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Die Erfindung betrifft eine Hülsen-Anordnung für eine Zündkerze gemäß Anspruch 1, sowie eine Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 10.
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Aus der internationalen Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer
WO 03/008777 A1 geht eine als Gasmotor ausgebildete Brennkraftmaschine hervor, die einen Zylinderkopf aufweist, in dem eine Zündkerze angeordnet ist. Der Zylinderkopf weist eine Hülsen-Anordnung mit einem ersten Hülsenelement auf, wobei die Zündkerze in einem von einer Hülsenwandung umgriffenen Inneren des Hülsenelements aufgenommen ist. Hierdurch wird die Zündkerze vor einem Kontakt mit in dem Zylinderkopf vorhandenem Kühlwasser und/oder Öl geschützt. Das erste Hülsenelement ist in ein Brenndeck des Zylinderkopfes eingeschraubt. Die Zündkerze ist ihrerseits wiederum in das erste Hülsenelement eingeschraubt. Oberhalb des ersten Hülsenelements ist – dem Brenndeck abgewandt – ein zweites Hülsenelement vorgesehen, welches von dem ersten Hülsenelement beabstandet separat in eine hierfür vorgesehene Aufnahme des Zylinderkopfs eingeschraubt ist.
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Solche Hülsen-Anordnungen werden bevorzugt eingesetzt, um Brennkraftmaschinen, die ursprünglich als Dieselmotoren ausgebildet sind, für die Verwendung als Gasmotoren, insbesondere für den Betrieb mit einem fremdgezündeten Gas-Luft-Gemisch, umzurüsten. Dabei wird ein bei einer als Selbstzünder ausgebildeten Brennkraftmaschine vorgesehener Kraftstoffinjektor typischerweise durch eine Zündkerze ersetzt, die mithilfe der Hülsen-Anordnung gegenüber einem in dem Zylinderkopf angeordneten Wassermantel gedichtet werden soll. Zugleich soll die Hülsen-Anordnung gegen Herausdrehen gesichert werden, sodass sie bei einem Zündkerzenwechsel nicht gelockert wird und ihre Dichtigkeit einbüßt.
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Bei der bekannten Hülsen-Anordnung ergibt sich das Problem, dass durch die in einem Zylinderraum der Brennkraftmaschine bei einem Verbrennungsvorgang herrschenden hohen Drücke von typischerweise über 200 bar minimale Verformungen des Brenndecks auftreten, durch welche die Dichtung des ersten Hülsenelements im Bereich seiner Verschraubung mit dem Brenndeck entlastet und damit undicht wird. Auch ist es möglich, dass sich das Hülsenelement aufgrund der Verformungen des Brenndecks verspannt. Weiterhin ist nicht ausgeschlossen, dass bei einem Zündkerzenwechsel, insbesondere bei einem Ausschrauben der auszuwechselnden Zündkerze, zugleich auch die Verschraubung des Hülsenelements mit dem Brenndeck gelockert wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hülsen-Anordnung für eine Zündkerze sowie eine Brennkraftmaschine zu schaffen, welche die genannten Nachteile nicht aufweisen. Insbesondere soll die Hülsen-Anordnung auch bei minimalen Verformungen des Brenndecks während der Verbrennung dicht bleiben und sich nicht verspannen.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem eine Hülsen-Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 geschaffen wird. Diese weist ein erstes Hülsenelement mit einer ein Inneres umgreifenden Hülsenwandung auf, wobei in dem Inneren eine Zündkerze anordenbar ist. Die Hülsen-Anordnung weist weiterhin ein erstes Dichtelement zur axialen Dichtung des Inneren gegenüber einer Umgebung des ersten Hülsenelements auf. Insbesondere wird mithilfe des ersten Dichtelements ein Eindringen von Kühlmittel, insbesondere Kühlwasser, und/oder Öl aus einem Innenraum des Zylinderkopfes in das Innere des ersten Hülsenelements verhindert. Die Hülsen-Anordnung weist ein Spannelement und ein Federelement auf. Das erste Hülsenelement ist durch das Spannelement und das Federelement in axialer Richtung vorspannbar. Bei bestimmungsgemäßen Einbau der Hülsen-Anordnung wird das erste Hülsenelement durch das Spannelement und das Federelement insbesondere gegen das Brenndeck vorgespannt. Daher sind minimale Verformungen des Brenndecks durch die axiale Vorspannung im Bereich des Federelements ausgleichbar, sodass stets eine dichte Anlage des ersten Hülsenelements im Bereich des Brenndecks gewährleistet ist, wobei die axiale Dichtung nicht entlastet wird. Zugleich bewirkt die Vorspannung, dass das erste Hülsenelement die Bewegungen, die durch den Verbrennungsimpuls induziert sind, ausgleichen kann, ohne dass es sich verspannt. Insbesondere ist das erste Hülsenelement zu keinem Zeitpunkt starr eingespannt, wodurch es mechanisch entlastet wird.
