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Die Erfindung betrifft eine Zündeinrichtung für einen Verbrennungsmotor gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen Verbrennungsmotor gemäß Oberbegriff des Anspruchs 12.
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Zündeinrichtungen der hier angesprochenen Art sind bekannt. Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 101 44 976 A1 geht eine als Vorkammerzündkerze ausgebildete Zündeinrichtung hervor, welche eine durch eine Kammerwandung gegenüber einem Brennraum eines der Zündeinrichtung zugeordneten Zylinders eines Verbrennungsmotors abgeteilte, eine Mittelachse aufweisende Zündkammer umfasst. In der Zündkammer ist ein Zündbereich vorgesehen, in welchem ein in der Zündkammer vorliegendes Brennstoff/Luft-Gemisch gezündet wird. Die Vorkammerzündkerze ist als elektrische Zündkerze mit mindestens zwei Elektroden ausgebildet, zwischen denen im Zündzeitpunkt ein Zündfunke erzeugt wird. Daher ist in der Zündkammer eine Zündanordnung vorgesehen, die eine Mittelelektrode aufweist, deren Symmetrieachse mit der Mittelachse zusammenfällt. Die Zündanordnung weist außerdem eine Massenelektrode auf, die durch einen Zündspalt von der Mittelelektrode beabstandet ist. Im Betrieb der Zündeinrichtung beziehungsweise des Verbrennungsmotors wird zu einem vorherbestimmten Zündzeitpunkt an die Mittelelektrode eine Hochspannung angelegt, sodass in dem Zündspalt ein Zündfunke von der Mittelelektrode zu der vorzugsweise dauerhaft auf Massepotential liegenden beziehungsweise geerdeten Massenelektrode überspringt. Hierdurch wird ein in der Zündkammer vorliegendes Brennstoff/Luft-Gemisch gezündet. Der Zündbereich ist daher in diesem Fall in dem Zündspalt angeordnet beziehungsweise fällt mit dem Zündspalt zusammen. Die Kammerwandung weist mindestens eine Bohrung auf, die eine Fluidverbindung zwischen der Zündkammer und dem Brennraum bereitstellt.
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In einem Kompressionstakt des Zylinders wird Frischgas, also unverbranntes Brennstoff/Luft-Gemisch, aus dem Brennraum über die mindestens eine Bohrung in die Zündkammer eingeschoben. Dieses wird dort zu dem Zündzeitpunkt entzündet, wobei das entflammte Gemisch über die auch als Schusskanal bezeichnete, mindestens eine Bohrung in den Brennraum des Zylinders schießt. Auf diese Weise wird eine sichere und schnelle Entflammung sowie eine möglichst homogene Ladungsumsetzung des Gemischs im Brennraum gewährleistet. Letztlich wird so eine Zündenergieverstärkung bewirkt, wobei die um die Energie der in der Zündkammer entflammten Gemischmenge verstärkte Zündenergie über den mindestens einen Schusskanal die Reaktion im Brennraum sicher auslösen kann. Dies ist insbesondere wichtig, wenn der Verbrennungsmotor mit einem stark abgemagerten Gemisch betrieben werden soll, welches in dem Brennraum allein mit der Zündenergie einer Zündkerze kaum entflammbar ist. Besonders tritt diese Problematik bei Gasmotoren, ganz bevorzugt bei Magergasmotoren auf.
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Es zeigt sich, dass in der Zündkammer stets ein nicht unerheblicher Anteil an Restgas aus dem vorhergehenden Verbrennungszyklus verbleibt. Dieser kann mittels einer gelungenen Abstimmung eines Volumens der Zündkammer oberhalb des Zündspalts inklusive eines einen Isolatorfuß der Mittelelektrode umgebenden Volumens sowie einem mithilfe der Ausbildung und Anordnung der wenigstens einen Bohrung eingestellten, definierten Drall- und/oder Tumbleverhältnis der im Kompressionstakt in der Zündkammer herrschenden Strömung gut um die Mittelachse der Zündkammer konzentriert werden. In diesem Fall ist dann das schwer entflammbare Restgas im Bereich eines Zentrums der Zündkammer konzentriert, während im Bereich der Kammerwandung ein hoher Frischgasanteil, also ein hoher Anteil unverbrannten Brennstoff/Luft-Gemischs vorherrscht. Dies ist vorteilhaft, wenn in der Zündeinrichtung eine so genannte wandnahe Funkenlage verwirklicht ist, wobei typischerweise die Kammerwandung als Massenelektrode geschaltet ist.
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Bei Vorkammerzündkerzen, wie sie beispielsweise aus der
DE 101 44 976 A1 hervorgehen, ist jedoch die Massenelektrode, die auch aus mehreren Massenelektrodensegmenten gebildet sein kann, separat von der Kammerwandung ausgebildet, und der Zündspalt ist in einem Bereich um die Mittelelektrode herum vorgesehen. Es wird eine sogenannte zentrale Funkenlage realisiert. Hierbei ist es sehr ungünstig, wenn aufgrund der im Kompressionstakt herrschenden Strömungsverhältnisse ein Restgasanteil im zentralen Bereich der Zündkammer, mithin im Bereich des Zündspalts konzentriert wird, während der Frischgasanteil im Bereich der Kammerwandung erhöht ist. So kann eine sichere Zündung des Gemischs im Zündspalt kaum gewährleistet werden.
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Dabei zeigt sich auch, dass die Bohrungen oder Schusskanäle bekannter Vorkammerzündkerzen im Allgemeinen so angeordnet und ausgerichtet sich, dass sich im Kompressionstakt in der Zündkammer Tumble- und/oder Drallströmungen ergeben. Drallströmungen werden dabei in einem oberen Bereich eines die Mittelelektrode umgebenden Isolatorfußes zu einem großen Teil in Tumbleströmungen umgewandelt, sodass sich letztlich eine Erhöhung der Restgaskonzentration in dem zentralen Bereich der Zündkammer kaum vermeiden lässt. Eine optimale Ausbreitung der Flammenfront ist so erheblich beeinträchtigt.
