-
Die Erfindung geht aus von einer Zündkerze für einen Vorkammer-Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
-
Derartige Zündkerzen sind aus der
DE 197 05 372 C2 sowie aus der
US 5,408,961 A seit langem bekannt. Zündkerzen dieser Art werden auch seit langem in Serie gefertigt und in stationären, mit Gas befeuerten Brennkraftmaschinen eingesetzt, deren Brennräume jeweils eine Vorkammer aufweisen, in welche jeweils das vordere Ende einer derartigen Zündkerze hineinragt. Die bekannten Zündkerzen haben an ihrer Masseelektrode relativ dünne Stegabschnitte, zwischen denen relativ große Spülöffnungen angeordnet sind, durch welche ein im Körper der Zündkerze befindlicher Ringraum mit der außerhalb der Zündkerze befindlichen Umgebung in Verbindung steht und welche bei Betrieb der Zündkerze eine gute Durchspülung des Ringraumes und des Zündspaltes mit dem in die Vorkammer des Verbrennungsmotors strömenden Brenngas-Luftgemisch ermöglichen. Derartige Zündkerzen ermöglichen eine gute und sichere Entzündung des Brenngas-Luftgemisches, auch wenn es sich um ein „mageres Gemisch” handelt, bei welchem die tatsächlich vorhandene Luftmenge größer als die für eine vollständige Verbrennung des Brenngases stöchiometrisch erforderliche Luftmenge ist.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zündkerze der eingangs genannten Art zu verbessern und deren Lebensdauer zu erhöhen.
-
Die Aufgabe wird durch die Zündkerze mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Die erfindungsgemäße Zündkerze hat einen Körper mit einem Durchgang und einem vorderen Ende. Im Durchgang des Körpers ist eine Mittelektrode angeordnet, welche das vordere Ende des Körpers überragt. Im Durchgang des Körpers sitzt ein Isolator, welcher einen innerhalb des Körpers liegenden Abschnitt der Mittelektrode umgibt. Im Bereich des vorderen Ende des Körpers weist der Isolator ein sich verjüngendes vorderes Ende auf, welches innerhalb des Körpers mit dem Durchgang einen freien Ringraum bildet. Die Mittelelektrode verläuft parallel zu einer Mittellinie der Zündkerze. Der Ringraum ist koaxial zur Mittellinie der Zündkerze angeordnet.
-
Die Zündkerze weist eine Masseelektrode mit einem ringförmigen Zündabschnitt auf, welcher einen außerhalb des Körpers liegenden Abschnitt der Mittelektrode unter Bildung eines Zündspalts umgibt. Der ringförmige Zündabschnitt und der Zündspalt sind koaxial zur Mittellinie der Zündkerze angeordnet. Die Masseelektrode hat zumindest einen elektrisch leitend mit dem vorderen Ende des Körpers verbundenen Befestigungsabschnitt und mindestens zwei den Zündabschnitt mit dem Befestigungsabschnitt verbindende Stegabschnitte. Zwischen den Stegabschnitten der Masseelektrode sind Spülöffnungen angeordnet, durch welche der im Körper befindliche Ringraum mit der außerhalb Zündkerze befindlichen Umgebung in Verbindung steht und welche bei Betrieb der Zündkerze eine gute Durchspülung des Ringraumes und des Zündspaltes mit dem in die Vorkammer des Verbrennungsmotors strömenden Brenngas-Luft-Gemisch ermöglichen. Die freie Fläche der zwischen den Stegabschnitten der Masseelektrode angeordneten Spülöffnungen beträgt mindestens 20% und höchstens 50%, insbesondere mindestens 25% und höchstens 35%, der freien Fläche des Ringraumes am vorderen Ende des Körpers. Die freie Fläche des Ringraumes wird in einer gedachten Ebene ermittelt, welche senkrecht zur Mittellinie der Zündkerze am vorderen Ende des Körpers angelegt wird.
-
Die Erfindung hat wesentliche Vorteile:
- • Die Stegabschnitte und der Zündabschnitt der Masseelektrode werden vergrößert. Es hat sich überraschend gezeigt, dass sich durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung das Zündverhalten der Zündkerze noch nicht verschlechtert, sich aber eine wesentlich längere Lebensdauer der Zündkerze erreichen lässt. Eine Laufzeit von 6.000 Betriebsstunden kann gewährleistet werden.
