DE102017107728A1

DE102017107728A1 - Vorkammerzündkerze und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102017107728A1
Application number: DE102017107728.6A
Authority: DE
Inventors: Werner Niessner; Matthias Blankmeister
Original assignee: Federal Mogul Ignition GmbH
Current assignee: Federal Mogul Ignition GmbH
Priority date: 2017-04-10
Filing date: 2017-04-10
Publication date: 2018-10-11
Also published as: US20180294624A1; US11183818B2

Abstract

Beschrieben wird eine Vorkammerzündkerze (1) für eine Brennkraftmaschine (50) mit folgenden Merkmalen: einem Körper (2) mit einem an seinem vorderen Ende (3) angeordneten Außengewinde (4) zum Einschrauben der Vorkammerzündkerze (1) in die Brennkraftmaschine (50); das Außengewinde (4) hat eine Mittellinie (5) und beginnt am vorderen Ende (3) mit einem Gewindeanschnitt (6); der Körper (2) hat einen Durchgang (7), in welchem ein Isolator (8) befestigt ist, aus welchem am vorderen Ende (11) eine Mittelelektrode (10) herausragt; am vorderen Ende (3) des Körpers (2) ist eine vorkammerbildende Kappe (30) angeordnet, welche eine Vorkammer (31) begrenzt und die Mittelelektrode (10) nach dem Einbau der Vorkammerzündkerze (1) in die Brennkraftmaschine (50) gegen eine Brennkammer (55) der Brennkraftmaschine (50) abschirmt; die Kappe (30) weist wenigstens eine schräg zur Mittellinie (5) des Außengewindes (4) orientierte Öffnung (33; 34; 35; 36) auf, welche einen Gasaustausch zwischen der Vorkammer (31) und dem Raum außerhalb der Vorkammer (31) ermöglicht. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Öffnung (33; 34; 35; 36) eine vordefinierte Orientierung in Bezug auf den Gewindeanschnitt (6) hat. Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung der Zündkerze sowie ein Satz von Zündkerzen und eine Brennkraftmaschine damit beschrieben.