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Dieses Problem ergibt sich nicht nur in Zusammenhang mit elektrischen Vorkammerzündkerzen. Auch bei anderen Zündeinrichtungen, beispielsweise bei Laser-Zündkerzen oder Korona-Zündkerzen, bei denen eine zentrale Zündlage, also eine Anordnung des Zündbereichs im Bereich der Mittelachse vorgesehen ist, ist eine hohe Restgaskonzentration in dem zentralen Bereich nachteilig. Im Folgenden entspricht bei einer elektrischen Zündeinrichtung der eingangs genannten Art der Zündspalt dem Zündbereich und die Funkenlage der Zündlage.
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Wird eine solche Zündkerze mit zentraler Zünd- oder Funkenlage bei einem Verbrennungsmotor eingesetzt, der mit Sondergas, nämlich mit einem stark inertgashaltigen Brenngas betrieben wird, verschärft sich dieses Problem dadurch, dass der Zündzeitpunkt aufgrund der hohen Inertgasanteile im Brenngas hin zu einem früheren Zeitpunkt vorverlegt werden muss. Damit steht jedoch im Kompressionstakt weniger Zeit zur Verfügung, um Restgasanteile in der Zündkammer zu reduzieren, sodass diese nochmals größer sind als bei einem späteren Zündzeitpunkt. Ungünstig für das Zündverhalten ist auch, dass bei einem frühen Zündzeitpunkt eine Ladungsbewegung in der Zündkammer und damit auch im Zündbereich gegenüber einem späteren Zündzeitpunkt erhöht ist. Der Begriff „Ladungsbewegung“ spricht dabei die Stärke der Gasströmung in der Zündkammer an.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Zündeinrichtung und einen Verbrennungsmotor zu schaffen, bei welchem eine zentrale Zündlage mit zugleich sicherer Entflammung und höherem Frischgasanteil im Zündbereich gewährleistet ist. Auf diese Weise soll der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors gesteigert werden, weil eine sichere und effiziente Zündung eines Gemischs mit hohem Frischgasanteil im Zündbereich erfolgt.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem eine Zündeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 geschaffen wird.
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Diese zeichnet sich aus durch ein Strömungsleitelement, das derart ausgebildet und so relativ zu dem Zündbereich angeordnet ist, dass in einem Kompressionstakt des Zylinders im Wesentlichen Frischgas in dem Zündbereich strömt. Insbesondere ist dabei vorgesehen, dass das Strömungsleitelement bewirkt, dass eine gegenläufige Strömung in dem Zündbereich vermieden wird, bei der aus dem Brennraum heranströmendes Frischgas in einer ersten Richtung und zugleich aus einem Volumen oberhalb des Zündbereichs kommendes Restgas in einer zweiten, zu der ersten Richtung entgegengesetzten Richtung, durch den Zündbereich strömt. Vielmehr ist das Strömungsleitelement vorzugsweise so angeordnet und ausgebildet, dass die Frischgasströmung durch den Zündbereich möglichst nicht beeinträchtigt wird, während zugleich die Restgasströmung an dem Zündbereich vorbeigeleitet wird. Auf diese Weise wird der Zündbereich sehr effizient mit Frischgas gespült und weist auch im Zündzeitpunkt eine hohe Frischgaskonzentration auf. Hierdurch ist eine effiziente, den Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors steigernde Zündung im Zündbereich gewährleistet.
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Es wird eine Zündeinrichtung bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass sie eine Zündanordnung zur Zündung des in der Zündkammer vorliegenden Brennstoff/Luft-Gemischs in der Zündkammer umfasst, wobei die Zündanordnung eine eine Symmetrieachse aufweisende Mittelelektrode aufweist, deren Symmetrieachse mit der Mittelachse zusammenfällt, wobei die Zündanordnung weiterhin mindestens eine durch einen Zündspalt von der Mittelelektrode beabstandete Massenelektrode aufweist. Der Zündbereich ist in diesem Fall in dem Zündspalt angeordnet, beziehungsweise kann mit dem Zündspalt gleichgesetzt werden. Dabei ist das Strömungsleitelement derart ausgebildet und so relativ zu der Zündanordnung angeordnet, dass in einem Kompressionstakt des Zylinders im Wesentlichen Frischgas in dem Zündspalt strömt. Die Zündeinrichtung ist in diesem Fall als elektrische Zündeinrichtung zur Zündung durch einen zwischen der Mittelelektrode und der Massenelektrode bewirkten Funkenüberschlag ausgebildet. Dabei wird eine gegenläufige Strömung in dem Zündspalt vermieden, und eine Frischgasströmung durch den Zündspalt wird möglichst nicht beeinträchtigt, während die Restgasströmung an dem Zündspalt vorbeigeleitet wird. Der Zündspalt wird so sehr effizient mit Frischgas gespült, sodass er auch im Zündzeitpunkt eine hohe Frischgaskonzentration aufweist. Eine effiziente, den Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors steigernde Zündung im Zündspalt wird gewähleistet.
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Besonders bevorzugt ist das Strömungsleitelement so angeordnet und ausgebildet, dass es den Zündspalt – in radialer Richtung gesehen – abdeckt und vorzugsweise sogar über ihn hinausragt. Dabei ist das Strömungsleitelement vorzugsweise auf einer dem Brennraum beziehungsweise der Kammerwandung abgewandten Seite des Zündspalts angeordnet, wobei Frischgas ohne Weiteres von der Seite des Brennraums her in den Zündspalt einströmen kann, während aus der entgegengesetzten Richtung heranströmendes Restgas von dem Strömungsleitelement am Einströmen in den Zündspalt gehindert beziehungsweise von diesem weggelenkt wird.
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Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass sich das Strömungsleitelement – in radialer Richtung gesehen – entlang der Mittelachse gesehen erweitert. Es bildet also zu dem Zündspalt hin quasi eine Art ansteigender Rampe aus, durch die entgegen der Frischgasströmung zum Zündspalt hinströmendes Restgas – in radialer Richtung gesehen – von diesem weggeleitet wird.
