sich axial sowohl in die vordere Kammer 108 als auch in die hintere Kammer 106 hinein erstreckt. Durch Vergrößerung der Länge des Geschwindigkeitssteuerrohrs 236, d.h. Hinzufügung des Abschnitts, welcher sich in die hintere Kammer 106 hinein erstreckt, kann die Zündverzögerungszeit zusätzlich verlängert werden. In diesem Falle wird die Zündverzögerungszeit durch die Länge des verlängerten hinteren Abschnitts des Geschwindigkeitssteuerrohrs 236 und durch die Strömungsgeschwindigkeit in dem verlängerten hinteren Abschnitt des Geschwindigkeitssteuerrohrs 236 gesteuert. Die Strömungsgeschwindigkeit in dem Geschwindigkeitssteuerrohr 236 ist von dem Massendurchfluss durch das Mittelloch 162 abhängig. Die erhöhte Zündverzögerungszeit, welche aus dem verlängerten Geschwindigkeitssteuerrohr 236 resultiert, ermöglicht, dass der Funke sogar früher ausgelöst wird, als im Falle der Vorkammerzündkerze 100. Ein Auslösen des Funkens zu einem früheren Zeitpunkt, wenn der Zylinderdruck niedriger ist, verlängert die Lebensdauer der Zündkerze. Eine solche Konstruktion ermöglicht außerdem, Vorkammerzündkerzen mit einer Mittel- und einer Masseelektrode ohne jedes Edelmetall herzustellen. Dies verringert die Materialkosten und vereinfacht die Herstellung und Montage der Zündkerze wesentlich.
10 zeigt eine Schnittdarstellung einer Vorkammerzündkerzenanordnung 300 gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Vorkammerzündkerzenanordnung 300 enthält eine Vorkammer 304 im Kopf einer Kolbenzylinderkammer 302 mit großer Bohrung. Innerhalb der Vorkammer 304 ist eine Zündkerze 306 für die Konfiguration eingerichtet, dass sich die Vorkammer 304 im Kopf eines Kolbenzylinders 302 mit großer Bohrung befindet.
11 zeigt eine Detail-Schnittdarstellung der Vorkammer 304 der Vorkammerzündkerzenanordnung 300 von 10. Die Vorkammer 304 ist durch einen Mantel 334 begrenzt und mit der Zylinderkammer 302 durch eine Endkappe 340 verbunden, welche eine Reihe von Belüftungslöchern 324 aufweist. Die Belüftungslöchern 324 ermöglichen den Eintritt eines Gemisches von Kraftstoff und Luft in die Vorkammer 304 und den Austritt einer Flamme aus der Vorkammer 304 in die Zylinderanordnung 302. Obwohl die in 11 dargestellte spezielle Ausführungsform der Erfindung drei Belüftungslöcher 324 zeigt, sind mehr oder weniger Löcher denkbar. Außerdem könnten die Belüftungslöcher 324 die Form von Schlitzen anstelle von runden Löchern aufweisen.
Die Vorkammer 304 weist eine Längsachse 301 auf, sowie eine Mittelelektrode 310, welche sich axial entlang der Längsachse 301 in eine Vorbrennkammer 304 hinein erstreckt. Um die Mittelelektrode herum, am distalen Ende der Mittelelektrode 310, befindet sich die Masseelektrode 308. Die Masseelektrode 308 ist an dem Isolator 312 befestigt, welcher die Mittelelektrode 310 von der Masseelektrode 308 isoliert. Bei gewissen Ausführungsformen ist die Mittelelektrode 310 an eine Spannungsquelle (nicht dargestellt) angeschlossen, und die Masseelektrode 308 ist durch eine Verbindung (nicht dargestellt) über das Innere des Isolators 312 zu dem Mantel 334, welcher elektrisch geerdet ist, geerdet..