- • Die vergrößerte Breite der Stegabschnitte ist noch ausreichend klein, um eine unzulässige Behinderung des durch die Spülöffnungen in den Ringraum strömenden Brenngas-Luft-Gemisches zu vermeiden. Eine durch die vergrößerten Stegabschnitte entstehende leichte Verkleinerung der Spülöffnungen kann deshalb ohne Probleme in Kauf genommen werden.
- • Ein vergrößerter Querschnitt der Stegabschnitte und eine vergrößerte Oberfläche des Zündabschnitts der Masseelektrode ermöglichen, dass die Masseelektrode dem während des Betriebes auftretenden Abbrand länger standhalten kann. Der auftretende Abbrand verteilt sich auf größere Querschnitte und größere Flächen, so dass sich auch die Zündgeometrie, insbesondere die Breite des Zündspaltes, über die Einsatzdauer nur wenig ändert. Die erfindungsgemäß vorgesehene Mindestgröße der Spülöffnungen gewährleistet bei Betrieb der Zündkerze immer noch eine sehr gute Durchspülung des Ringraumes und des Zündspaltes mit dem Brenngas-Luft-Gemisch. Das sehr gute Entflammungsverhalten, auch bei mageren Gemischen, wird nicht beeinträchtigt.
- • Die Erfindung stellt einen besonders guten Kompromiss zwischen den gegenläufigen Anforderungen dar, einerseits möglichst breite und stabile Stegabschnitte zur Erreichung einer hohen Lebensdauer vorzusehen, und andererseits mit möglichst großen Spülöffnungen die Strömung des Brenngas-Luft-Gemischs möglichst wenig zu behindern.
- • Die Masseelektrode gewährleistet eine verbesserte Wärmeabfuhr vom Zündabschnitt an den Körper, insbesondere durch die vergrößerten Querschnitte der Stegabschnitte. Die an der Masseelektrode auftretenden Temperaturen können bis auf Werte um 600°C gesenkt werden, so dass keine thermischen Schäden zu erwarten sind.
-
In Kenntnis der Erfindung haben die Erfinder außerdem als Stand der Technik die
DE 103 26 269 A1 ermittelt, in welcher eine Zündkerze für eine Vorkammerzündung offenbart ist, bei welcher vorgeschlagen wird, die in die Vorkammer des Brennraumes ragende Zündkerze mit einer Hilfsvorkammer zu versehen. Aus einem als „Atmungsraum” bezeichneten Ringraum zwischen dem Körper und dem Isolator soll die Hilfsvorkammer gebildet werden, indem eine Abdeckung am vorderen Ende des Körpers aufgesetzt und dadurch der Atmungsraum geschlossen wird. Die Entflammung soll durch einen Zündfunken im Übergangsbereich zwischen der Vorkammer und der Hilfsvorkammer eingeleitet werden, wobei die Abdeckung gleichzeitig als Masseelektrode dienen soll. Somit ist eine Durchspülung des Ringraumes bei dieser Ausgestaltung nicht erwünscht, auch wenn die Abdeckung eine oder mehrere kleine Öffnungen aufweisen kann. Eine derartige Vorgehensweise hat sich in der Praxis nicht bewährt und deshalb keinen Eingang in die Serienfertigung von Zündkerzen gefunden.
-
In Ausgestaltung der Erfindung sind die Spülöffnungen durch Bohrungen oder Langlöcher in der Masseelektrode gebildet. Die Langlöcher können nierenförmig um die Mittellinie der Zündkerze gekrümmt sein. Im Längsschnitt durch die Zündkerze kann die Mittellinie jeder der Spülöffnungen einen Winkel von 30° bis 60°, insbesondere von 45°, zur Mittellinie der Zündkerze aufweisen. Hierdurch wird die Durchspülung des Ringraumes und des Zündspaltes weiter verbessert.
-
In Ausgestaltung kann die Masseelektrode auf ihrer dem Ringraum zugewandten Innenseite einen sich in einer entlang der Mittelelektrode zum Zündspalt verlaufenden Richtung konisch verjüngenden Bereich aufweisen. Dieser kann die Strömung des Brenngas-Luft-Gemisches im Ringraum verbessern. In weiterer Ausgestaltung kann die Mittelektrode auf ihrer dem Ringraum abgewandten Außenseite einen sich in einer entlang der Mittelektrode zum Zündspalt verlaufenden Richtung konisch verjüngenden Bereich aufweisen. Mit dem konischen Bereich auf der Außenseite der Masseelektrode lässt sich eine geringe Größe der motorische Prozesswärme aufnehmenden Oberfläche der Masseelektrode erreichen. Der Konuswinkel des konischen Bereichs auf der Innenseite kann – bezogen auf die Mittellinie der Zündkerze – kleiner als der Konuswinkel des konischen Bereichs auf der Außenseite sein. Dies kann die Wärmeableitung an den Körper weiter verbessern. Die Stegabschnitte und die dazwischen angeordneten Spülöffnungen können in dem konischen Bereich der Außenseite der Masseelektrode angeordnet sein.