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Dabei spricht eine axiale Richtung eine Richtung an, die sich entlang der Mittelachse der Zündkammer beziehungsweise entlang der Symmetrieachse der Mittelelektrode erstreckt. Eine radiale Richtung spricht eine Richtung an, die senkrecht auf der Mittelachse steht. Eine Umfangsrichtung spricht eine Richtung an, welche die Mittelachse der Zündkammer beziehungsweise die Symmetrieachse der Mittelelektrode konzentrisch umgibt.
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Es wird also mithilfe des Strömungsleitelements verhindert, dass sich in dem Zündspalt zwei gegenläufige Strömungen in dem Kompressionstakt ausbilden, nämlich eine von unten heranströmende Frischgasströmung einerseits, und eine von oben heranströmende Restgasströmung andererseits. Vielmehr wird die Restgasströmung durch das Strömungsleitelement – in radialer Richtung gesehen – abgelenkt, sodass sie nicht durch den Zündspalt verläuft.
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Dabei spricht die Formulierung „unten“ eine dem Brennraum zugewandte Seite an, während die Formulierung „oben“ eine dem Brennraum abgewandte Seite – entlang der Mittelachse gesehen – anspricht. In dem Kompressionstakt kommt daher die Frischgasströmung „von unten“, nämlich aus dem Brennraum, während sich die Restgasströmung im Wesentlichen „von oben“ ergibt, nämlich aus einem einen Isolatorfuß umgebenden Volumen oberhalb des Zündspalts.
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Es wird eine Zündeinrichtung bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass das Strömungsleitelement an der Mittelelektrode angeordnet ist. Es ist möglich, dass das Strömungsleitelement als separates Teil ausgebildet ist, welches mit der Mittelelektrode gefügt oder anderweitig an dieser befestigt ist. Bevorzugt ist das Strömungsleitelement allerdings einstückig mit der Mittelelektrode ausgebildet und vorzugsweise als radialer Vorsprung einer Mantelfläche derselben vorgesehen. Es ist – in Richtung der Mittelachse gesehen – oberhalb des Zündspalts ausgebildet, um die bereits beschriebenen Strömungsverhältnisse gewährleisten zu können. Wie bereits angesprochen, überdeckt es den Zündspalt vorzugsweise vollständig beziehungsweise ragt – in radialer Richtung gesehen – über diesen hinaus.
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Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist es allerdings auch möglich, dass das Strömungsleitelement den Zündspalt nicht vollständig überdeckt. Je nach dessen sonstiger geometrischer Ausbildung kann es nämlich genügen, dass das Strömungsleitelement den Zündspalt nur teilweise überdeckt, wobei gleichwohl von oben heranströmendes Restgas effizient und in ausreichendem Umfang von dem Strömungsleitelement – in radialer Richtung gesehen – von dem Zündspalt weggeleitet wird.
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Ein – in axialer Richtung gemessener – Abstand des mit der Mittelelektrode einstückig ausgebildeten Strömungsleitelements zu dem Zündspalt ist vorzugsweise so gewählt, dass sich kein Überschlag im Bereich des Strömungsleitelements einstellt, wenn die Mittelelektrode mit Hochspannung beaufschlagt wird. Vielmehr ist der Abstand vorzugsweise so gewählt, dass nur im Bereich des Zündspalts Funkenüberschläge auftreten. Für einen effizienten Betrieb der Zündeinrichtung ist es wichtig zu vermeiden, dass Funkenüberschläge außerhalb des Zündspalts auftreten.
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Die Mittelelektrode ist vorzugsweise bereichsweise von einem Isolatorfuß umgriffen. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel der Zündeinrichtung ist nun vorgesehen, dass das Strömungsleitelement nicht an der Mittelelektrode, sondern an dem Isolatorfuß vorgesehen ist. Dabei ist es möglich, dass das Strömungsleitelement als separates Teil mit dem Isolatorfuß gefügt beziehungsweise an diesem anderweitig befestigt ist. Es wird allerdings bevorzugt, dass das Strömungsleitelement einstückig mit dem Isolatorfuß als Teil desselben vorgesehen ist. Bevorzugt ist es als radialer Vorsprung einer Mantelfläche des Isolatorfußes ausgebildet. Auch in diesem Fall überdeckt das Strömungsleitelement vorzugsweise den Zündspalt – in radialer Richtung gesehen – vollständig beziehungsweise überragt diesen besonders bevorzugt.
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Es wird auch eine Zündeinrichtung bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass das Strömungsleitelement als im Wesentlichen kegelförmiger Vorsprung der Mantelfläche der Mittelelektrode ausgebildet ist. Alternativ oder zusätzlich wird bevorzugt, dass das Strömungsleitelement als im Wesentlichen kegelförmiger Vorsprung der Mantelfläche des Isolatorfußes ausgebildet ist. In diesem Fall ist das Strömungsleitelement – wie im Übrigen vorzugsweise die gesamte Zündeinrichtung – rotationssymmetrisch um die Mittelachse ausgebildet, wobei besonders bevorzugt ein – im Längsschnitt gesehen – dreieckförmiger Vorsprung an der Mittelelektrode und/oder dem Isolatorfuß vorgesehen ist, wobei die dreieckförmige Schnittfläche durch Rotation um die Mittelachse insgesamt einen kegelförmigen Vorsprung ergibt. Der Kegel öffnet sich vorzugsweise nach unten, also in Richtung auf den Zündspalt, wobei er diesen im Bereich seiner Grundfläche, also im Bereich seines größten Durchmessers, vorzugsweise überdeckt und besonders bevorzugt überragt.
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Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel ist es möglich, dass das Strömungsleitelement selbst nicht rotationssymmetrisch um die Mittelachse ausgebildet ist. Insbesondere ist es möglich, dass das Strömungsleitelement mehr als einen Vorsprung umfasst, wobei die Mehrzahl von Vorsprüngen vorzugsweise – in Umfangsrichtung gesehen – in gleichem Winkelabstand zueinander symmetrisch um die Mittelachse angeordnet sind.