Ferner bildet die Masseelektrode 308 einen kreisförmigen Bereich um das distale Ende der Mittelelektrode 310 herum, der eine Funkenstrecke 314 bildet. Die Funkenstrecke 314 befindet sich zwischen der Außenfläche der Mittelelektrode 310 und einem rohrförmigen Innenring der Masseelektrode 308, welcher in einer die Mittelelektrode 310 umgebenden Position und von ihr beabstandet angeordnet ist. Der Isolator 312 erstreckt sich axial um die Mittelelektrode 310 herum von oberhalb der Funkenstrecke 314 nach oben bis zur Oberseite der Vorkammer 304, wobei er ein Geschwindigkeitssteuerrohr bildet. Außerdem sind oberhalb der Funkenstrecke 314 zwei seitliche Löcher 318 in den Isolator oder, mit einem anderen Begriff, in das Geschwindigkeitssteuerrohr 312 gebohrt, welche nach einem Zündereignis einem Flammenkern Luft zuführen.
Der Bereich um die Mittelelektrode 310 herum, jedoch innerhalb des Isolators 312 wird als eine erste Stufe 320 der Vorkammer 304 bezeichnet. Die erste Stufe 320 bewirkt das Einengen des Kraftstoffs auf einen kleinen Raum, so dass ein durch ein Zündereignis erzeugter Flammenkern geschützt ist und so gesteuert wird, dass er keine übermäßige Beschädigung der Masseelektrode 308 und der Mittelelektrode 310 verursacht. Obwohl bei dieser speziellen Ausführungsform der Erfindung zwei seitliche Löcher 318 in dem Isolator 312 dargestellt sind, sind mehr oder weniger Löcher denkbar.
Der außerhalb des Isolators 312 befindliche und durch den Mantel 334 begrenzte Bereich wird als eine zweite Stufe 322 der Vorkammer 304 bezeichnet. Die zweite Stufe 322 befindet sich dort, wo der Flammenkern sich auszudehnen beginnt, bevor er aus den Belüftungslöchern 324 in die Zylinderkammer 302 austritt.
Außerdem erstreckt sich die Masseelektrode 308 weiter in die Vorkammer 304 hinein als die Mittelelektrode 310. Wie in 11 dargestellt, weist die Masseelektrode 308 eine radial versetzte Umfangsverlängerung auf, die sich axial über das distale Ende der Mittelelektrode 310 hinaus erstreckt und einen aerodynamischen Nasenkegel oder, mit einem anderen Begriff, eine aerodynamische Stauvorrichtung (aerodynamic ram) 316 bildet. Die aerodynamische Stauvorrichtung 316 hat die Funktion, den Dampfstrom von der Hauptzylinderkammer 302 „einzufangen“, wenn er in die Vorkammer 304 strömt. Dieser eingefangene Dampf ist ein Luft-Kraftstoff-Gemisch, welches an der Funkenstrecke 314 gezündet wird.
Es ist anzumerken, dass die Breite der Funkenstrecke 314 geändert werden kann, um die nutzbare Lebensdauer der Zündkerze zu beeinflussen. Durch Vergrößerung der axialen Länge der Funkenstrecke vergrößert sich die Fläche des Bereiches, wo ein Funke erzeugt wird. Daher dauert es dann länger, bis das Material, aus dem die Mittelelektrode 310 und die Masseelektrode 308 bestehen, so weit erodiert ist, dass die Zündkerze selbst regeneriert oder gewechselt werden muss. Der Nachteil einer Vergrößerung der Breite ist, dass hierdurch die erste Stufe kleiner wird und dadurch die Initialzündung des Kraftstoffs erschwert wird.
