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Die Erfindung geht von einer Vorkammerzündkerze für eine mit Gas betriebene Brennkraftmaschine mit den im des Oberbegriffs des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen aus. Eine derartige Zündkerze ist in der
DE 10 2010 004 851 A1 offenbart. Bei ihr ragen die Mittelelektrode und die Masseelektrode nicht unmittelbar in die Brennkammer der Brennkraftmaschine, sondern in eine am vorderen Ende der Zündkerze ausgebildete Vorkammer, welche über eine oder mehrere Öffnungen mit der Brennkammer der Brennkraftmaschine in Verbindung steht. Durch die Öffnungen in der Vorkammer ist ein Gasaustausch zwischen der Vorkammer und der Brennkammer möglich. Solche Zündkerzen werden als Vorkammerzündkerzen bezeichnet und zur Zündung von mageren Brenngas-Luft-Gemischen in stationären, gasbetriebenen Brennkraftmaschinen eingesetzt. Von einem mageren Kraftstoff-Luft-Gemisch spricht man, wenn das Verhältnis Lambda der tatsächlich in der Brennkammer vorhandenen Luftmenge zu der für eine vollständige Verbrennung des Brenngases stöchiometrisch erforderlichen Luftmenge größer als 1 ist, wobei Lambda-Werte von 1,6 bis 2,0 angestrebt werden. Im Verdichtungshub der Brennkraftmaschine wird ein zündfähiges Gemisch durch die Öffnungen der Vorkammer in die Vorkammer eingebracht. Die Vorkammer ist ihrer Funktion nach eine Vorbrennkammer. Das in die Vorkammer einströmende zündfähige Brenngas-Luft-Gemisch wird mittels eines zwischen der Mittelelektrode und der Masseelektrode der Zündkerze erzeugten Zündfunkens zunächst in der Vorkammer entflammt. Die in der Vorkammer erzeugte Flamme wird durch den in der Vorkammer entstehenden Druck der Verbrennung durch die Öffnungen der Vorkammer aus dieser herausgeschleudert und entzündet das in der Brennkammer der Brennkraftmaschine außerhalb der Vorbrennkammer vorhandene magere Brenngas-Luft-Gemisch.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorkammerzündkerze der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welcher sich die Entflammung des Brenngas-Luft-Gemisches verbessern lässt.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorkammerzündkerze mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die erfindungsgemäße Vorkammerzündkerze hat einen metallischen Körper mit einem Durchgang und einem an seinem vorderen Ende angeordneten Außengewinde zum Einschrauben in die Brennkraftmaschine. In dem Durchgang des Körpers ist ein Isolator befestigt, welcher an dem dem vorderen Ende abgewandten, hinteren Ende aus dem Körper herausragt. Der Isolator umgibt einen durch den Isolator hindurchführenden Innenleiter, welcher mit einer aus dem vorderen Ende des Isolators herausragenden Mittelelektrode elektrisch leitend verbunden ist. Die Mittelelektrode bildet eine Luftfunkenstrecke mit einer Masseelektrode, welche mit dem Körper elektrisch leitend verbunden ist. Die Mittelelektrode und/oder die Masseelektrode kann an ihrer die Luftfunkenstrecke begrenzenden Oberfläche mit einer Edelmetallarmierung versehen sein. An dem vorderen Ende des Körpers ist eine Kappe angebracht, welche nach dem Einbau der Vorkammerzündkerze in die Brennkraftmaschine die Mittelelektrode und die Masseelektrode gegen eine Brennkammer der Brennkraftmaschine abschirmt und zusammen mit dem Körper eine Vorkammer bildet, in welcher die Mittelelektrode und die Masseelektrode angeordnet sind. Die Kappe weist wenigstens eine Öffnung auf, welche einen Gasaustausch zwischen der Vorkammer und dem Raum außerhalb der Vorkammer, nämlich der Brennkammer der Brennkraftmaschine, ermöglicht. Die Vorkammer lässt sich durch eine gedachte Trennebene in einen vorderen Teil und einen hinteren Teil unterteilen. Die Trennebene verläuft senkrecht zum Innenleiter und wird an der aus dem Isolator herausragenden Stirnseite der Mittelelektrode angelegt. Der vordere Teil der Vorkammer liegt auf der dem vorderen Ende der Zündkerze zugewandten Seite der Trennebene und der hintere Teil der Vorkammer liegt auf der dem hinteren Ende der Zündkerze zugewandten Seite der Trennebene. Der hintere Teil der Vorkammer ist innerhalb der Zündkerze, insbesondere innerhalb des Körpers, angeordnet. Da die Trennebene die Vorkammer nur gedanklich in zwei Teile unterteilt, stehen diese an der Trennebene miteinander in Verbindung. Abgesehen von dieser, an der Trennebene befindlichen Verbindung des hinteren Teils der Vorkammer mit dem vorderen Teil der Vorkammer, ist der hintere Teil der Vorkammer gasdicht geschlossen. „Gasdicht” bedeutet, dass aus dem hinteren Teil der Vorkammer – abgesehen von dem an der Trennebene stattfindenden Gasaustausch mit dem vorderen Teil der Vorkammer – während des Betriebs keine Gase entweichen können. Das Volumen des hinteren Teils der Vorkammer ist größer als das Volumen des vorderen Teils der Vorkammer. Das Volumen des hinteren Teils der Vorkammer kann um einen Faktor von 1,1 bis 2,0, insbesondere um einen Faktor von 1,2 bis 1,7, größer als das Volumen des vorderen Teils der Vorkammer sein.