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Ist das Strömungsleitelement als im Wesentlichen kegelförmiger Vorsprung ausgebildet, weist es vorzugsweise eine als Strömungsrampe dienende nach oben zu der Mittelachse hin abfallende Kegelmantelfläche auf, deren Begrenzungslinie – im Längsschnitt gesehen – geradlinig ausgebildet ist. Es ist auch ein Ausführungsbeispiel möglich, bei dem die Kegelmantelfläche – in Richtung der Mittelachse gesehen – zumindest bereichsweise gekrümmt, insbesondere konvex oder konkav ausgebildet ist, sodass sie – im Längsschnitt gesehen – keine geradlinige Begrenzung, sondern eine gekrümmte Begrenzungslinie aufweist. Dabei kann der Verlauf der Begrenzungslinie, mithin die Form der Mantelfläche, auf ein gewünschtes Strömungsverhalten insbesondere des an der Mantelfläche vorbeiströmenden Restgases abgestimmt werden, um dieses effektiv – in radialer Richtung gesehen – von dem Zündspalt weg zu lenken.
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Es wird eine Zündeinrichtung bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass der kegelförmige Vorsprung an der Mittelelektrode angeordnet, vorzugsweise einstückig mit dieser vorgesehen ist, wobei er unmittelbar im Bereich einer axialen Stirnfläche des Isolatorfußes entspringt und sich – in axialer Richtung gesehen – zu der Massenelektrode hin, mithin nach unten, erweitert. Dabei weist eine axiale Endfläche des Vorsprungs, nämlich die Grundfläche des Kegels – in axialer Richtung gesehen – einen Abstand zu dem Zündspalt auf. Dies bedeutet insbesondere, dass die axiale Endfläche des Vorsprungs von einer dieser gegenüberliegenden axialen Endfläche der Massenelektrode, die den Zündspalt begrenzt, beabstandet ist. Dabei wird dieser Abstand bevorzugt so gewählt, dass kein Funkenüberschlag von dem Vorsprung zu der Massenelektrode auftritt, wenn die Mittelelektrode mit einer Hochspannung beaufschlagt wird. Hierdurch wird sichergestellt, dass Funkenüberschläge im Zündzeitpunkt stets ausschließlich in dem Zündspalt erfolgen.
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Es wird auch eine Zündeinrichtung bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass der kegelförmige Vorsprung an dem Isolatorfuß angeordnet ist, wobei er seinen größten Durchmesser – in axialer Richtung gesehen – vorzugsweise auf der Höhe der axialen Stirnfläche des Isolatorfußes aufweist. Mithin ist die Grundfläche des Kegels bündig beziehungsweise fluchtend mit der axialen Stirnfläche des Isolatorfußes vorgesehen. Der Durchmesser des kegelförmigen Vorsprungs verringert sich – ebenfalls in axialer Richtung gesehen – von der Massenelektrode wegweisend, also nach oben.
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Damit zeigt sich insgesamt, dass sich der kegelförmige Vorsprung unabhängig von dem konkreten Ausführungsbeispiel bevorzugt nach unten, also zu dem Zündspalt hin, erweitert, sodass die Kegelmantelfläche entsprechend eine Rampe für das von oben heranströmende Restgas ausbildet, um dieses radial von dem Zündspalt weg zu lenken.
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Es wird auch eine Zündeinrichtung bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass die Massenelektrode als Ringelektrode ausgebildet ist, welche die Mittelelektrode – in Umfangsrichtung gesehen – umgreift. Dabei ist der Zündspalt vorzugsweise als Ringspalt ausgebildet, welcher die Mittelelektrode – in Umfangsrichtung gesehen – umgreift. Die Ringelektrode ist durch mindestens ein Abstandselement, insbesondere einen Steg, gehalten. Das Abstandselement oder der Steg ist vorzugsweise an dem Grundkörper der Vorkammerzündkerze oder an der Kammerwandung befestigt.
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Es ist möglich, dass die Ringelektrode einzelne, separate Elektrodenelemente umfasst, die vorzugsweise – in Umfangsrichtung gesehen – in gleichem Winkelabstand voneinander und somit symmetrisch um die Mittelachse verteilt vorgesehen sind. In diesem Fall ist bevorzugt jedes einzelne Elektrodensegment durch mindestens ein Abstandselement oder einen Steg gehalten, besonders bevorzugt einstückig mit dem Abstandselement oder dem Steg ausgebildet.
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Es ist auch möglich, dass die Ringelektrode einstückig als – in Umfangsrichtung gesehen – nicht durchbrochener Ring ausgebildet ist. In diesem Fall ist es möglich, dass der Ring nur durch ein einziges Abstandselement oder einen einzigen Steg gehalten wird. Vorzugsweise sind aber – in Umfangsrichtung gesehen – bevorzugt symmetrisch um die Mittelachse verteilte, mithin im gleichen Winkelabstand voneinander vorgesehene Abstandselemente oder Stege vorgesehen, beispielsweise drei oder vier solcher Stege.
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Wesentlich hierbei ist, dass sich um das mindestens eine Abstandselement herum beziehungsweise zwischen den einzelnen Abstandselementen mindestens ein Freiraum ergibt, durch den Restgas in Richtung des Brennraums, also nach unten strömen kann. Während demnach Frischgas von unten in den Zündspalt einströmt, wird von oben heranströmendes Restgas durch das Strömungsleitelement von dem Zündspalt weg radial nach außen geleitet, wo es durch den mindestens einen Freiraum nach unten strömen kann. Damit werden die Strömungspfade für das Frischgas einerseits und das Restgas andererseits voneinander separiert, wobei nur der Strömungspfad für das Frischgas durch den Zündspalt führt. Hierdurch wird effizient vermieden, dass die Frischgasströmung einerseits und die Restgasströmung andererseits sich im Zündspalt begegnen, wodurch andernfalls im Zündzeitpunkt die Frischgaskonzentration im Zündspalt erniedrigt wäre.