12 zeigt die Strömungsphysik der Erzeugung und des Managements der Verbrennung in der Vorkammer 304. Zu Beginn strömt ein primäres Gemisch von Kraftstoff und Luft von der Zylinderanordnung 302 durch die Belüftungslöcher 324 in die Vorkammer. Die Strömung wird infolge einer Druckdifferenz zwischen der Zylinderkammer 302 und der Vorkammer 304 bewirkt, die während des Verdichtungshubs eines zugeordneten Motorsystems (nicht dargestellt) erzeugt wird. Die Strömung besteht aus einer primären und einer sekundären Strömung 328 bzw. 330. Wenn die primäre und die sekundäre Strömung 328, 330 in die Vorkammer 304 eintreten, spülen die primäre und die sekundäre Strömung 328, 330 den Restkraftstoff von früheren Zündzyklen aus dem Bereich der Funkenstrecke 314 in Richtung der Oberseite der Vorkammer 304. Hierdurch wird der Kraftstoff in der Funkenstrecke 314 und der zweiten Stufe 322 durch frischen, gleichmäßig verteilten Kraftstoff ersetzt.
Ferner verteilt sich die sekundäre Strömung 330 gleichmäßig um die zweite Stufe 322 der Vorkammer 304 herum, und die primäre Strömung 328 wird von der aerodynamischen Stauvorrichtung 316 eingefangen. Die aerodynamische Stauvorrichtung 316 sammelt die primäre Strömung 328 um die Funkenstrecke 314 herum. Die Geschwindigkeit der primären Strömung 328 in die Funkenstrecke hinein beträgt zwischen 1 und 100 Metern pro Sekunde. Der Kraftstoff, welcher Teil der primären Strömung 328 ist, sammelt sich dann um die Funkenstrecke 314 herum an und erzeugt somit eine Druckdifferenz zwischen dem Bereich innerhalb der aerodynamischen Stauvorrichtung 316 und der ersten Stufe 320, welche bewirkt, dass der Kraftstoff in die erste Stufe 320 der Vorkammer 304 strömt. Bei gewissen Ausführungsformen ist ein distales Ende der Mittelelektrode 310 flach, um die primäre Strömung 328 in die Funkenstecke 314 zu erleichtern.
Außerdem strömt Kraftstoff dann durch die seitlichen Löcher 318. Die seitlichen Löcher 318 sind winkelmäßig versetzt, so dass sie nicht senkrecht zu der Mittelachse 301 sind. Dies verhindert, dass das Luft-Kraftstoff-Gemisch von dem zweiten Strom 330 die erste Stufe 320 füllt. Daher wird die Druckdifferenz, die durch die aerodynamischen Stauvorrichtung 316 verursacht wird, nicht durch die seitlichen Löcher 318 gestört.
Sobald ein Funke in der Funkenstrecke 314 erzeugt wird, entzündet sich der Kraftstoff in der Funkenstrecke 314 und erzeugt somit einen Flammenkern. Aufgrund der Druckdifferenz wandert der Flammenkern in die erste Stufe 320 der Vorkammer 304, wo der Flammenkern vor der äußeren Umgebung durch die relativ geringe Größe der ersten Stufe 320 geschützt ist. Insbesondere bewegt sich der Flammenkern nach oben in eine Einkerbung 332, die sich in der Mittelelektrode 310 befindet. Die Einkerbung 332 lenkt dann den Flammenkern zu einer nach hinten gewandten Stufenstruktur 334 der Masseelektrode 308. Wenn die primäre Strömung in die erste Stufe 320 eintritt, erzeugt die nach hinten gewandte Stufe eine Rezirkulationszone, die eine gewisse Menge an Kraftstoff an dieser Stelle einfängt, was es dem Flammenkern ermöglicht, sich leicht auszudehnen, wobei er auch davor geschützt ist, durch die in die Funkenstrecke 314 eintretende primäre Strömung gelöscht zu werden. Daher bilden die Einkerbung 332 und die nach hinten gewandte Stufe 334 einen Flammenhalter, welcher den Flammenkern vor der eine höhere Geschwindigkeit aufweisenden primären Strömung 328 schützt.