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Die Erfindung hat folgende wesentliche Vorteile:
- • Die Entflammung lässt sich durch die erfindungsgemäßen Größenverhältnisse sowohl bei kleinem als auch bei großem Gesamtvolumen der Vorkammer verbessern. Die Größe des Gesamtvolumens der Vorkammer lässt sich dadurch in weiteren Bereichen variieren, um die Vorkammerzündkerze an die Brennkraftmaschine und deren Einsatzbedingungen optimal anzupassen. Dabei wird der grundsätzliche Vorteil gattungsgemäßer Zündkerzen, welche eine mit dem Körper verbundene und an die Mittelelektrode angepasste Masseelektrode aufweisen, beibehalten, und zwar dass die Zündung im Wesentlichen im Zentrum der Vorkammer erfolgt und sich die Flammfront innerhalb der Vorkammer im Wesentlichen ungehindert in alle Raumrichtungen ausbreiten kann.
- • Die Vorkammer ist vollständig innerhalb der Zündkerze angeordnet, so dass sich je nach Art und Einsatzbedingungen der Brennkraftmaschine eine Vorkammerzündkerze mit entsprechend gestalteter Vorkammer einschrauben lässt. Damit lässt sich eine für den jeweiligen Einsatzfall der Brennkraftmaschine optimierte Entflammung des Brenngas-Luft-Gemisches erreichen.
- • Die Einströmung und Füllung der Vorkammer mit frischem Brenngas-Luft-Gemisch wird verbessert.
- • Hinter der gedachten Trennebene, also im Wesentlichen auch hinter der Luftfunkenstrecke wird ein zusätzlicher, vergrößerter Raum geschaffen, in welchen während eines Verdichtungstaktes Restgase vom vorhergehenden Arbeitstakt der Brennkraftmaschine verdrängt werden können. Durch diesen vergrößerten Speicherplatz für Restgase liegt am Zündspalt zwischen Mittelelektrode und Masseelektrode praktisch unverdünntes frisches Brenngas-Luft-Gemisch vor, so dass die Entflammung des Brenngas-Luft-Gemischs durch den Zündfunken verbessert wird, insbesondere wenn der hintere Teil und der vordere Teil der Vorkammer die erfindungsgemäßen Größenverhältnisse aufweisen.
- • Die Vorkammerzündkerze lässt sich einfach herstellen.