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Es wird auch eine Zündeinrichtung bevorzugt, die als Laser-Zündkerze ausgebildet ist. Hierbei wird das Brennstoff/Luft-Gemisch in dem Zündbereich durch mindestens einen Laserstrahl entzündet. Ist dabei eine zentrale Zündlage vorgesehen, ist es vorteilhaft, wenn durch das Strömungsleitelement bewirkt wird, dass im Wesentlichen Frischgas in dem Zündbereich strömt. Da in einer Laser-Zündkerze kein Isolatorfuß und keine Mittelelektrode zur Anordnung des Strömungsleitelements zur Verfügung stehen, ist bevorzugt in der Zündkammer mindestens ein Halteelement, insbesondere eine Haltestruktur, vorgesehen, an welcher das Strömungsleitelement angeordnet ist. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass das Halteelement als Käfigstruktur ausgebildet ist, wobei es in seiner Form insbesondere einer als Ringelektrode ausgebildeten Massenelektrode nachgebildet sein kann. Jedenfalls ist es mithilfe des mindestens einen Halteelements möglich, das Strömungsleitelement derart in der Zündkammer anzuordnen, dass eine Restgasströmung von dem Zündbereich weggeleitet wird, während in dem Zündbereich im Wesentlichen Frischgas strömt.
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Es wird auch eine Zündeinrichtung bevorzugt, die als Korona-Zündkerze ausgebildet ist. Hierbei wird das Brennstoff/Luft-Gemisch durch eine von einer Korona-Elektrode ausgehenden Korona-Entladung gezündet. Vorzugsweise ist die Korona-Elektrode bereichsweise von einem Isolatorfuß umgriffen. Das Strömungsleitelement ist vorzugsweise an dem Isolatorfuß angeordnet, wobei sich bevorzugt eine analoge Konfiguration ergibt wie bei einer Anordnung des Strömungsleitelements an dem Isolatorfuß der Mittelelektrode einer elektrischen Zündeinrichtung mit Funkenzündung. Bei einer Korona-Zündkerze, bei welcher eine zentrale Zündlage verwirklicht wird, wirkt sich das Strömungsleitelement vorteilhaft aus, weil eine Restgasströmung an dem Zündbereich vorbeigelenkt werden kann, während in dem Zündbereich im Wesentlichen Frischgas strömt.
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Es wird auch eine Zündeinrichtung bevorzugt, die als Vorkammerzündkerze ausgebildet ist. Dies spricht an, dass die Zündkammer eine bauliche Einheit mit der Zündkerze bildet, die vorzugsweise in einen Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors eingeschraubt oder anderweitig an diesem befestigt wird. Die Kammerwandung ist vorzugsweise durch eine Zündkappe gebildet, die an einem Grundkörper der Vorkammerzündkerze angeordnet beziehungsweise mit dem Grundkörper gefügt oder anderweitig an diesem befestigt ist.
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Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel ist es möglich, dass die Zündkammer als Teil des Zylinderkopfes ausgebildet ist, wobei die Zündanordnung vorzugsweise an einer Zündkerze vorgesehen ist, die in den Zylinderkopf eingeschraubt oder anderweitig an diesem befestigt ist.
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Es zeigt sich noch, dass sich durch das Strömungsleitelement der Wärmewert der Zündeinrichtung erhöht. Ein Teil der von der Zündeinrichtung aufgenommenen Wärme wird wiederum an das Frischgas abgegeben, was sich positiv auf dessen Entflammungsverhalten auswirkt. Auch hierdurch ergibt sich für die Zündeinrichtung ein Vorteil im Vergleich zu einer Zündeinrichtung, welche kein Strömungsleitelement aufweist. Der erhöhte Wärmewert wirkt sich insbesondere auch vorteilhaft auf das Entflammungsverhalten inertgashaltiger Brenngase aus.
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Wird das Strömungsleitelement im Bereich der Mittelelektrode angeordnet beziehungsweise einstückig mit dieser und insbesondere als radialer Vorsprung von deren Mantelfläche ausgebildet, kann so auch ein Zielkonflikt zwischen einem geringeren Energieverlust durch eine dünne Mittelelektrode einerseits und einer maximalen Umfangsfläche mittels einer dicken Mittelelektrode andererseits gelöst werden.
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Die Aufgabe wird auch gelöst, indem ein Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 12 geschaffen wird. Dieser zeichnet sich durch eine Zündeinrichtung nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele aus. Hierdurch verwirklichen sich in Zusammenhang mit dem Verbrennungsmotor die Vorteile, die bereits im Zusammenhang mit der Zündeinrichtung erläutert wurden.
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Es wird ein Verbrennungsmotor bevorzugt, der als Gasmotor ausgebildet ist. Besonders bevorzugt ist der Verbrennungsmotor als Magergasmotor ausgebildet. Hierbei verwirklichen sich die Vorteile in Zusammenhang mit der Zündeinrichtung in besonderer Weise, da sich eine erniedrigte Frischgaskonzentration im Zündspalt und sich dort begegnende Gasströmungen gerade durch den Inertgasgehalt von Magergasen, insbesondere Sondergasen und einem entsprechend vorverlegten Zündzeitpunkt in besonderer Weise negativ auswirken. Dementsprechend ist der mithilfe der Zündeinrichtung erreichte Vorteil hier besonders ausgeprägt.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Teil-Längsschnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Zündeinrichtung, und
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2 eine schematische Teil-Längsschnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Zündeinrichtung.