Außerdem bleibt, da die seitlichen Löcher 318 nur das Eintreten einer minimalen Menge des Kraftstoffes in die erste Stufe 320 ermöglichen, der Flammenkern klein. Dies hält die Temperatur innerhalb der ersten Stufe 320 niedrig und begrenzt die Beschädigung der Masseelektrode 308 und der Mittelelektrode 310.
Während der Flammenkern wächst und den Kraftstoff in der ersten Stufe 320 verbraucht, wandert er aus den seitlichen Löchern 318 hinaus in die zweite Stufe 322 der Vorkammer 304. Der Flammenkern wird von der sekundären Strömung 330 transportiert und wickelt sich um den Isolator 312. Zu diesem Zeitpunkt beginnt der Flammenkern, sich auszubreiten und den Kraftstoff in der zweiten Stufe 322 zu verbrauchen. Die Flamme dehnt sich dann aus, wobei sie den Druck innerhalb der Vorkammer 304 stark erhöht, und schießt strahlförmig aus den Belüftungslöchern 324 hinaus und in die Zylinderkammer 302 hinein, wo sie den Kraftstoff in der Zylinderkammer 302 entzündet.
Durch Steuerung der Strömung des Flammenkerns um die Mittelelektrode 310 herum wird die nutzbare Lebensdauer der Vorkammerzündkerzenanordnung 300 beträchtlich verlängert. Der Grund hierfür ist, dass die erste Stufe die Mittelelektrode 310 umgibt und nur das Brennen des kleinen Flammenkerns um sie herum erlaubt, im Gegensatz zu herkömmlichen Systemen, welche eine freiliegende Funkenstrecke ohne einen Schutz aufweisen.
13 zeigt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche ein sekundäres Kraftstoffeinspritzventil 326 in der Vorkammer 304 enthält. Das sekundäre Kraftstoffeinspritzventil 326 spritzt speziell Kraftstoff in die Vorkammer 304 ein. Ein weiteres, primäres Kraftstoffeinspritzventil (nicht dargestellt) spritzt Kraftstoff in die Hauptzylinderkammer 302 ein, welcher durch die Belöfungslöcher 324 in die Vorkammer 304 gelangt. Das sekundäre Kraftstoffeinspritzventil 326 ermöglicht dem Benutzer, das Vorkammergemisch mit mehr Kraftstoff anzureichern, als typischerweise von der primären Einspritzung her vorhanden sein würde.
Typischerweise ist das Kraftstoff-Luft-Verhältnis der Zylinderkammer 302 stöchiometrisch, oder anders ausgedrückt, der Kraftstoff und die Luft sind vor der Verbrennung in gleichen Mengen in der Zylinderkammer 302 vorhanden. Daher könnte das Kraftstoff-Luft-Verhältnis innerhalb der Vorkammer 304 stöchiometrisch oder weniger als das (magerer) sein, aufgrund der Strömung durch die Belüftungslöcher 324. Um eine richtig mit Kraftstoff angereicherte Umgebung in der Vorkammer 304 unter Verwendung des sekundären Kraftstoffeinspritzventils 326 zu garantieren, erhöht das sekundäre Kraftstoffeinspritzventil 326 das Kraftstoff-Luft-Verhältnis. Typischerweise erfolgt die Erhöhung derart, dass das von der Hauptbrennkammer kommende magere Gemisch stöchiometrisch gemacht wird, oder anders ausgedrückt, es wäre nicht untypisch, den Vorkammer-Kraftstoff, da Luft in der Vorkammer 304 vorhanden ist, vor der Verbrennung auf mehr als das Zweifache des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses der Hauptkammer anzureichern. Durch Anreicherung in der Vorkammer 304 läuft der Zündprozess heißer ab. Ein heißerer Ablauf des Zündprozesses bewirkt jedoch eine Verringerung der nutzbaren Lebensdauer der Mittel- und der Masseelektrode 310, 308. Diese Ausführungsform ermöglicht es, die mit Kraftstoff gespeiste (mit Kraftstoff angereicherte) Vorkammer magerer zu betreiben, mit minimaler oder keiner Anreicherung - wodurch ein Kraftstoff-Luft-Verhältnis in der Vorkammer erzeugt wird, das dem mageren Gemisch, das in der Hauptkammer zu finden ist, wesentlich näher kommt und so weit wie möglich von stöchiometrischer Anreicherung entfernt ist. Eine solche Verringerung der Anreicherung in der Vorkammer führt zu niedrigeren Verbrennungstemperaturen in den und um die Funkenflächen, welche zu einer verlängerten Lebensdauer der Zündkerze führen.