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In Kenntnis der Erfindung wurden die
GB 526,218 A , die
DE 30 25 896 A1 und die
DE 10 2005 017 186 A1 ermittelt, in welchen jeweils eine nicht gattungsgemäße Vorkammerzündkerze ohne Masseelektrode offenbart ist. Der Zündspalt wird unmittelbar zwischen einer Mittelelektrode und einer inneren Wandung der Vorkammer gebildet. Die Zündung findet somit im Randbereich der Vorkammer statt und deren Wandung behindert die gleichmäßige Ausbreitung der Flammfront. Darüber hinaus ist bei diesen gattungsfremden Zündkerzen der hintere Teil der Vorkammer jeweils nicht gasdicht geschlossen. Bei der in der
GB 526,218 A offenbarten Zündkerze führt ein Kanal vom hinteren Teil der Vorkammer über ein Ventil ins Freie. Durch den Kanal wird während des Ansaugtaktes Frischluft in die Vorkammer eingesaugt, welche Restgase aus der Vorkammer spülen soll. In der
DE 30 25 896 A1 wird in einer Brennraumwand, in welche die Zündkerze eingeschraubt ist, ein den Körper umgebender Ringraum offenbart, welcher über radiale Durchbrüche mit der Vorkammer in Verbindung steht. Bei der in der
DE 10 2005 017 186 A1 offenbarten Vorkammerzündkerze werden Restgase in einen ringförmigen Zwischenspeicher außerhalb der Zündkerze oder über Leitungen gesteuert in das Saugrohr der Brennkraftmaschine abgeführt. In der
DE 10 2005 017 186 A1 ist ferner eine nicht gattungsgemäße Vorkammerzündkerze offenbart, bei welcher über radiale Öffnungen, die im Körper im Bereich seines Außengewindes angeordnet sind, eine geringe Menge Zusatzkraftstoff ventilgesteuert in die Vorkammer eingebracht wird.
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Bei der vorliegenden Erfindung kann in weiterer Ausgestaltung vorgesehen sein, dass in dem Durchgang des Körpers eine ringförmige Sitzfläche für den Isolator angeordnet ist, an welcher sich der Durchgang – bei Betrachtung in Richtung vom hinteren zum vorderen Ende der Zündkerze – verengt. Der Isolator kann eine ringförmige Anlagefläche, insbesondere Schulter, aufweisen, mit welcher er sich in axialer Richtung auf der ringförmigen Sitzfläche des Körpers abstützt. Die ringförmige Sitzfläche des Körpers und die ringförmige Anlagefläche des Isolators sind derart aneinander angepasst, dass sie gasdicht aneinander anliegen, wobei die Gasdichtigkeit insbesondere durch eine dazwischen liegende Dichtung gewährleistet werden kann, damit keine Gase aus dem hinteren Teil der Vorkammer in den hinteren Teil des Durchgangs eindringen können. Der Durchgang kann sich im hinteren Teil der Vorkammer an wenigstens einer Stelle – bei Betrachtung in Richtung vom hinteren Ende zum vorderen Ende – erweitern, insbesondere an einer Stelle zwischen der ringförmigen Sitzfläche für den Isolator und der Trennebene. Die Erweiterung kann insbesondere stufenförmig sein. Die Erweiterung kann auch einen konischen Abschnitt und/oder einen mit einem Radius gerundeten Abschnitt enthalten.
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Die Masseelektrode kann insbesondere vollständig im hinteren Teil der Vorkammer angeordnet sein. Die Masseelektrode kann an einer innerhalb des Durchgangs liegenden Befestigungsstelle am Körper befestigt sein. Insbesondere kann die Befestigungsstelle im hinteren Teil der Vorkammer liegen. Der Durchgang kann sich an der Befestigungsstelle der Masseelektrode und/oder an einer zwischen der Befestigungsstelle und der ringförmigen Sitzfläche für den Isolator liegenden Stelle – bei Betrachtung in Richtung von hinten nach vorne – erweitern, insbesondere stufenförmig erweitern. Die Masseelektrode kann insbesondere einen ringförmigen Abschnitt enthalten, welcher die Mittelelektrode ringförmig umgeben kann. Die die Mittelelektrode umgebende Oberfläche der Masseelektrode kann mit einer ringförmigen Edelmetallarmierung versehen oder bestückt sein. Die Masseelektrode kann wenigstens einen Armabschnitt enthalten, welcher sich von dem die Mittelelektrode ringförmig umgebenden Abschnitt zur Befestigungsstelle am Körper erstreckt.