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Mit einer axialen Richtung ist hier eine Richtung angesprochen, die sich entlang einer Längsachse der Hülsen-Anordnung und somit auch entlang einer Längsachse der Zündkerze erstreckt. Dabei steht die axiale Richtung vorzugsweise senkrecht auf dem Brenndeck des Zylinderkopfs. Eine Umfangsrichtung ist eine Richtung, welche die axiale Richtung konzentrisch umgreift. Eine radiale Richtung ist eine Richtung, welche senkrecht auf der axialen Richtung steht.
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Das erste Dichtelement ist bevorzugt an einer bei bestimmungsgemäßem Einbau in dem Zylinderkopf dem Brenndeck zugewandten Stirnseite des ersten Hülsenelements angeordnet. Besonders bevorzugt ist das erste Dichtelement als O-Ring ausgebildet, der im Bereich einer dem Brenndeck zugewandten Stirnfläche angeordnet ist, wobei er vorzugsweise in eine Ringnut in der Stirnfläche eingesetzt ist. Durch die axiale Vorspannung wird das erste Dichtelement auch bei einer Verformung des Brenndecks komprimiert gehalten, sodass die axiale Dichtung des Inneren des ersten Hülsenelements zu jeder Zeit gewährleistet ist.
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Es wird auch eine Hülsen-Anordnung bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass das Spannelement ein Befestigungsmittel zur Befestigung an dem Zylinderkopf aufweist. Mithilfe des Befestigungsmittels ist das Spannelement an oder in dem Zylinderkopf befestigbar, sodass Vorspannkräfte durch das Spannelement in das Federelement und über dieses wiederum in das erste Hülsenelement einleitbar sind. Das Befestigungsmittel ist bevorzugt als Außengewinde ausgebildet. Der Zylinderkopf weist entsprechend vorzugsweise ein Innengewinde auf, mit welchem das Außengewinde bei bestimmungsgemäßen Einbau der Hülsen-Anordnung kämmt. Besonders bevorzugt ist das Außengewinde als Feingewinde ausgebildet. Es wird ein Ausführungsbeispiel der Hülsen-Anordnung bevorzugt, bei welchem das Spannelement als Spannmutter ausgebildet ist.
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Das Spannelement weist vorzugsweise ein Drehmomenteinleitungsmittel auf, mit dessen Hilfe es in den Zylinderkopf einschraubbar ist. Vorzugsweise ist das Drehmomenteinleitungsmittel an einer brenndeckabgewandten Stirnseite des Spannelements derart vorgesehen, dass dieses von der brenndeckabgewandten Seite her, also quasi von oben, in den Zylinderkopf einschraubbar ist. Besonders bevorzugt sind an einer Stirnseite des als Spannmutter ausgebildeten Spannelements Stirnnuten vorgesehen, in welche ein zum Befestigen des Spannelements vorgesehenes Werkzeug eingreifen kann, um ein Drehmoment in das Spannelement einzuleiten.
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Auch wird ein Ausführungsbeispiel der Hülsen-Anordnung bevorzugt, bei welchem das Federelement als Wellfeder ausgebildet ist. Dabei ist eine Wellfeder – in axialer Richtung gesehen – besonders bauraumsparend zwischen dem ersten Hülsenelement und dem Spannelement anordenbar. Alternativ ist es auch möglich, dass das Federelement als Schraubenfeder oder in anderer geeigneter Weise ausgebildet ist.
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Es wird auch ein Ausführungsbeispiel der Hülsen-Anordnung bevorzugt, bei welchem das erste Hülsenelement frei ist von einem Befestigungselement zur Befestigung in dem Zylinderkopf. Das erste Hülsenelement weist also kein eigenes Befestigungselement auf und wird nicht selbst unmittelbar an dem Zylinderkopf befestigt. Vielmehr weist es eine axiale Auflagefläche auf, die so ausgebildet ist, dass sie mit einer axialen Anlagefläche einer Zündkerze derart zusammenwirken kann, dass das erste Hülsenelement durch die Zündkerze in dem Zylinderkopf befestigbar ist. Insbesondere wird die Zündkerze bei bestimmungsgemäßem Einbau in das Brenndeck des Zylinderkopfs eingeschraubt, wobei die Anlagefläche der Zündkerze – gegebenenfalls mit einem elastischen Dichtelement – gegen die Auflagefläche des ersten Hülsenelements gedrängt wird. Auf diese Weise wird das erste Hülsenelement von der Zündkerze in den Zylinderkopf gespannt. Hierdurch wird es dort festgelegt und befestigt. Zugleich wird bevorzugt das erste Dichtelement komprimiert, sodass die axiale Abdichtung des Inneren des ersten Hülsenelements gewährleistet ist. Durch die axiale Vorspannung wird darüber hinaus gewährleistet, dass das erste Hülsenelement bei einer Verformung des Brenndecks quasi atmen, mithin die Verformung ausgleichen und im Bereich des ersten Dichtelements dicht bleiben kann. Weiterhin wird durch die Vorspannung eine Verspannung des ersten Hülsenelements vermieden.