14 zeigt ein mit einem Mantel 416 einer Vorkammer 404 einstückig ausgebildetes Gaseinlassventil 402, kombiniert mit einer Zündkerze 400. Bei der in 14 dargestellten speziellen Ausführungsform sind drei separate Gaseinlassventile 402a, 402b und 402c vorhanden. Die Gaseinlassventile 402a, 402b und 402c führen Kraftstoff aus Speicherkammern 430 der Vorkammer 404 zu. Wie im Zusammenhang mit 13 erörtert wurde, ermöglicht das Gaseinlassventil 402 dem Benutzer, die Anreicherung des Kraftstoff-Luft-Gemisches in der Vorkammer 404 einzustellen. Ferner ist bei gewissen Ausführungsformen die Zündkerze 400, welche einen Isolator 414, eine Mittelelektrode 406 und eine Masseelektrode 408 enthält, von dem Abschnitt mit dem Gaseinlassventil 402 demontierbar, so dass ein schnelles Wechseln der Zündkerze 400 erleichtert wird.
15 zeigt eine Detailansicht der Vorkammer 404 von 14. Die Vorkammer 404 ist mit einem Zylinder eines Motorsystems (nicht dargestellt) durch eine Endkappe 440 mit Belüftungslöchern 412 verbunden. Ähnlich wie oben erörterte Ausführungsformen der Erfindung enthält die Vorkammer 404 eine Mittelelektrode 406, eine Masseelektrode 408, Belüftungslöcher 412, einen Isolator 414 und einen Mantel 416. Eine aerodynamische Stauvorrichtung 428 ist bei dieser Ausführungsform ebenfalls vorhanden. Ferner weist der Isolator seitliche Löcher oder Schlitze 418 auf. Ähnlich wie die seitlichen Löcher 318 (aus 11) ermöglichen die Schlitze 418 den Zugang von einer ersten Stufe 420, welche durch einen Hohlraum definiert ist, der zwischen der mit dem Isolator 414 verbundenen Masseelektrode 408 und der Mittelelektrode 406 ausgebildet ist, und einer zweiten Stufe 422, welche durch einen Hohlraum zwischen dem Mantel 416 und der an dem Isolator 414 befestigten Masseelektrode 408 definiert ist.