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1 zeigt eine schematische Teil-Längsschnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer Zündeinrichtung 1, die als elektrische Zündeinrichtung mit Funkenzündung ausgebildet ist. Dabei ist die Zündeinrichtung 1 zumindest in dem in 1 dargestellten Bereich im Wesentlichen rotationssymmetrisch um eine Mittelachse A ausgebildet, wobei in 1 nur ein Ausschnitt der Längsschnittsebene dargestellt ist, der rechts der Mittelachse A angeordnet ist. Der entsprechende linke Bereich der Längsschnittsebene ergibt sich durch Spiegelung der Darstellung rechts der Mittelachse A an dieser. Insgesamt ergibt sich die Geometrie der Zündeinrichtung 1 zumindest in dem dargestellten Bereich im Wesentlichen – bis auf einige Elemente, die im Folgenden noch erläutert werden – durch Rotation um die Mittelachse A.
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Die Zündeinrichtung 1 weist eine in montiertem Zustand an einem Verbrennungsmotor gegenüber einem Brennraum eines der Zündeinrichtung 1 zugeordneten Zylinders durch eine Kammerwandung 3 abgeteilte Zündkammer 5 auf. In dieser ist eine Zündanordnung 7 vorgesehen, die eine Mittelelektrode 9 und eine Massenelektrode 11 umfasst. Die Mittelelektrode 9 ist dabei rotationssymmetrisch um die Mittelachse A ausgebildet, wobei ihre Symmetrieachse mit der Mittelachse A zusammenfällt. Die Massenelektrode 11 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Ringelektrode ausgebildet, welche die Mittelelektrode 9 – in Umfangsrichtung gesehen – umgreift. Zwischen der Mittelelektrode 9 und der Massenelektrode 11 – in radialer Richtung gesehen – ist ein bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ringförmig ausgebildeter Zündspalt 13 angeordnet, der die Mittelelektrode – in Umfangsrichtung gesehen – umgreift.
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Die Massenelektrode 11 ist vorzugsweise als durchgängiger Ring ausgebildet. Es ist jedoch auch möglich, dass sie mindestens zwei Segmente umfasst, die – in Umfangsrichtung gesehen – in gleichem Winkelabstand voneinander angeordnet und mithin symmetrisch um die Mittelachse A verteilt sind. Jedenfalls ist die Mittelelektrode 11 durch mindestens ein Abstandselement 15 gehalten, wobei bevorzugt mindestens zwei, besonders bevorzugt eine Mehrzahl von Abstandselementen 15 vorgesehen ist, die – in Umfangsrichtung gesehen – in gleichem Winkelabstand voneinander und mithin symmetrisch um die Mittelachse A verteilt angeordnet sind.
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Damit zeigt sich Folgendes: Die Aussage, dass sich die Geometrie der Zündeinrichtung 1 durch Rotation der dargestellten Struktur um die Mittelachse A ergibt, gilt nicht für das Abstandselement 15 und nur gegebenenfalls für die Massenelektrode 11, nämlich wenn diese als durchgängiger Ring einstückig ausgebildet ist. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind vier Abstandselemente 15 jeweils um 90° – in Umfangsrichtung gesehen – voneinander beabstandet, sodass sich der gesamte Längsschnitt in der Ebene von 1 gleichwohl durch Spiegelung der dargestellten Struktur an der Mittelachse A auch in Bezug auf die Abstandselemente 15 ergibt.
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Wesentlich ist, dass im Bereich des mindestens einen Abstandselements 15 mindestens ein Freiraum ausgebildet ist, durch den insbesondere in einem Kompressionstakt des Zylinders Gas strömen kann.
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In die Kammerwandung 3 sind bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel mehrere Bohrungen eingebracht, nämlich eine – entlang der Mittelachse A gesehen – der Mittelelektrode 9 gegenüberliegend angeordnete Mittelbohrung 17 sowie zwei seitlich davon angeordnete Seitenbohrungen 19, 19’. Vorzugsweise sind die Bohrungen 17, 19, 19’ zylindersymmetrisch, besonders bevorzugt mit kreiszylindrischer Grundfläche ausgebildet.
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Auch bezüglich der Seitenbohrungen 19, 19’ zeigt sich, dass die Zündeinrichtung 1 sich insgesamt nicht durch Rotation der dargestellten Struktur um die Mittelachse A ergibt. Vielmehr sind vorzugsweise eine Vielzahl bevorzugt kreiszylindrischer Bohrungen in die Kammerwandung 3 eingebracht, die allerdings bevorzugt – in Umfangsrichtung gesehen – mit gleichen Winkelabständen, mithin symmetrisch um die Mittelachse A angeordnet sind. Dabei sind sie bevorzugt so angeordnet, dass sich die volle Längsschnittdarstellung in der Ebene von 1 durch Spiegelung der dargestellten Struktur an der Mittelachse A ergibt.
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Die Mittelbohrung 17 sowie die Seitenbohrungen 19, 19’ stellen eine Fluidverbindung zwischen der Zündkammer 5 und dem nicht dargestellten Brennraum des ebenfalls nicht dargestellten Zylinders dar.
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In einem Kompressionstakt des Zylinders wird Frischgas, also unverbranntes Brennstoff/Luft-Gemisch, durch die Mittelbohrung 17 und die Seitenbohrungen 19, 19’ von unten aus dem Brennraum in die Zündkammer 5 eingeschoben. Das Gemisch wird zu einem vorherbestimmten Zündzeitpunkt in einem hier als Zündspalt 13 ausgebildeten Zündbereich entzündet, indem eine Hochspannung an die Mittelelektrode 9 angelegt wird, wobei zugleich die Massenelektrode 11 auf Massepotential liegt, vorzugsweise geerdet ist. Es springt ein Funke von der Mittelelektrode 9 auf die Massenelektrode 11 oder umgekehrt über, durch den das Gemisch in dem Zündspalt 13 entzündet wird. Hierdurch wird das Gemisch in der gesamten Zündkammer 5 entflammt, wobei das entflammte Gemisch durch die auch als Schusskanäle bezeichneten Bohrungen 17, 19, 19’ aus der Zündkammer 5 in den Brennraum schießt und das dort angeordnete Brennstoff/Luft-Gemisch sicher entflammt.