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Dadurch, dass das erste Hülsenelement nicht selbst an dem Zylinderkopf befestigt, insbesondere nicht in den Zylinderkopf eingeschraubt ist, wird es auch bei einem Wechsel der Zündkerze nicht versehentlich aus dem Zylinderkopf ausgeschraubt oder gelöst. Vielmehr wird das erste Hülsenelement bei einem Zündkerzenwechsel durch die axiale Vorspannung in seiner gegen das Brenndeck gedrängten Position gehalten, sodass auch dann – trotz des Lösens der Befestigung der Zündkerze – zu jedem Zeitpunkt eine Dichtung des Inneren des ersten Hülsenelements gegenüber seiner Umgebung gewährleistet ist.
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Es wird auch eine Hülsen-Anordnung bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass das Spannelement eine Druckfläche aufweist. In die Druckfläche sind Vorspannkräfte des Federelements einleitbar.
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Ebenso wird ein Ausführungsbeispiel der Hülsen-Anordnung bevorzugt, bei welchem das erste Hülsenelement eine Druckgegenfläche aufweist. Dabei sind in die Druckgegenfläche Vorspannkräfte des Federelements einleitbar.
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Das Federelement stützt sich bei bestimmungsgemäßen Einbau an der axialen Druckfläche des Spannelements einerseits und an der axialen Druckgegenfläche des ersten Hülsenelements andererseits ab. Dabei sind das erste Hülsenelement, das Spannelement und das Federelement so ausgebildet, dass bei bestimmungsgemäßem Einbau der Hülsen-Anordnung in den Zylinderkopf das Federelement durch die Druckfläche des Spannelements gegen die Druckgegenfläche des ersten Hülsenelements gedrängt wird, sodass das erste Hülsenelement in axialer Richtung vorgespannt ist.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die axiale Druckfläche als axiale Stirnfläche des Spannelements ausgebildet. Insbesondere ist sie als dem Brenndeck zugewandte axiale Stirnfläche desselben ausgebildet.
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Es ist möglich, dass die Druckgegenfläche als brenndeckabgewandte axiale Stirnfläche des ersten Hülsenelements ausgebildet ist, sodass sich quasi die axialen Stirnflächen des Spannelements und des ersten Hülsenelements – in axialer Richtung gesehen – gegenüberliegen, wobei sie durch das Federelement voneinander beabstandet sind.
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Es wird allerdings ein Ausführungsbeispiel bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die axiale Druckgegenfläche an einem – in axialer Richtung gesehen – von einer brenndeckabgewandten Stirnseite des ersten Hülsenelements beabstandet angeordneten, die Hülsenwandung umgreifenden Ringbund angeordnet ist. Der Ringbund ist dabei bevorzugt als Vorsprung – in radialer Richtung gesehen – der Hülsenwandung ausgebildet. Die Hülsenwandung überragt den Ringbund mit einem dem Brenndeck abgewandten Ende, welches sich ausgehend von dem Ringbund – in axialer Richtung gesehen – bis zu der brenndeckabgewandten Stirnseite des ersten Hülsenelements erstreckt. Das Federelement umgreift die Hülsenwandung in dem Bereich des brenndeckabgewandten Endes und stützt sich auf der Druckgegenfläche an dem Ringbund ab.
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In diesem Zusammenhang wird ein Ausführungsbeispiel bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass das brenndeckabgewandte Ende des ersten Hülsenelements in dem Spannelement dichtend aufnehmbar ist. Hierdurch wird gewährleistet, dass das Innere des ersten Hülsenelements auch im Bereich des brenndeckabgewandten Endes und somit im Bereich des Übergangs zu dem Spannelement gegenüber seiner Umgebung gedichtet ist. Das Spannelement weist einen Innendurchmesser auf, der auf einen Außendurchmesser der Hülsenwandung des ersten Hülsenelements derart abgestimmt ist, dass das brenndeckabgewandte Ende dichtend in dem Spannelement aufnehmbar ist. Besonders bevorzugt ist in dem Spannelement ein zweites Dichtelement angeordnet, welches bei bestimmungsgemäßem Einbau das brenndeckabgewandte Ende des ersten Hülsenelements dichtend umgreift. Das zweite Dichtelement ist vorzugsweise als O-Ring ausgebildet, der besonders bevorzugt in einer sich in Umfangsrichtung erstreckenden, radialen Nut angeordnet ist, die in einer inneren Umfangsfläche des Spannelements vorgesehen ist.
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Es wird auch eine Hülsen-Anordnung bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass das erste Hülsenelement eine Verdrehsicherung aufweist. Mithilfe der Verdrehsicherung wird verhindert, dass sich das erste Hülsenelement bei einem Wechsel der Zündkerze verdrehen kann. Auf diese Weise wird das erste Hülsenelement vor mechanischen Belastungen durch Verdrehung geschützt, und seine Dichtung gegenüber der Umgebung ist zu jedem Zeitpunkt gewährleistet.