-
In weiterer Ausgestaltung kann der Befestigungsabschnitt der Ringelektrode ringförmig sein und entlang des gesamten Umfangs des Körpers mit dessen vorderem Ende in Kontakt stehen. Insbesondere kann der ringförmige Befestigungsabschnitt der Masseelektrode entlang des gesamten Umfangs mit dem vorderen Ende des Körpers verschweißt sein, um eine gute Wärmeableitung von der Masseelektrode an den Körper sicher zu stellen.
-
In Ausgestaltung kann der Isolator innerhalb des Körpers enden, so dass der Ringraum am vorderen Ende des Körpers vom Durchgang und der Mittelektrode gebildet wird. Das vordere Ende des Isolators liegt hier bei innerhalb des Körpers. Der Zündabschnitt der Masseelektrode und/oder die Mittelelektrode können eine Edelmetallarmierung enthalten, welche jeweils den Zündspalt begrenzt. Bei der dem Abbrand während des Betriebes ausgesetzten Fläche an der Mittelelektrode wird deren Mantelfläche verwendet, welche in diesem Bereich mit einem zylindrischen Edelmetallstück versehen sein kann. In dem ringförmigen Zündabschnitt der Masseelektrode kann ein rohr- oder hülsenförmiges Edelmetallstück angeordnet sein. Der Mittelelektrodendurchmesser kann zwischen 2,5 mm und 4 mm betragen. Der ringförmige Zündspalt kann eine parallel zur Mittellinie der Zündkerze gemessene Höhe von 1,6 mm bis 4 mm aufweisen. Hierdurch lassen sich große Abbrandflächen, insbesondere im Bereich von 12 mm2 bis 20 mm2, erreichen, und besonders lange Lebensdauern der Zündkerze gewährleisten. Als Werkstoffe für die Edelmetallarmierungen eignen sich insbesondere Platin und Iridium sowie deren Legierungen. Als Werkstoff für die Masseelektrode ist eine oxidationsbeständige Nickelbasislegierung geeignet.
-
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren. Es zeigen:
-
1 eine im Längsschnitt dargestellte Zündkerze gemäß der Erfindung,
-
2 eine vergrößerte Darstellung der Zündkerze der 1 im Bereich ihres vorderen Endes,
-
3 eine Draufsicht auf das vordere Ende der Zündkerze gemäß 2,
-
4 eine Draufsicht ähnlich 3 auf das vordere Ende einer anderen Variante.
-
Die in 1 dargestellte Zündkerze 1 enthält einen Innenleiter 2, der von einem Isolator 3 umgeben ist. Die Zündkerze 1 hat einen Körper 4 mit einem Durchgang 5, der den Isolator 3 aufnimmt. Der Körper 4 hat ein vorderes Ende 6 und ist an seiner Außenfläche mit einem vom vorderen Ende 6 ausgehenden Gewinde 7 versehen, mit welchem die Zündkerze 1 in einen nicht dargestellten Verbrennungsmotor eingeschraubt werden kann, so dass das vordere Ende 6 in eine Vorkammer des Verbrennungsmotors hineinragt. Die Zündkerze 1 enthält eine Mittelektrode 8 und eine Masseelektrode 9, welche einen ringförmigen Zündspalt 10 bilden.
-
Die Mittelektrode 8 ist im Durchgang 5 angeordnet und überragt das vordere Ende 6 des Körpers 4. Der im Durchgang 5 sitzende Isolator 3 weist ein sich verjüngendes vorderes Ende 11 auf, welches einen innerhalb des Körpers 4 liegenden Abschnitt der Mittelektrode 8 umgibt und mit dem Durchgang 5 einen freien Ringraum 12 bildet, welcher auch als „Atmungsraum” bezeichnet wird. Die Mittelelektrode 8 ist über eine Glaseinschmelzung 13 elektrisch leitend mit dem Innenleiter 2 verbunden. Am hinteren Ende 14 des Körpers 4 ragt der Isolator 3 heraus. Am hinteren Ende des Isolators 3 ist ein elektrisch leitend mit dem Innenleiter 2 verbundener Hochspannungsanschluss 15 angeordnet.