Eine erste Druckdifferenz wird durch den Verdichtungshub eines Motorsystems erzeugt, der ein Kraftstoff-Luft-Gemisch mit einer Geschwindigkeit zwischen einem und einhundert Metern pro Sekunde durch die Belüftungslöcher 412 in die Vorkammer 404 presst, nach hinten und weg von der Endkappe 440. Während das Gemisch in die Vorkammer 404 strömt, sammelt es sich um eine Funkenstrecke 424 herum, die zwischen der Mittelelektrode 406 und der Masseelektrode 408 ausgebildet ist. Die relativ geringe Breite der Funkenstrecke 424 ermöglicht dann eine zweite Druckdifferenz zwischen der ersten Stufe 420 und der zweiten Stufe 422 der Vorkammer 404. Daher saugt, wenn an der Funkenstrecke 424 ein Funke erzeugt wird, die zweite Druckdifferenz den Flammenkern, der durch den das Kraftstoff-Luft-Gemisch zündenden Funken gebildet wird, in die erste Stufe 420, welche eine Flächenausdehnung aufweist, die dazu dient, die Strömung zu verlangsamen und eine Rezirkulationszone zu erzeugen, die zwischen einer in der Mittelelektrode 406 ausgebildeten Einkerbung 426 und einer in der Masseelektrode 408 ausgebildeten, nach hinten gewandten Stufe 432 gebildet wird. Die Rezirkulationszone hält Kraftstoffpartikel in Rezirkulationsschleifen und wirkt im Grunde als ein Flammenhalter - indem sie das Ausblasen des Flammenkerns verhindert, welcher aus dem Bereich der Funkenstrecke 424 hinausgerissen wird. Dieser Flammenkern verbrennt dann den Kraftstoff in der ersten Stufe 420, bis er durch die Schlitze 418 hindurch in die zweite Stufe 422 austritt. In der zweiten Stufe 422 wächst der Flammenkern zu einer Flamme an, indem er dem Kraftstoff in der Vorkammer 404 verbraucht. Dies erhöht den Druck in der Vorkammer 404 beträchtlich und bewirkt, dass die Flamme strahlförmig aus den Belüftungslöchern 412 hinausschießt.
Das Entfernen des Flammenkerns aus dem Bereich der Funkenstrecke und in den Flammenhalter bewirkt eine Verringerung der Temperatur der Funkenflächen, wodurch der primäre Faktor reduziert wird, der für die Verkürzung der Lebensdauer von Zündkerzen verantwortlich ist, nämlich eine Hochtemperaturoxidation der Funkenfläche bei Vorhandensein einer bei hohen Temperaturen oxidierenden Umgebung. Daher führt das Entfernen des eine hohe Temperatur aufweisenden Flammenkerns aus der Funkenstrecke 424, nachdem der Funke erzeugt wurde, zu einer Verlängerung der Lebensdauer der Funkenfläche und somit der Zündkerze.
Eine andere Funktion des Belüftungsloches 412 in der Form einer mittleren oder primären Lochströmung ist es, die rohrförmige Masseelektrode 408 und die Funkenfläche während des Ansaugzeitraums vor dem Funken zu kühlen, da die angesaugte frische Ladung eine niedrigere Temperatur aufweist als die Restgase in der Vorkammer 404. Dies verlängert die Lebensdauer der Zündkerzenoberfläche zusätzlich, verringert jedoch auch die Oberflächentemperaturen in der Vorkammer 404, wobei die Temperaturen unter der Selbstzündungstemperatur der frischen Ladung gehalten werden.
Ähnlich wie bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform wird durch Steuerung der Strömung des Flammenkerns um die Mittelelektrode 406 herum die nutzbare Lebensdauer der Zündkerze 400 beträchtlich verlängert. Der Grund hierfür ist, dass die erste Stufe die Mittelelektrode 406 umgibt und nur das Brennen des kleinen Flammenkerns um sie herum erlaubt, im Gegensatz zu herkömmlichen Systemen, welche eine freiliegende Funkenstrecke ohne einen Schutz aufweisen.
Bei einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Spalt 536 zwischen einer Außenfläche eines Keramikisolators 512 und einer Innenfläche eines Mantels 534 in der Nähe eines Unterteils oder Fußes 538 des Mantels 534 und des Isolators 512 erzeugt, wie in 16 dargestellt. Der Spalt 536 ist dazu bestimmt, die Wärmeübertragung von dem heißen Restkraftstoff/Restgasen zu dem kühleren Mantelbereich zu verbessern, welcher an der Rückseite durch Eingriff in das Gewinde des (wahrscheinlich wasser- oder ölgekühlten) Zylinderkopfes des Zylinders (nicht dargestellt) gekühlt wird. Der Spalt 536 weist ein größeres Verhältnis der Oberfläche zum Volumen auf, was das Kühlen der Restgase und somit das „Löschen“ der Reaktionsfähigkeit der Restgase begünstigt.