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Die Verdrehsicherung ist bevorzugt in Form einer Abflachung vorgesehen. Dabei ist es möglich, dass die Hülsenwandung des ersten Hülsenelements selbst eine Abflachung aufweist, wobei sie in montiertem Zustand in einer entsprechend geformten Ausnehmung des Zylinderkopfes derart aufgenommen ist, dass eine Verdrehung verhindert wird. Bevorzugt wird allerdings ein Ausführungsbeispiel, bei welchem die Verdrehsicherung an dem Ringbund angeordnet ist. Auch in diesem Fall ist die Verdrehsicherung vorzugsweise in Form einer Abflachung des Ringbundes vorgesehen, der in montiertem Zustand in einer komplementär geformten Aufnahme des Zylinderkopfs angeordnet ist, sodass er nicht verdreht werden kann.
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Alternativ ist es auch möglich, dass die Verdrehsicherung in Form eines Vorsprungs vorgesehen ist, der in montiertem Zustand in einer entsprechend geformten Ausnehmung des Zylinderkopfes angeordnet ist. Dabei kann der Vorsprung unmittelbar an der Hülsenwandung oder an dem Ringbund angeordnet sein. Weiter ist es alternativ auch möglich, dass die Verdrehsicherung in Form einer Ausnehmung vorgesehen ist, in welche in montierem Zustand ein entsprechend geformter Vorsprung des Zylinderkopfes eingreift. Dabei kann die Ausnehmung unmittelbar an der Hülsenwandung oder an dem Ringbund angeordnet sein.
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Schließlich wird eine Hülsen-Anordnung bevorzugt, die sich durch ein zweites Hülsenelement auszeichnet, welches mit einem brenndeckzugewandten Ende dichtend in dem Spannelement aufnehmbar ist. Das zweite Hülsenelement dient bevorzugt der Abdichtung des Inneren der Hülsen-Anordnung im Bereich eines Ventilraums des Zylinderkopfes, wobei hier insbesondere eine Abdichtung gegen Schmieröl gewährleistet wird. Der Innendurchmesser des Spannelements ist bevorzugt derart auf einen Außendurchmesser des zweiten Hülsenelements abgestimmt, dass dessen brenndeckzugewandtes Ende dichtend in dem Spannelement aufnehmbar ist. Dabei weist das Spannelement vorzugsweise ein drittes Dichtelement auf, welches das brenndeckzugewandte Ende des zweiten Hülsenelements bei bestimmungsgemäßen Einbau dichtend umgreift. Das dritte Dichtelement ist vorzugsweise als O-Ring ausgebildet, der besonders bevorzugt in einer sich in Umfangsrichtung erstreckender Radialnut, die in der Innenfläche des Spannelements vorgesehen ist, angeordnet ist.
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Bevorzugt weisen das erste und das zweite Hülsenelement einen identischen Innendurchmesser auf. Auf diese Weise wird in der gesamten Hülsen-Anordnung quasi eine durchgehende Röhre verwirklicht, die überall den gleichen lichten Innendurchmesser aufweist, sodass problemlos mit einem Zündkerzenschlüssel in das innere der Hülsen-Anordnung eingegriffen werden kann, um die Zündkerze auszuwechseln. Dabei stehen keine störenden Innenkonturen – in radialer Richtung gesehen – in das Innere der Hülsen-Anordnung vor.
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Bevorzugt liegen das erste Hülsenelement und das zweite Hülsenelement im Bereich ihrer einander zugewandten Enden aneinander an. Die brenndeckabgewandte Stirnseite des ersten Hülsenelements berührt dabei die brenndeckzugewandte Stirnseite des zweiten Hülsenelements. Dieser Berührungsbereich ist innerhalb des Spannelements angeordnet und somit gegenüber der Umgebung gedichtet. Insbesondere ist der Berührungsbereich zwischen dem zweiten und dem dritten Dichtelement angeordnet.
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Vorzugsweise weisen das erste Hülsenelement und das zweite Hülsenelement zusätzlich oder alternativ auch einen identischen Außendurchmesser auf. Dies ist besonders günstig, weil auf diese Weise das Spannelement hülsenförmig mit einem konstanten Innendurchmesser ausgebildet sein kann. Es weist dann eine durchgehende, innere Umfangsfläche auf, die gegebenenfalls lediglich durch die Radialnuten für das erste und/oder das zweite Dichtelement verletzt ist. Insgesamt ergibt sich ein stufenloser Übergang von dem ersten Hülsenelement zu dem zweiten Hülsenelement innerhalb des Spannelements.
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Die Aufgabe wird schließlich auch gelöst, indem eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 10 geschaffen wird. Diese weist einen Zylinderkopf auf, in dem eine Hülsen-Anordnung nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele angeordnet ist. Somit verwirklichen sich die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit der Hülsen-Anordnung erläutert wurden, auch für die Brennkraftmaschine.