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Es zeigt sich, dass insbesondere Verbrennungsprodukte und unverbrannte, inerte Gasanteile, insgesamt also Restgas, nach der Zündung in der Zündkammer 5 verbleiben. Insbesondere sammelt sich das Restgas typischerweise in einem Volumen 21, welches oberhalb des Zündspaltes 13 angeordnet ist und einen Isolatorfuß 23, in dem die Mittelelektrode 9 teilweise angeordnet ist, umgibt.
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Wesentlich für eine Effizienz der Zündung ist nun, dass der Zündbereich, hier der Zündspalt 13 während des Kompressionstakts möglichst effizient mit Frischgas gespült und von Restgas befreit wird, und dass aufgrund der sich im Kompressionstakt ausbildenden Strömung kein oder kaum Restgas in den Zündspalt 13 gelangt. Für eine effiziente Zündung bedarf es nämlich einer möglichst hohen Frischgaskonzentration im Zündspalt 13. Dabei zeigt sich, dass bei bekannten Vorkammer-Zündkerzen mit zentraler Funkenlage insbesondere durch in dem Volumen 21 in Tumbleströmungen umgewandelte Drallströmungen dafür sorgen, dass sich das Restgas zentral in der Zündkammer 5 und damit insbesondere auch in dem Zündbereich konzentriert. Dies steht jedoch einer effektiven Zündung im Wege.
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Um das Zündverhalten der Zündeinrichtung 1 zu verbessern und zu bewirken, dass in dem Kompressionstakt des Zylinders im Wesentlichen Frischgas in dem Zündbereich, hier dem Zündspalt 13 strömt, wobei insbesondere zwei gegenläufige Strömungen von Frischgas einerseits und Restgas andererseits in dem Zündspalt 13 vermieden werden, ist ein Strömungsleitelement 25 vorgesehen, das geeignet ausgebildet und in geeigneter Weise relativ zu der Zündanordnung 7 angeordnet ist.
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Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Strömungsleitelement 25 an der Mittelelektrode 9 und insbesondere einstückig mit dieser vorgesehen. Insbesondere ist es als radialer Vorsprung 27 einer Mantelfläche 29 der vorzugsweise zylindrischen Mittelelektrode 9 ausgebildet. Das Strömungsleitelement 25 ist oberhalb des Zündspalts 13 angeordnet.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Strömungsleitelement 25 außerdem als im Wesentlichen kegelförmiger Vorsprung 27 ausgebildet, der unmittelbar im Bereich einer axialen Stirnfläche 31 des Isolatorfußes 23 entspringt und sich – in Richtung der Mittelachse A gesehen – zu der Massenelektrode 11 beziehungsweise zu dem Zündspalt 13 hin erweitert. Dabei weist eine axiale Endfläche 33 des Vorsprungs 27, die auch als Grundfläche des durch den Vorsprung 27 gebildeten Kegels angesehen werden kann, einen – in axialer Richtung gemessenen – Abstand zu dem Zündspalt 13 und insbesondere zu einer axialen Endfläche 35 der Massenelektrode 11 auf.
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Da der Vorsprung 27 aus demselben Material wie die Mittelelektrode 9 und einstückig mit dieser ausgebildet ist, liegt er auch stets auf dem gleichen Potential wie diese. Durch den axialen Abstand zwischen der Endfläche 33 des Vorsprungs 27 und der Endfläche 35 der Massenelektrode 11 wird verhindert, dass ein Zündfunke von dem Vorsprung 27 zu der Massenelektrode 11 überspringt. Der Abstand ist also vorzugsweise so bemessen, dass hier kein Zündfunke überspringt, sondern dass eine Zündung vielmehr stets im Bereich des Zündspalts 13 erfolgt.
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Eine Mantelfläche 37 des Kegels ist hier in der Schnittdarstellung gemäß 1 geradlinig ausgebildet und fällt nach oben zur Mittelachse A hin ab. Hierdurch ist quasi eine Rampe für das von oben aus dem Volumen 21 heranströmende Restgas ausgebildet, sodass dieses von dem Zündspalt 13 – in radialer Richtung gesehen – weggeleitet wird und durch den mindestens einen Freiraum im Bereich des wenigstens einen Abstandselements 15 weiter nach unten strömt.
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Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel ist es möglich, dass die Mantelfläche 37 in der Schnittdarstellung gemäß 1 nicht geradlinig, sondern gekrümmt, insbesondere konkav oder konvex gekrümmt ausgebildet ist, um das Strömungsverhalten des Restgases in geeigneter Weise zu beeinflussen. Insbesondere eine konkave Krümmung der Mantelfläche 37 kann bewirken, dass das von oben heranströmende Restgas effektiv von dem Zündspalt 13 – radial nach außen –, also von der Mittelachse A weg, beschleunigt wird.
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Während des Kompressionstaktes von unten in die Zündkammer 5 einströmendes Frischgas gelangt dagegen ungehindert zu dem Zündspalt 13 und kann diesen auf seinem Weg nach oben durchströmen. Somit werden die in entgegengesetzte Richtungen gerichteten Strömungen des Frischgases einerseits und des Restgases andererseits voneinander durch das Strömungsleitelement 25 separiert, wobei im Wesentlichen Frischgas von unten nach oben durch den Zündspalt 13 strömt, während das von oben nach unten strömende Restgas durch das Strömungsleitelement 25 radial nach außen von dem Zündspalt 13 weggelenkt wird, so dass es in größerem Abstand von der Mittelachse A im Bereich des mindestens einen Abstandselements 15 nach unten strömt.
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Demnach liegt zu dem Zündzeitpunkt eine hohe Frischgaskonzentration in dem Zündspalt 13 vor, sodass eine effektive Zündung erfolgt.