Bei einer Ausführungsform ist das Volumen des Spalts 536 dazu ausgebildet, ungefähr 1/5 bis 1/10 des Volumens der Vorkammer 504 zu betragen, so dass, wenn die Vorkammer 504 mit Restgasen gefüllt ist, diese in den Spalt 536 hinein komprimiert werden und nicht mehr Raum einnehmen als denjenigen, der durch das Verdichtungsverhältnis des Motors zugelassen ist (d.h. ein Motor mit einem Verdichtungsverhältnis von 10:1 verringert dann das Gasvolumen der Vorkammer 504 während der Verdichtung auf 1/10).
Eine weitere Ausführungsform kann eine Vergrößerung der Oberfläche des Spaltbereiches durch ein Mittel ähnlich einem „Schrauben“ des Mantels 534 in den Spalt 536 beinhalten, um die Fähigkeit des Spaltes 536 zur Wärmeableitung zum Kühlen des Restgases noch weiter zu verbessern.

Claims

Vorkammerzündkerzenanordnung (300), welche umfasst: eine Vorkammer (304) und eine Zündkerze (306), welche innerhalb der Vorkammer (304) angeordnet ist; einen Mantel (334); eine Endkappe (340) des Mantels (334), die mehrere Belüftungslöcher (324) aufweist; einen Isolator (312), der innerhalb des Mantels (334) angeordnet ist; eine Mittelelektrode (310), die von dem Isolator (312) koaxial umgeben ist und sich in die Vorkammer (304) hinein erstreckt, wobei die Vorkammer (304) durch den Mantel (334) und die Endkappe (340) definiert ist; und eine Masseelektrode (308), die an dem Isolator (312) befestigt ist und ein distales Ende der Mittelelektrode (310) umgibt und umfasst: einen rohrförmigen Innenring, der in einer die Mittelelektrode (310) umgebenden Position und von dieser beabstandet angeordnet ist, und eine radial bezüglich des rohrförmigen Innenrings versetzte Umfangsverlängerung, die sich axial über das distale Ende der Mittelelektrode (310) hinaus erstreckt und einen aerodynamischen Nasenkegel bildet, wobei der aerodynamische Nasenkegel an der Masseelektrode (308) befestigt ist, um eine aerodynamische Stauvorrichtung zu bilden.
Vorkammerzündkerzenanordnung nach Anspruch 1, welche ferner eine erste Stufe (320) umfasst, die durch einen Hohlraum definiert ist, der zwischen der Masseelektrode (308) und dem Isolator (312) ausgebildet ist.
Vorkammerzündkerzenanordnung nach Anspruch 1, wobei die Form des aerodynamischen Nasenkegels so gestaltet ist, dass sie eine Strömung eines Luft-Kraftstoff-Gemisches durch Zwischenräume zwischen der Masseelektrode (308) und der Mittelelektrode (310) erleichtert.
Vorkammerzündkerzenanordnung nach Anspruch 1, wobei mehrere Belüftungslöcher (324) in der Endkappe (340) dafür ausgebildet sind, eine primäre Strömung eines Luft-Kraftstoff-Gemisches in den aerodynamischen Nasenkegel zu lenken.
Vorkammerzündkerzenanordnung nach Anspruch 4, wobei die mehreren Belüftungslöcher (324) in der Endkappe (340) dafür ausgebildet sind zu bewirken, dass eine in die Vorkammer (304) strömende sekundäre Strömung des Luft-Kraftstoff-Gemisches in der Vorkammer (304) verwirbelt wird.
Vorkammerzündkerzenanordnung nach Anspruch 5, wobei die mehreren Belüftungslöcher (324) unter einem Winkel angeordnet sind, so dass jedes Loch eine Längsachse aufweist, welche weder senkrecht noch parallel zu einer Längsachse der Vorkammerzündkerze ist und die Längsachse der Vorkammerzündkerze nicht schneidet.