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Die Brennkraftmaschine ist bevorzugt als Gasmotor ausgebildet. Besonders bevorzugt ist die Brennkraftmaschine als für eine Gasanwendung umgerüsteter Dieselmotor ausgebildet. Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Hubkolbenmotor ausgebildet. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dient die Brennkraftmaschine dem Antrieb insbesondere schwerer Land- oder Wasserfahrzeuge, beispielsweise von Minenfahrzeugen, Zügen, wobei die Brennkraftmaschine in einer Lokomotive oder einem Triebwagen eingesetzt wird, oder von Schiffen. Auch ein Einsatz der Brennkraftmaschine zum Antrieb eines der Verteidigung dienenden Fahrzeugs, beispielsweise eines Panzers, ist möglich. Ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine wird vorzugsweise auch stationär, beispielsweise zur stationären Energieversorgung im Notstrombetrieb, Dauerlastbetrieb oder Spitzenlastbetrieb eingesetzt, wobei die Brennkraftmaschine in diesem Fall vorzugsweise einen Generator antreibt. Auch eine stationäre Anwendung der Brennkraftmaschine zum Antrieb von Hilfsaggregaten, beispielsweise von Feuerlöschpumpen auf Bohrinseln, ist möglich. Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Benzinmotor, besonders bevorzugt aber als Gasmotor zum Betrieb mit Erdgas, Biogas, Sondergas oder einem anderen geeigneten Gas, ausgebildet. Insbesondere wenn die Brennkraftmaschine als Gasmotor ausgebildet ist, ist sie für den Einsatz in einem Blockheizkraftwerk zur stationären Energieerzeugung geeignet.
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Die Brennkraftmaschine weist vorzugsweise eine Zündkerze auf, die in ein Brenndeck des Zylinderkopfs eingeschraubt und in der Hülsen-Anordnung aufgenommen ist. Dabei weist die Zündkerze eine axiale Anlagefläche auf, die im eingeschraubten Zustand – gegebenenfalls mit einem elastischen Dichtelement – gegen eine axiale Auflagefläche des ersten Hülsenelements gedrängt ist, wodurch das erste Hülsenelement in dem Zylinderkopf befestigt ist.
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Die Zündkerze ist bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine als Vorkammer-Zündkerze ausgebildet, wobei sie ein eine Vorkammer umschließendes Gehäuse aufweist, das durch mindestens einen Schusskanal durchsetzt ist, über welches die Vorkammer mit einem Hauptbrennraum der Brennkraftmaschine in Fluidverbindung steht. Mithilfe der Vorkammer ist es in an sich bekannter Weise möglich, eine Zündenergie für den Hauptbrennraum zu erhöhen, sodass dort auch ein sehr mageres Gas-Luft-Gemisch sicher entflammbar ist.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer in einem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine montierten Hülsen-Anordnung;
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2 eine Detaildarstellung des Ausführungsbeispiels gemäß 1; und
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3 eine Explosionsdarstellung des Ausführungsbeispiels gemäß 1.
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1 zeigt eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Hülsen-Anordnung 1, die bestimmungsgemäß in einem Zylinderkopf 3 einer Brennkraftmaschine 5 angeordnet ist. Die Hülsen-Anordnung 1 weist ein erstes Hülsenelement 7 auf, welches hier zylindersymmetrisch, insbesondere kreiszylindrisch, ausgebildet ist. Eine Hülsenwandung 9 umgreift ein Inneres 11 des ersten Hülsenelements 7 und somit auch eine Zündkerze 13, die in dem Inneren 11 angeordnet ist. Durch die Hülsenwandung 9 wird die Zündkerze 13 vor einer Einwirkung von Kühlmedium, insbesondere Kühlwasser, und/oder von Öl, insbesondere Schmieröl, geschützt, welches in dem Bereich des Zylinderkopfs 3 vorhanden ist.
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Zur axialen Dichtung des Inneren 11 gegenüber einer Umgebung des ersten Hülsenelements 7 weist die Hülsen-Anordnung 1 ein erstes Dichtelement 15 auf. Dieses ist hier an einer Stirnseite 17 angeordnet, die einem Brenndeck 19 des Zylinderkopfs 3 zugewandt ist.
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Die Hülsen-Anordnung 1 weist außerdem ein Spannelement 21 sowie ein Federelement 23 auf, wobei das erste Hülsenelement 7 durch das Spannelement 21 und das Federelement 23 in axialer Richtung gegen das Brenndeck 19 vorgespannt ist.
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Das Spannelement 21 ist hier als Spannmutter 25 ausgebildet. Es weist ein Befestigungsmittel 27 auf, das hier als Außengewinde 29 ausgebildet ist. Das Befestigungsmittel 27 dient der Befestigung des Spannelements 21 in dem Zylinderkopf 3. Hierzu wird bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel das Außengewinde 29 in ein entsprechend ausgebildetes Innengewinde des Zylinderkopfs 3 eingeschraubt. Dabei wird die Spannmutter 25 bevorzugt bis zu einem Anschlag 31 in den Zylinderkopf 3 eingeschraubt, um eine vorherbestimmte Vorspannkraft des Federelements 23 einzustellen.