-
Die weitere Ausgestaltung wird anhand der vergrößerten Darstellungen der 2 und 3 erläutert. Die Mittelektrode 8 überragt das vordere Ende 6 des Körpers 4, nämlich dessen ebene Stirnfläche 41. Der die Stirnfläche 41 überragende Abschnitt enthält eine Edelmetallarmierung 81. Der die Armierung 81 enthaltende Abschnitt der Mittelektrode 8 liegt somit außerhalb des Körpers 4. Die Masseelektrode 9 hat einen ringförmigen Zündabschnitt 91, welcher den Abschnitt 81 der Mittelektrode 8 mit Abstand umgibt und mit ihm den Zündspalt 10 bildet. Der Zündabschnitt 91 enthält eine ringförmige Edelmetalarmierung 92. Die Masseelektrode 9 hat einen ringförmigen Befestigungsabschnitt 93, welcher entlang des gesamten Umfangs des Körpers 4 mit dem vorderen Ende 6 verschweißt ist. Der Befestigungsabschnitt 93 steht in Kontakt mit einer ebenen Stirnfläche 41 des Körpers 4. Die Masseelektrode 9 hat drei Stegabschnitte 94, welche den Befestigungsabschnitt 93 mit dem Zündabschnitt 91 verbinden. Zwischen den Stegabschnitten 94 sind in der Masseelektrode 9 drei Spülöffnungen 95 angeordnet, durch welche der Ringraum 12 mit der außerhalb der Zündkerze 1 befindlichen Umgebung in Verbindung steht. Die Spülöffnungen 95 ermöglichen bei Betrieb der Zündkerze 1 eine gute Durchspülung des Ringraumes 12 und des Zündspaltes 10 mit dem in die Vorkammer des Verbrennungsmotors strömenden Brenngas-Luft-Gemisch. Im Längsschnitt der 2 weist die Mittellinie 96 der Spülöffnung 95 einen Winkel A von etwa 45° zur Mittellinie 16 der Zündkerze 1 auf.
-
Die Masseelektrode 9 weist auf ihrer dem Ringraum 12 zugewandten Innenseite einen sich einer entlang der Mittelelektrode 8 zum Zündspalt 10 verlaufenden Richtung konisch verjüngenden Bereich 97 auf. Die Masseelektrode 9 weist auf ihrer dem Ringraum 12 abgewandten Außenseite einen sich in der gleichen Richtung konisch verjüngenden Bereich 98 auf. Die Stegabschnitte 94 und die dazwischen angeordneten Spülöffnungen 95 sind in dem konischen Bereich 98 angeordnet.
-
Der Isolator 3 endet mit seinem vorderen Ende 11 innerhalb des Körpers 4, so dass der Ringraum 12 am vorderen Ende 6 vom Durchgang 5 und der Mittelelektrode 8 gebildet wird. Der Abschnitt 82 der Mittelektrode 8, welcher zwischen dem vorderen Ende 11 des Isolators 3 und der Stirnfläche 41 des Körpers 4 liegt, begrenzt somit unmittelbar den Ringraum 12.
-
Die Spülöffnungen 95 können wie in 3 erkennbar, als nierenförmig gekrümmte Langlöcher ausgestaltet sein. Die Spülöffnungen 95 können jedoch auch andere Formen aufweisen und beispielsweise wie in 4 dargestellt als kreiszylindrische Bohrungen ausgestaltet sein. Abgesehen von der Form der Spülöffnungen 95 ist die Zündkerze 1 der 4 genauso wie die in den 1 bis 3 dargestellte Zündkerze 1 ausgestaltet.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Zündkerze
- 2
- Innenleiter
- 3
- Isolator
- 4
- Körper
- 5
- Durchgang
- 6
- vorderes Ende
- 7
- Gewinde
- 8
- Mittelektrode
- 9
- Masseelektrode
- 10
- Zündspalt
- 11
- vorderes Ende
- 12
- Ringraum
- 13
- Glaseinschmelzung
- 14
- hinteres Ende
- 15
- Hochspannungsanschluss
- 16
- Mittellinie
- 41
- Stirnfläche
- 81
- Edelmetallarmierung
- 82
- Abschnitt
- 91
- Zündabschnitt
- 92
- Edelmetallarmierung
- 93
- Befestigungsabschnitt
- 94
- Stegabschnitte
- 95
- Spülöffnungen
- 96
- Mittellinie
- 97
- konischer Bereich
- 98
- konischer Bereich
- A
- Winkel
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 19705372 C2 [0002]
- US 5408961 A [0002]
- DE 10326269 A1 [0008]