Vorkammerzündkerzenanordnung nach Anspruch 1, welche ferner eine Kraftstoffeinspritzventil (326) in der Vorkammer umfasst, die dafür ausgebildet ist, ein Kraftstoff-Luft-Verhältnis der Vorkammer anzureichern.
Vorkammerzündkerzenanordnung nach Anspruch 1, wobei eine Fläche der Mittelelektrode (310) und eine Fläche der Masseelektrode (308) aus der Gruppe ausgewählt sind, welche besteht aus: einer Nickellegierung, einer Platinlegierung und einer Iridiumlegierung.
Vorkammerzündkerzenanordnung nach Anspruch 1, wobei ein distales Ende der Mittelelektrode (310) eine ebene Fläche ist.
Vorkammerzündkerzenanordnung nach Anspruch 2, wobei die Mittelelektrode (310) eine Einkerbung (332) enthält und die Masseelektrode (308) eine nach hinten gewandte Stufe (334), welche der Einkerbung zugewandt ist, bildet, welche einen Flammenhalter in der ersten Stufe bilden.
Verfahren zur Erleichterung der Verbrennung in einer Verbrennungskraftmaschine unter Verwendung der Vorkammerzündkerzenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, welches umfasst: Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemisches in der Vorkammer (304) der Vorkammerzündkerze (300), wobei das Zünden des Luft-Kraftstoff-Gemisches in der Vorkammer (304) umfasst: Bereitstellen mehrerer Belüftungslöcher (324) in der Endkappe (340), um eine primäre Strömung des Luft-Kraftstoff-Gemisches in eine Funkenstrecke der Vorkammer (304) hinein zu ermöglichen; Zünden des Luft-Kraftstoff-Gemisches, wobei ein Zündereignis einen Flammenkern erzeugt; Transportieren des Flammenkerns zu einer ersten Stufe (320) der Vorkammer, wobei die erste Stufe (320) der Vorkammer (304) durch einen Hohlraum definiert ist, der zwischen einer an einem Isolator (312) befestigten Masseelektrode (308), welche koaxial zu einer Mittelelektrode (310) ist, und der Mittelelektrode (310) angeordnet ist, Bereitstellen einer sekundären Strömung des Luft-Kraftstoff-Gemisches in die Vorkammer hinein von den mehreren Belüftungslöchern (324), derart, dass sich die sekundäre Strömung durch eine zweite Stufe (322) der Vorkammer (304) hindurch verteilt, die durch einen Hohlraum definiert ist, der außerhalb der an dem Isolator (312) befestigten Masseelektrode (308) angeordnet ist; wobei sich der Flammenkern von der ersten Stufe (320) zu der zweiten Stufe (322) bewegt; und Entzünden der sekundären Strömung des Luft-Kraftstoff-Gemisches, wodurch das Austreten eines Fackelstrahls aus den mehreren Belüftungslöchern (324) verursacht wird, wobei die primäre Strömung des Luft-Kraftstoff-Gemisches in eine aerodynamische Stauvorrichtung strömt, die ein distales Ende der Mittelelektrode (310) umgibt.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Bereitstellen der sekundären Strömung das Bereitstellen mindestens eines Belüftungsloches (324) umfasst, das eine Längsachse aufweist, welche nicht parallel und nicht senkrecht zu einer Längsachse der Vorkammerzündkerze ist und diese nicht schneidet.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die primäre und die sekundäre Strömung des Luft-Kraftstoff-Gemisches Restmengen von Kraftstoff aus der Funkenstrecke spülen.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die primäre Strömung die Funkenstrecke und die Masseelektrode (308) kühlt.
Verfahren nach Anspruch 11, welches ferner umfasst: Bereitstellen einer Kraftstoffeinspritzventil (326) in der Vorkammer (304); Einspritzen von Kraftstoff in die Vorkammer, dadurch Anreichern eines Kraftstoff-Luft-Verhältnisses der Vorkammer.