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Das Federelement 23 ist hier bevorzugt als Wellfeder 33 ausgebildet. Dabei ist die Wellfeder 33 so ausgelegt, dass sie eine vorherbestimmte Vorspannkraft aufbringt, wenn die Spannmutter 25 bis zu dem Anschlag 31 in den Zylinderkopf 3 eingeschraubt ist.
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Anhand von 1 wird noch deutlich, dass das Spannelement 21 eine Durchgangsbohrung 35 mit einer inneren Umfangsfläche 37 aufweist. Ein dem Brenndeck 19 abgewandtes Ende 39 des ersten Hülsenelements 7 ist in dem Spannelement 21 dichtend aufgenommen. Hierzu entspricht der Außendurchmesser des ersten Hülsenelements 7 im Bereich des brenndeckabgewandten Endes 39 bevorzugt dem Innendurchmesser der inneren Umfangsfläche 37, mithin der Durchgangsbohrung 35 des Spannelements 21. Weiterhin ist zur dichten Aufnahme des brenndeckabgewandten Endes 39 in der Durchgangsbohrung 35 ein zweites Dichtelement 41 angeordnet. Dieses ist hier als O-Ring ausgebildet, der in einer sich in Umfangsrichtung erstreckenden, radialen Ringnut 43 angeordnet ist, die in der inneren Umfangsfläche 37 vorgesehen ist.
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Die Hülsen-Anordnung 1 umfasst ein zweites Hülsenelement 45, das bevorzugt ebenso wie das erste Hülsenelement 7 zylindersymmetrisch, insbesondere kreiszylindrisch ausgebildet ist. Das zweite Hülenelement 45 ist mit einem dem Brenndeck 19 zugewandten Ende 47 dichtend in dem Spannelement 21, nämlich in der Durchgangsbohrung 35 aufgenommen. Auch hier ist ein Außendurchmesser des zweiten Hülsenelements 45 bevorzugt derart auf den Innendurchmesser der Durchgangsbohrung 35 abgestimmt, dass das brenndeckzugewandte Ende 47 dichtend in der Durchgangsbohrung 35 aufnehmbar ist. Es ist ein drittes Dichtelement 49 vorgesehen, durch welches das brenndeckzugewandte Ende 47 in dem Spannelement 21 gedichtet wird. Das dritte Dichtelement 49 ist bevorzugt als O-Ring ausgebildet. Vorzugsweise ist es in einer sich in Umfangsrichtung erstreckenden, radialen Ringnut 51 angeordnet, die in der inneren Umfangsfläche 37 vorgesehen ist.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weisen das erste Hülsenelement 7 und das zweite Hülsenelement 45 zumindest im Bereich der Enden 39, 47 sowohl einen identischen Außendurchmesser als auch einen identischen Innendurchmesser auf. Die identischen Außendurchmesser ermöglichen in besonders einfacher Weise eine dichte Aufnahme beider Elemente in der stufenlos ausgebildeten Durchgangsbohrung 35. Die bevorzugt entlang der axialen Erstreckung der Hülsenelemente 7, 45 identischen Innendurchmesser sorgen dafür, dass keine sich – in radialer Richtung – in das Innere 11 erstreckende Innenkontur vorgesehen ist, die bei einem Zündkerzenwechsel stören könnte. Es kommt also zu keiner Durchmesserverengung, sodass ohne Weiteres mit einem Zündkerzenschlüssel in das Innere 11 eingegriffen werden kann, um die Zündkerze 13 zu wechseln. Ein solcher Eingriff kann von oben durch das zweite Hülsenelement 45 hindurch erfolgen, sodass eine von dem Zylinderkopf 3 umfasste Ventildeckelhaube 53 nicht demontiert werden muss. Dies ermöglicht einen besonders einfachen und schnellen Zündkerzenwechsel.
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Anhand von 1 zeigt sich auch, dass das Spannelement 21, hier insbesondere die Spannmutter 25, neben ihrer Funktion zur Vorspannung des ersten Hülsenelements 7 zugleich als Dichtvorrichtung wirkt, durch welche insbesondere ein Übergangsbereich zwischen dem ersten Hülsenelement 7 und dem zweiten Hülsenelement 45 gedichtet ist. Eine besonders günstige Dichtung wird dabei bewirkt, wenn sich das erste Hülsenelement 7 und das zweite Hülsenelement 45 in der Spannmutter 25 berühren, mithin – in axialer Richtung gesehen – aneinander anliegen.
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Dabei dient das erste Hülsenelement 7 insbesondere einer Dichtung der Zündkerze 13 gegenüber Kühlwasser, welches in dem Zylinderkopf 3 strömt. Das zweite Hülsenelement 45 dient im Wesentlichen der Dichtung der Zündkerze 13 gegenüber Öl, insbesondere Schmieröl, welches in einem oberen Bereich des Zylinderkopfes 3 im Bereich einer Nockenwelle und von Ventilstellgliedern vorhanden ist.