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In weiterer Ausgestaltung kann sich der Durchgang an einer Stelle, welche zwischen der ringförmigen Sitzfläche für den Isolator und der Befestigungsstelle der Masseelektrode angeordnet ist, – bei Betrachtung in Richtung von hinten nach vorne – verengen. Diese Verengung kann insbesondere stufenförmig sein. Durch diese Verengung in Kombination mit einer vorgenannten Erweiterung des Durchgangs kann im hinteren Teil der Vorkammer ein vergrößerter Ringraum geschaffen werden, welcher einen Abschnitt des Isolators und/oder einen aus dem Isolator herausragenden Abschnitt der Mittelelektrode umgibt. Durch diesen vergrößerten Ringraum können die erfindungsgemäßen Größenverhältnisse des vorderen und hinteren Teil der Vorkammer in besonders einfacher Weise erreicht werden. Der vordere Teil der Vorkammer kann mehrere zylindrische, insbesondere kreiszylindrische, Abschnitte enthalten. Der hintere Teil der Vorkammer kann mehrere ringförmige, insbesondere kreisringförmige, Abschnitte enthalten. Dabei können sämtliche Abschnitte der Vorkammer koaxial zu dem Innenleiter angeordnet sein. Eine derartige symmetrische Ausbildung der Vorkammer begünstigt eine gute Entflammung.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Figur. Es zeigt:
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1 eine erfindungsgemäße Vorkammerzündkerze, von welcher nur ein Bereich an ihrem vorderen Ende teilweise im Längsschnitt dargestellt ist.
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In 1 ist eine Vorkammerzündkerze 1 im Bereich ihres vorderen Endes 2 dargestellt, an welchem sich ein Außengewinde 3 zum Einschrauben in eine nicht dargestellte Brennkraftmaschine befindet. Das Außengewinde 3 ist an einem metallischen Körper 4 angeordnet. Der Körper 4 hat einen Durchgang 5, in welchem in an sich bekannter Weise ein Isolator 6 befestigt ist. An dem dem vorderen Ende 2 abgewandten hinteren Ende 7 ragt der Isolator 6 in nicht dargestellter Weise aus dem Körper 4 heraus. Der Isolator 6 umgibt einen durch den Isolator 6 hindurchführenden Innenleiter 8, welcher mit einer aus dem vorderen Ende 9 des Isolators 6 herausragenden Mittelelektrode 10 elektrisch leitend verbunden ist. Die Vorkammerzündkerze 1 enthält eine Masseelektrode 11, welche an einer Befestigungsstelle 51 am Körper 4 befestigt ist. Bei Betrachtung vom hinteren Ende 7 zum vorderen Ende 2 erweitert sich der Durchgang 5 an der Befestigungsstelle 51 stufenförmig. Die Masseelektrode 11 hat einen ringförmigen Abschnitt 12, welcher die Mittelelektrode 10 umgibt. Die Masseelektrode 11 hat ferner mehrere Armabschnitte 13, mit welchen die Mittelelektrode 11 am Körper 4 befestigt ist und von denen einer in 1 erkennbar ist. Zwischen der Mittelelektrode 10 und dem ringförmigen Abschnitt 12, der Masseelektrode 11 ist ein ringförmiger Zündspalt 14 vorgesehen, welcher eine Luftfunkenstrecke bildet. Die Mittelelektrode 10 ist an ihrem vorderen Ende mit einem Edelmetall 15 oder mit einer Edelmetalllegierung bestückt. Der ringförmige Abschnitt 12 der Masseelektrode 11 ist auf seiner der Mittelelektrode 10 zugewandten Innenseite ringförmig mit einem Edelmetall 16 oder mit einer Edelmetalllegierung bestückt. Die einander zugewandten, durch das Edelmetall 15, 16 bzw. die Edelmetalllegierungen gebildeten Flächen der Mittelelektrode 10 und der Masseelektrode 11 sind koaxial angeordnete Mantelflächen von Kreiszylindern.
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An dem vorderen Ende 2 des Körpers 4 ist eine Kappe 17 angebracht, welche zusammen mit dem Körper 4 eine Vorkammer 18 bildet, in welcher die Mittelelektrode 10 und die Masseelektrode 11 angeordnet sind. Die Kappe 17 hat mehrere Durchgangsöffnungen 19, welche einen Gasaustausch zwischen der Vorkammer 18 und der nicht dargestellten Brennkammer der Brennkraftmaschine ermöglichen.