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Es zeigt sich noch, dass die Zündeinrichtung 1 bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Vorkammerzündkerze ausgebildet ist, wobei die Zündkammer 5 eine bauliche Einheit mit der restlichen Zündkerze, insbesondere mit der Zündanordnung 7 bildet. Bevorzugt ist die Kammerwandung 3 als Zündkappe an einem Grundkörper der Vorkammerzündkerze angeordnet. Insbesondere ist sie vorzugsweise als gebogenes Blech ausgebildet, welches durch die Mittelbohrung 17 und die Seitenbohrungen 19, 19’ durchsetzt ist.
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2 zeigt eine der Darstellung gemäß 1 entsprechende Teil-Längsschnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Zündeinrichtung 1, die ebenfalls als elektrische Zündeinrichtung mit Funkenzündung ausgebildet ist. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch, dass das Strömungsleitelement 25 an dem Isolatorfuß 23 vorgesehen ist. Es ist hier als radialer Vorsprung 27 einer Mantelfläche 39 des Isolatorfußes 23 ausgebildet. Der Isolatorfuß 23 besteht vorzugsweise aus Keramik. Da das Strömungsleitelement 25 hier bevorzugt einstückig mit dem Isolatorfuß 23 ausgebildet ist, umfasst es das gleiche Material, vorzugsweise ebenfalls Keramik.
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Auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist das Strömungsleitelement 25 als im Wesentlichen kegelförmiger Vorsprung der Mantelfläche 39 ausgebildet. Dabei weist der kegelförmige Vorsprung 27 seinen größten Durchmesser – in axialer Richtung gesehen – auf der Höhe der axialen Stirnfläche 31 des Isolatorfußes 23 auf. Es zeigt sich auch, dass die axiale Endfläche 33 des Vorsprungs 27 bündig beziehungsweise fluchtend mit der Stirnfläche 31 angeordnet ist, beziehungsweise in die Stirnfläche 31 übergeht oder sogar identisch mit dieser ausgebildet ist. Es handelt sich bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel also vorzugsweise bei der Stirnfläche 31 einerseits und der Endfläche 33 andererseits um dieselbe Fläche. Ausgehend von dem Bereich seines größten Durchmessers verringert sich der Durchmesser des kegelförmigen Vorsprungs 27 – in axialer Richtung gesehen – von der Massenelektrode 11 wegweisend, in 2 also nach oben.
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Dies bedeutet letztlich, dass die Mantelfläche 37 in der Schnittdarstellung gemäß 2 wiederum eine Schnittlinie bildet, die hier geradlinig ausgebildet ist und nach oben in Richtung auf die Mittelachse A hin abfällt. Demnach ist wiederum eine Rampe ausgebildet, die von oben aus dem Volumen 21 heranströmendes Restgas radial nach außen von dem Zündspalt 13 weg in den Bereich des Abstandselements 15 drängt. Dabei ist es auch bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel möglich, dass die Mantelfläche 37 gekrümmt, insbesondere konkav oder konvex gekrümmt ausgebildet ist, falls dies für die sich einstellende Gasströmung vorteilhaft ist.
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Die Funktionsweise des Ausführungsbeispiels gemäß 2 ist im Übrigen identisch zu der Funktionsweise des Ausführungsbeispiels gemäß 1. Auch hier strömt von unten aus dem Brennraum heranströmendes Frischgas ungehindert in den Zündspalt 13 ein, während von oben aus dem Volumen 21 kommendes Restgas durch das Strömungsleitelement 25 radial nach außen gelenkt und somit von dem Zündspalt 13 weggeleitet wird. Es strömt dann durch den mindestens einen Freiraum im Bereich des Abstandselements 15 weiter nach unten. Hierdurch werden die entsprechenden Ströme von Frischgas einerseits und von Restgas andererseits voneinander separiert, wobei im Wesentlichen Frischgas durch den Zündspalt 13 strömt. Daraus ergeben sich die bereits beschriebenen Vorteile.
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Es zeigt sich, dass bei beiden Ausführungsbeispielen gemäß den 1 und 2 die axiale Endfläche 33 des Vorsprungs 27 den Zündspalt 13 – in radialer Richtung gesehen – nicht nur überdeckt, sondern überragt, also in radialer Richtung über den Zündspalt 13 vorsteht. Auf diese Weise wird besonders effizient verhindert, das von oben heranströmendes Restgas in den Zündspalt 13 einströmen kann.
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Insbesondere abhängig von der Ausbildung der Mantelfläche 37 kann aber auch vorgesehen sein, dass die axiale Endfläche 33 den Zündspalt 13 nicht vollständig überdeckt, falls das von oben heranströmende Restgas auch ohne diese Maßnahme von dem Zündspalt 13 effektiv weggeleitet wird, sodass sich das gewünschte Strömungsverhalten einstellt.
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Die Funktionsweise eines Ausführungsbeispiels der Zündeinrichtung 1, die als Laser-Zündkerze oder Korona-Zündkerze ausgebildet ist, entspricht der Funktionsweise, die hier in Zusammenhang mit den in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert wurde. Dabei entspricht der Zündbereich dem Zündspalt und die Zündlage der Funkenlage. Insbesondere die Funktionsweise des Strömungsleitelements ist auch bei einer Laser-Zündkerze und/oder bei einer Korona-Zündkerze die gleiche wie bei den Ausführungsbeispielen gemäß den 1 und 2, sodass insoweit auf deren Beschreibung verwiesen wird. Wesentlich ist, dass mithilfe des Strömungsleitelements eine erhöhte Restgaskonzentration in dem zentral angeordneten Zündbereich vermieden wird, wobei mithilfe des Strömungsleitelements entsprechende Ströme von Frischgas einerseits und von Restgas andererseits voneinander separiert werden, wobei im Wesentlichen Frischgas durch den Zündbereich strömt.
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Insgesamt zeigt sich, dass es mithilfe der Zündeinrichtung 1 und des Verbrennungsmotors möglich ist, eine effiziente Zündung in dem Zündbereich auch bei zentraler Zündlage sicherzustellen, indem das Strömungsverhalten in der Zündkammer 5 mithilfe des Strömungsleitelements 25 in geeigneter Weise beeinflusst wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10144976 A1 [0002, 0005]