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Das zweite Hülsenelement 45 ist im Bereich der Ventildeckelhaube 53 bevorzugt durch zwei weitere Dichtelemente 55, 57 gedichtet, die hier ebenfalls als O-Ringe ausgebildet und in sich in Umfangsrichtung erstreckenden Radialnuten der Ventildeckelhaube 53 angeordnet sind.
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2 zeigt eine Detaildarstellung des Ausführungsbeispiels gemäß 1. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Anhand von 2 wird deutlich, dass das erste Hülsenelement 7 selbst frei von jeglichem Befestigungselement zur Befestigung in dem Zylinderkopf 3 ist. Stattdessen weist das erste Hülsenelement 7 eine axiale Auflagefläche 59 auf, die mit einer axialen Anlagefläche 61 der Zündkerze 13 zusammenwirkt. Die Zündkerze 13 wird mit einem Gewinde 63 in das Brenndeck 19 eingeschraubt, wobei die axiale Anlagefläche 61 mit der axialen Auflagefläche 59 zusammenwirkt, wodurch das erste Hülsenelement 7 beim Festschrauben der Zündkerze 13 gegen das Brenndeck 19 gedrängt wird. Auf diese Weise wird das erste Hülsenelement 7 durch die Zündkerze 13 in dem Zylinderkopf 3 befestigt, wobei zugleich auch das erste Dichtelement 15 komprimiert und im Bereich der Stirnseite 17 gegen das Brenndeck 19 gedrängt wird.
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Dabei zeigt sich anhand von 2 auch, dass das erste Dichtelement 15 vorzugsweise als O-Ring ausgebildet ist, welcher in einer sich in Umfangsrichtung erstreckenden, axialen Ringnut 65 angeordnet ist, die in eine axiale Stirnfläche 67 des ersten Hülsenelements 7 eingebracht ist.
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Zwischen der axialen Anlagefläche 61 und der axialen Auflagefläche 59 ist bevorzugt in an sich bekannter Weise ein an der Zündkerze 13 befestigtes, elastisches Dichtelement 69 angeordnet.
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In die Hülsenwandung 9 ist bevorzugt im Bereich der Stirnseite 17 eine sich in Umfangsrichtung erstreckende, radiale Ringnut 71 eingebracht, durch welche eine Wärmeabfuhr im Bereich des ersten Dichtelements 15 verbessert wird, sodass dieses thermisch im Betrieb der Brennkraftmaschine 5 nicht übermäßig belastet wird. Insbesondere kann in der Ringnut 71 Kühlmittel strömen, um Wärme aus dem Bereich des ersten Dichtelements 15 abzuführen.
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Im Betrieb der Brennkraftmaschine 5 ist das Brenndeck 19 verbrennungsinduzierten, minimalen Verformungen unterworfen, aufgrund derer es möglich ist, dass das erste Dichtelement 15 entlastet und somit eine Dichtung in diesem Bereich vermindert wird. Zugleich ist es bei einer starr eingespannten Hülse möglich, dass diese sich aufgrund der Verformungsbewegungen des Brenndecks 19 verspannt. Beide Probleme werden durch die hier vorgeschlagene Hülsen-Anordnung 1 gelöst. Durch die axiale Vorspannung, welche von dem Spannelement 21 und dem Federelement 23 in das erste Hülsenelement 7 eingeleitet wird, kann dieses quasi atmen und so der minimalen Verformungsbewegung des Brenndecks 19 folgen, sodass die Dichtung im Bereich des ersten Dichtelements 15 sicher erhalten bleibt. Zugleich wird eine Verspannung des ersten Hülsenelements 7 durch die gegen die Vorspannkraft mögliche Atmungsbewegung wirksam vermieden. Es zeigt sich auch, dass das erste Hülsenelement 7 bei einem Wechsel der Zündkerze 13 trotz des fehlenden, eigenen Befestigungsmittels sicher an seiner Position gehalten wird. durch die axiale Vorspannung wird nämlich auch in ausgebautem Zustand der Zündkerze 13 die Stirnfläche 67 sicher gegen das Brenndeck 19 gedrängt, wobei insbesondere auch die Dichtung durch das erste Dichtelement 15 erhalten bleibt. Es besteht demnach nicht die Gefahr, dass beim Zündkerzenwechsel die Dichtung in diesem Bereich vermindert wird oder sich das erste Hülsenelement 7 lockert.
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Anhand von 2 zeigt sich auch noch, dass die Zündkerze 13 bevorzugt als Vorkammerzündkerze ausgebildet ist, die hier eine über Schusskanäle 73 mit einem Hauptbrennraum 75 in Fluidverbindung stehende Vorkammer 77 aufweist.