Description

Die Erfindung geht von einer Vorkammerzündkerze für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, einem Satz von Vorkammerzündkerzen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 10, einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 11 und einem Verfahren zur Herstellung der Vorkammerzündkerze mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 12 aus.
Bislang werden vorkammerbildende Kappen bei Vorkammerzündkerzen derart auf das vordere Ende des Körpers aufgesetzt, dass die in der vorkammerbildenden Kappe angeordneten Öffnungen eine zufällige Orientierung in Bezug auf den Gewindeanschnitt haben. Die bei einem Zündvorgang aus den Öffnungen austretenden Zündfackeln sind somit in der Brennkammer der Brennkraftmaschine ebenfalls zufällig orientiert.
Aus der DE 10 2006 062 737 B4 ist ein Verfahren zum Herstellen einer nicht gattungsgemäßen Zündkerze ohne Vorkammer bekannt, bei welchem eine definierte Position einer Körperelektrode zum Gewindeanschnitt des Zündkerzeneinschraubgewindes dadurch erzielt wird, dass der Körper am Außendichtsitz an einem Anschlag festgelegt wird, das Gewindeprofil in einem Messfenster durch Drehbewegung justiert wird und die Körperelektrode geschweißt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorkammerzündkerze der eingangs genannten Art, einen Satz derartiger Vorkammerzündkerzen und ein Verfahren zu deren Herstellung zu schaffen, durch welche sich die Entflammung in der Brennkammer der Brennkraftmaschine verbessern lässt.
Die Aufgabe wird durch eine Vorkammerzündkerze mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einen Satz von Vorkammerzündkerzen mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Die Aufgabe wird ferner durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 11 sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Vorkammerzündkerze mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Vorkammerzündkerze hat einen Körper mit einem an seinem vorderen Ende angeordneten Außengewinde zum Einschrauben der Vorkammerzündkerze in die Brennkraftmaschine. Das Außengewinde hat eine Mittellinie und beginnt am vorderen Ende mit einem Gewindeanschnitt. Der Körper hat einen Durchgang, in welchem ein Isolator befestigt ist, aus welchem am vorderen Ende eine Mittelelektrode herausragt. Das vordere Ende des Isolators wird auch als „Isolatorfuß“ bezeichnet. Der Isolator kann einen Innenleiter umgeben, der mit der Mittelelektrode elektrisch leitend verbunden ist. Das hintere Ende der Vorkammerzündkerze bzw. des Körpers ist dem vorderen Ende abgewandt. Dort kann der Isolator aus dem Körper herausragen.
Die Vorkammerzündkerze kann eine Masseelektrode enthalten, welche elektrisch leitend mit dem Körper verbunden ist und mit der Mittelelektrode eine Luftfunkenstrecke bildet. Am vorderen Ende des Körpers ist eine vorkammerbildende Kappe angeordnet, welche eine Vorkammer begrenzt. Die Kappe schirmt die Mittelelektrode, und falls vorhanden auch die Masseelektrode, gegen die Brennkammer ab und weist wenigstens eine Öffnung auf, welche schräg zur Mittellinie des Außengewindes orientiert ist und einen Gasaustausch zwischen der Vorkammer und dem Raum außerhalb der Vorkammer, nämlich der Brennkammer der Brennkraftmaschine, ermöglicht. Die Öffnung hat eine vordefinierte Orientierung in Bezug auf den Gewindeanschnitt. Es kann sich um eine passive Vorkammerzündkerze handeln, bei welcher die Vorkammer ausschließlich vom Brennraum der Brennkraftmaschine aus mit Brennstoff, nämlich über die zumindest eine Öffnung in der Kappe, versorgt wird. Die passive Vorkammerzündkerze enthält insbesondere keine Brennstoffzuführkanäle, die der Vorkammer direkt zusätzlichen Brennstoff zuführen.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine hat mehrere Brennkammern, in welche jeweils ein Kanal mündet und eine Vorkammerzündkerze mit einer vorkammerbildenden Kappe hineinragt. Die Brennkraftmaschine kann ein Gehäuse mit mehreren Zylindern aufweisen. Das Gehäuse kann einen Motorblock und einen Zylinderkopf enthalten. Der Kanal kann ein im Zylinderkopf angeordneter Einlasskanal oder Auslasskanal sein. Der Zylinder weist einen im Gehäuse bewegbaren Kolben auf, welcher die im Gehäuse angeordnete Brennkammer begrenzt. Das Volumen der Brennkammer ändert sich bei Bewegung des Kolbens. Das Volumen der Brennkammer, wenn sich der Kolben im oberen Totpunkt befindet, wird als „komprimiertes Volumen“ bezeichnet. Die Brennkraftmaschine wird mit der benötigten Anzahl von erfindungsgemäßen Vorkammerzündkerzen bestückt, so dass die Öffnung in der Kappe bei allen Vorkammerzündkerzen in Bezug auf den Kanal die gleiche Orientierung hat. Der erfindungsgemäße Satz von Vorkammerzündkerzen enthält die für eine Brennkraftmaschine notwendige Anzahl erfindungsgemäßer Zündkerzen und kann insbesondere bei der Instandsetzung der Brennkraftmaschine eingesetzt werden, wenn die Vorkammerzündkerzen ausgetauscht werden müssen. Der Satz umfasst mehrere erfindungsgemäße Vorkammerzündkerzen, wobei die Öffnung bei allen Vorkammerzündkerzen des Satzes in Bezug auf den Gewindeanschnitt die gleiche Orientierung hat.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung der Vorkammerzündkerze wird der benachbart zum Außengewinde angeordnete Außendichtsitz des Körpers als Basis bestimmt und das Gewindeprofil des Außengewindes durch eine Drehbewegung des Körpers um die Mittellinie justiert. Hierzu kann eine Hilfsvorrichtung, insbesondere eine ein optisches Messsystem enthaltende Justiervorrichtung, eingesetzt werden, in welcher das Gewindeprofil quer zur Mittellinie betrachtet werden kann, insbesondere in einem Messfenster. Wenn das Gewindeprofil des Außengewindes durch die Drehbewegung des Körpers in eine vordefinierte Orientierung gebracht wird, beispielsweise wenn die Spitze eines Gewindeganges einen definierten Abstand von dem Außendichtsitz aufweist, dann hat automatisch der Gewindeanschnitt in Umfangsrichtung des Körpers eine vordefinierte Position. Die Bestimmung des Außendichtsitzes als Basis und die Ermittlung der Orientierung des Gewindeprofils kann vollständig oder teilweise optisch erfolgen. Um den Außendichtsitz als Basis zu bestimmen kann der Außendichtsitz an einen Anschlag angelegt werden. Der Anschlag und/oder das Messfenster können Teil der Justiervorrichtung sein. Nach dem Justieren des Gewindeprofils wird die Kappe mit ihrer Öffnung in einer vordefinierten Position auf das vordere Ende des Körpers aufgesetzt und mit diesem verschweißt. Dadurch wird eine vordefinierte Orientierung der Öffnung in der Kappe in Bezug auf den Gewindeanschnitt erzielt und die Öffnung hat nach dem Einbau der Vorkammerzündkerze in die Brennkraftmaschine stets die gleiche Orientierung in Bezug auf den Kanal.
Die Erfindung hat folgende wesentliche Vorteile:

• In allen Zylindern einer Brennkraftmaschine wird eine definierte Orientierung der beim Zündvorgang aus der Öffnung schießenden Zündfackel bzw. des Flammenstrahls in der Brennkammer gewährleistet. Die Richtung der Öffnung ist an die Brennkammer und die dort herrschenden Verhältnisse angepasst. Dies verbessert die Entflammung eines mageren Gemischs.
• Bei benzinbetriebenen Ottomotoren kann die vorliegende Erfindung den Magerbetrieb verbessern und eine sichere, großvolumige Entflammung in der Brennkammer durch gezielt aus den Öffnungen in der Kappe herausschießende Zündfackeln ermöglichen, und zwar insbesondere auch, wenn die Abgasrückführrate relativ hoch ist.
• Der Hubraum des Zylinders der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann im Bereich von 300 cm³ bis 800 cm³, insbesondere von 300 cm³ bis 500 cm³, liegen. Es hat sich überraschend gezeigt, dass sich, insbesondere bei einer derartigen Hubraumgröße, eine besonders gute Entflammung erreichen lässt, wenn das Gesamtvolumen der Vorkammer relativ groß gewählt wird und mindestens 0,65 %, insbesondere von 0,65 % bis 1,9 %, des komprimierten Volumens der Brennkammer beträgt. Bei einem komprimierten Volumen der Brennkammer im Bereich von 30 cm³ bis 100 cm³, insbesondere von 50 cm³ bis 80 cm³, kann dies mit einem Gesamtvolumen der Vorkammer im Bereich von 0,2 cm³ bis 1 cm³, insbesondere von 0,3 cm³ bis 0,8 cm³, erreicht werden.