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An die vordere Stirnseite 20 der Mittelelektrode 10 lässt sich eine gedachte Trennebene anlegen, welche senkrecht zum Innenleiter 8 verläuft und in der 1 durch die gestrichelte Linie 21 angedeutet ist. Die Vorkammer 18 wird durch die Trennebene 21 in einen vorderen Teil 22 und einen hinteren Teil 27 unterteilt. Der vordere Teil 22 liegt auf der dem vorderen Ende 2 der Vorkammerzündkerze 1 zugewandten Seite der Trennebene 21 und der hintere Teil 27 der Vorkammer 18 liegt auf der dem hinteren Ende 7 der Vorkammerzündkerze 1 zugewandten Seite der Trennebene 21. Der hintere Teil 27 ist vollständig innerhalb der Vorkammerzündkerze 1 angeordnet. Die Masseelektrode 11 und ihre Befestigungsstelle 51 sind vollständig im hinteren Teil 27 angeordnet. Der vordere Teil 22 und der hintere Teil 27 stehen an der Trennebene 21 miteinander in Verbindung, so dass über die Trennebene 21 hinweg ein Gasaustausch zwischen dem vorderen Teil 22 und dem hinteren Teil 27 stattfinden kann. Abgesehen von dieser Verbindung mit dem vorderen Teil 22 ist der hintere Teil 27 gasdicht geschlossen. Der vordere Teil 22 steht über die Öffnungen 19 mit dem Raum außerhalb der Vorkammer 18 in Verbindung. Das Volumen des hinteren Teils 27 ist größer das Volumen des vorderen Teils 22, um eine bessere Entflammung des Brenngas-Luft-Gemisches in der Vorkammer 18 zu erreichen.
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In dem Durchgang 5 ist eine ringförmige Sitzfläche 52 für den Isolator 6 angeordnet, an welcher sich der Durchgang 5 in Richtung vom hinteren Ende 7 zum vorderen Ende 2 konisch verengt. Der Isolator 6 hat eine an die Sitzfläche 52 angepasste Anlagefläche 61, welche ebenfalls ringförmig und konisch ist. Zur Abdichtung des hinteren Teils 27 der Vorkammer 18 ist zwischen der Sitzfläche 52 und der Anlagefläche 61 eine Dichtung 30 angeordnet. Der Isolator 6 stützt sich mit seiner Anlagefläche 61 in axialer Richtung auf der Sitzfläche 52 ab. Zwischen der Sitzfläche 52 und der Trennebene 21 ist neben der Stelle 51 eine weitere Stelle 53 angeordnet, an welcher sich der Durchgang 5 – in Richtung vom hinteren Ende 7 zum vorderen Ende 2 – stufenförmig erweitert. Zwischen der Erweiterung 53 und der Befestigungsstelle 51 liegt eine Stelle 54, an welcher sich der Durchgang 5 stufenförmig verengt. Zwischen der Erweiterung 53 und der Verengung 54 wird ein vergrößerter Ringraum 31 gebildet, welcher in die Entflammung des Brenngas-Luft-Gemisches verbessernder Weise das Volumen des hinteren Teils 27 der Vorkammer 18 vergrößert.
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Die Anlagefläche 61 des Isolators 6 ist als ringförmige Schulter ausgebildet. Der Isolator 6 setzt sich über die Schulter 61 noch mit einem sich konisch verjüngenden „Isolatorfuß” 62 bis zu seinem vorderen Ende 9 fort. Der Ringraum 31 umgibt neben der Mittelelektrode 10 auch das vordere Ende 9 des Isolators 6.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorkammerzündkerze
- 2
- vorderes Ende
- 3
- Außengewinde
- 4
- Körper
- 5
- Durchgang
- 6
- Isolator
- 7
- hinteres Ende
- 8
- Innenleiter
- 9
- vorderes Ende des Isolators
- 10
- Mittelelektrode
- 11
- Masseelektrode
- 12
- ringförmiger Abschnitt
- 13
- Armabschnitt
- 14
- Zündspalt
- 15
- Edelmetall
- 16
- Edelmetall
- 17
- Kappe
- 18
- Vorkammer
- 19
- Durchgangsöffnung
- 20
- Stirnseite
- 21
- Trennebene
- 22
- vorderer Teil
- 27
- hinterer Teil
- 30
- Dichtung
- 31
- Ringraum
- 51
- Befestigungsstelle
- 52
- Sitzfläche
- 53
- Erweiterung
- 54
- Verengung
- 61
- Anlagefläche
- 62
- Isolatorfuß
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010004851 A1 [0001]
- GB 526218 A [0006, 0006]
- DE 3025896 A1 [0006, 0006]
- DE 102005017186 A1 [0006, 0006, 0006]