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Das erste Hülsenelement 7 ist bevorzugt aus Stahl, vorzugsweise aus korrosionsbeständigem Edelstahl, besonders bevorzugt aus X20Cr13 gefertigt. Das erste Dichtelement 15 besteht bevorzugt aus einem Fluorelastomer, besonders bevorzugt aus einem hochtemperaturbeständigen Fluorelastomer, insbesondere Perfluorkautschuk (FFKM). Entsprechend bestehen bevorzugt auch das zweite und das dritte Dichtelement sowie gegebenenfalls die weiteren Dichtelement aus einem Fluorelastomer, besonders bevorzugt aus einem hochtemperaturbeständigen Fluorelastomer, insbesondere Perfluorkautschuk (FFKM).
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3 zeigt eine Explosionsdarstellung des Ausführungsbeispiels gemäß den 1 und 2. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Anhand von 3 wird die Funktionsweise der axialen Vorspannung des ersten Hülsenelements 7 erläutert: Das Spannelement 21, hier die Spannmutter 25, weist eine Druckfläche 79 auf, die hier an einer axialen Stirnfläche 81, insbesondere an einer brenndeckzugewandten axialen Stirnseite 82 des Spannelements 21 angeordnet ist. Das erste Hülsenelement 7 weist eine Druckgegenfläche 83 auf, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel an einem – in axialer Richtung gesehen – von einer brenndeckabgewandten Stirnseite 85 des ersten Hülsenelements 7 beabstandet angeordneten, die Hülsenwandung 9 umgreifenden Ringbund 87 angeordnet ist. Der Ringbund 87 ist als radialer Vorsprung der Hülsenwandung 9 ausgebildet. Das brenndeckabgewandte Ende 39 erstreckt sich hier von dem Ringbund 87 bis zu der axialen Stirnseite 85.
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Es zeigt sich, dass das Außengewinde 29 bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel an einem Ringbund 89 des Spannelements 21 ausgebildet ist, wobei der Ringbund 89 eine axiale Anschlagsfläche 91 aufweist, die bei vollständig eingeschraubter Spannmutter 25 an dem Anschlag 31 in dem Zylinderkopf 3 anschlägt. Auf diese Weise ist die Vorspannung des Federelements 23 definierbar.
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In eingebautem Zustand der Hülsen-Anordnung 1 in den Zylinderkopf 3 wird nun das Federelement 23 durch die Druckfläche 79 gegen die Druckgegenfläche 83 gedrängt und in durch die Position der axialen Anschlagsfläche 91 sowie des Anschlags 31 definierter Weise komprimiert, sodass eine vorherbestimmte Vorspannkraft in das erste Hülsenelement 7 eingeleitet wird.
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Es zeigt sich, dass das brenndeckabgewandte Ende 39 von dem Federelement 23 – in Umfangsrichtung gesehen – umgriffen wird, wobei es in dem Spannelement 21 insbesondere durch das zweite Dichtelement 45 gedichtet aufgenommen ist. Entsprechend ist das brenndeckzugewandte Ende 47 des zweiten Hülsenelements 45 insbesondere durch das dritte Dichtelement 49 gedichtet in dem Spannelement 21 aufgenommen.
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Anhand von 3 zeigt sich auch, dass das erste Hülsenelement 7 eine Verdrehsicherung 93 aufweist, die hier als Abflachung 95 des Ringbunds 87 ausgebildet ist. Dabei ist der Ringbund 87 in montiertem Zustand in einer komplementär ausgebildeten Aufnahme des Zylinderkopfs 3 aufgenommen, sodass das erste Hülsenelement 7 gegen Verdrehung gesichert ist.
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Weiterhin zeigt sich noch anhand von 3, dass das Spannelement 21, hier die Spannmutter 25, an einer brenndeckabgewandten Seite ein Drehmomenteinleitungsmittel 97, hier in Form von vier Stirnnuten 99 aufweist, wobei ein Werkzeug von der brenndeckabgewandten Seite her, mithin von oben, mit dem Drehmomenteinleitungsmittel 97 zusammenwirken, hier in die Stirnnuten 99 eingreifen kann, sodass die Spannmutter 25 in den Zylinderkopf 3 eingeschraubt werden kann.
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Die Brennkraftmaschine 5 ist vorzugsweise als Gasmotor ausgebildet. Besonders bevorzugt ist die Brennkraftmaschine 5 ursprünglich als Dieselmotor ausgebildet und für eine Gasanwendung, insbesondere mittels der Hülsen-Anordnung 1 umgerüstet.
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Insgesamt zeigt sich, dass mittels der Hülsen-Anordnung 1 eine verspannungsfreie, jederzeit dichte Abgrenzung der Zündkerze 13 von einer Umgebung bewirkt wird, die durch Kühlmittel und/oder Öl beaufschlagt ist. Dabei ist die Hülsen-Anordnung 1, insbesondere das erste Hülsenelement 7, zugleich gegen Verdrehung bei einem Zündkerzenwechsel gesichert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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