In weiterer Ausgestaltung kann die Öffnung, die Masseelektrode und der Gewindeanschnitt eine vordefinierte Orientierung zueinander haben, welche bei allen Vorkammerzündkerzen des Satzes bzw. der Brennkraftmaschine gleich ist. Insbesondere kann die Mittellinie der Öffnung, insbesondere die Mittellinie jeder der Öffnungen in einer Kappe, die Mittellinie des Außengewindes schneiden. Dies kann eine im Wesentlichen drallfreie Strömung hoher Turbulenz in der Vorkammer bewirken, wodurch ein gutes Spülen der Vorkammer und eine sichere Zündung gewährleistet werden können. Die hohe Turbulenz bzw. hohe „Turbulente Kinetische Energie“ sorgt auch für eine Beschleunigung der Verbrennung. Der Winkel zwischen der Mittellinie der Öffnung und der Mittellinie des Außengewindes kann 30° bis 80°, insbesondere 45° bis 60°, betragen. Die Kappe kann 3 bis 9, insbesondere 4 bis 6, Öffnungen aufweisen.
Bei der Herstellung kann vor dem Justieren und Anschweißen der Kappe zunächst der Außendichtsitz und das Außengewinde am Körper hergestellt werden. Anschließend wird der Außendichtsitz ein erstes Mal als Basis bestimmt, beispielsweise durch Anlegen an einen Anschlag, und das Gewindeprofil des Außengewindes durch eine Drehbewegung des Körpers um die Mittellinie des Außengewindes justiert. Nach dem ersten Justieren wird wenigstens eine Nut in einer vordefinierten Position in eine quer zur Mittellinie verlaufende Stirnfläche des Körpers oder in einer am Körper geformten Stufe gefräst. In die Nut wird eine Masseelektrode eingesetzt und mit dem Körper verschweißt. Danach kann der Isolator, insbesondere bereits vorgefertigt mit Mittelelektrode und Innenleiter, in den Durchgang des Körpers eingesetzt und dort, in an sich bekannter Weise, befestigt werden. Nach dem Einsetzen und Befestigen des Isolators wird der Außendichtsitz des Körpers ein zweites Mal als Basis bestimmt und das Gewindeprofil des Außengewindes durch eine Drehbewegung des Körpers justiert, um die Kappe mit ihrer Öffnung in einer vordefinierten Position am vorderen Ende des Körpers anbringen zu können. Falls notwendig, kann vor dem Anbringen der Kappe der Abstand der Masseelektrode zu der Mittelelektrode im Bereich der Funkenstrecke eingestellt werden.
In dem Körper kann eine ringförmige Sitzfläche für den Isolator angeordnet sein, an welcher sich der Durchgang bei Betrachtung vom hinteren Ende zum vorderen Ende verengt. Das vordere Ende des Isolators, also der Isolatorfuß, ragt über die Sitzfläche nach vorne in die Vorkammer hinein und weist einen in Umfangsrichtung umlaufenden Abstand von mindestens 1,2 mm zum Körper auf. Der Abstand zwischen dem vorderen Ende des Isolators und der Vorkammerwandung kann insbesondere 1,4 mm oder mehr betragen. Bei Betrachtung von hinten nach vorne kann sich der Durchgang an einer Stelle verengen, welche zwischen der ringförmigen Sitzfläche für den Isolator und der Befestigungsstelle der Masseelektrode angeordnet ist. Die zwischen der ringförmigen Sitzfläche für den Isolator und der Masseelektrode, insbesondere der Befestigungsstelle der Masseelektrode am Körper, liegende Verengung kann eine verbesserte Befestigung der Masseelektrode ermöglichen. Es kann eine größere Länge der Masseelektrode den Körper berühren. Die Schweißung zwischen Masseelektrode und Körper kann dadurch verlängert werden. Die Verengung kann insbesondere „balkonartig“ hinter der Masseelektrode in die Vorkammer hineinragen. An der die Masseelektrode tragenden Verengung kann der Durchgang seinen kleinsten freien Querschnitt aufweisen. Der Durchgang des Körpers kann sich somit an zwei Stellen verengen, wobei zusätzlich noch vorgesehen sein kann, dass sich der Durchgang zwischen den beiden Verengungen erweitert. Der Durchgang kann sich - bei Betrachtung von hinten nach vorne - an einer Stelle erweitern, welche zwischen der ringförmigen Sitzfläche für den Isolator und dem vorderen Ende des Isolators, also im Bereich des Isolatorfußes, angeordnet ist. Es kann ein freier Ringraum im Bereich des Isolatorfußes geschaffen werden, welcher eine ausreichende Größe aufweist, um eine gute Spülung der Vorkammer zu ermöglichen.
In weiterer Ausgestaltung kann die Vorkammer durch eine gedachte Trennebene in einen vorderen Teil und einen hinteren Teil unterteilt werden. Die Trennebene verläuft senkrecht zur Mittellinie des Außengewindes und wird an einer 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 1,5 bis 2,0, insbesondere um einen Faktor von 1,6 bis 1,7, größer als das Volumen des vorderen Teils der Vorkammer sein. Hierdurch kann hinter der Luftfunkenstrecke ein vergrößerter Raum geschaffen werden, in welchen während eines Verdichtungstakts Restgase vom vorhergehenden Arbeitstakt der Brennkraftmaschine verdrängt werden können. Durch diesen vergrößerten Speicherplatz für Restgase kann am Zündspalt zwischen Mittelelektrode und Masseelektrode ein praktisch unverdünntes frisches Kraftstoff-Luft-Gemisch vorliegen, so dass die Entflammung durch den Zündfunken verbessert werden kann.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren. Es zeigen:

1 einen Schnitt durch einen Teil einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit einer Vorkammerzündkerze,
2 die Vorkammerzündkerze der 1 in perspektivischer Darstellung,
3 den Bereich des vorderen Endes der Vorkammerzündkerze der 2 mit abgenommener Kappe,
4 einen vergrößerten Längsschnitt durch den Bereich des vorderen Endes der Vorkammerzündkerze der 1,
5 eine Ansicht ähnlich 4 auf eine Variante der Vorkammerzündkerze,
6 eine Ansicht ähnlich 4 auf eine weitere Variante der Vorkammerzündkerze,
7 schematische Darstellung eines Justiervorgangs eines Außengewindes einer erfindungsgemäßen Vorkammerzündkerze,
8 einen Querschnitt einer Variante einer Kappe für eine erfindungsgemäße Vorkammerzündkerze.

In den 1 bis 6 ist eine Vorkammerzündkerze 1 mit einem metallischen Körper 2 und einem an seinem vorderen Ende 3 angeordneten Außengewinde 4 erkennbar. Das Außengewinde 4 hat eine Mittellinie 5 und beginnt am vorderen Ende 3 mit einem Gewindeanschnitt 6. Das Außengewinde 4 kann ein M12-Gewinde sein. Als Gewindeanschnitt 6 wird der Beginn eines in den 2 und 3 schematisch angedeuteten Gewindegangs des Außengewindes 4 bezeichnet. Der Körper 2 hat einen Durchgang 7, in welchem ein Isolator 8 in an sich bekannter Weise befestigt ist. Der Isolator 8 umgibt einen Innenleiter 9, welcher mit einer Mittelelektrode 10 verbunden ist. Am vorderen Ende 11 des Isolators 8 ragt die Mittelelektrode 10 aus diesem heraus und ist dort mit einem Armierungsbauteil 12 versehen. Am hinteren Ende 13 der Vorkammerzündkerze 1 ragt der Isolator 8 aus dem Körper 2 heraus. Am Körper 2 ist ein Sechskant oder Zwölfkant 14 zum Ansetzen eines Einschraubwerkzeugs ausgebildet. In dem Durchgang 7 ist eine ringförmige Sitzfläche 16 für den Isolator 8 angeordnet. Bei Betrachtung vom hinteren Ende 13 zum vorderen Ende 3 verengt sich der Durchgang 7 an der ringförmigen Sitzfläche 16. Zwischen der Sitzfläche 16 und einer daran angepassten Ringschulter des Isolators 8 ist ein Dichtring angeordnet. Das vordere Ende 11 des Isolators 8 ist als Isolatorfuß ausgebildet und ragt über die Sitzfläche 16 in Richtung des vorderen Endes 3 des Körpers. Der Isolatorfuß weist zumindest am vorderen Ende 11 einen in Umfangsrichtung umlaufenden Abstand R von etwa 1,4 mm zur inneren Wandung des Durchgangs 7 auf. Das vordere Ende 11 des Isolators 8 ist somit von einem Ringspalt 18 der Breite R umgeben, welcher während eines Verdichtungstakts Restgase aufnehmen kann.
Die Vorkammerzündkerze 1 gemäß der 1 bis 4 und der in 5 dargestellten Variante enthält zwei sich geradlinig erstreckende Masseelektroden 20, welche jeweils mit der Umfangsfläche der Mittelelektrode 10 eine Funkenstrecke 21 bilden. Bei der in 6 dargestellten Variante ist nur eine Masseelektrode 20' vorgesehen, welche mit einer Stirnseite 22 der Mittelelektrode 10 eine Luftfunkenstrecke 21' bildet. Jede der Masseelektroden 20, 20' ist zweiteilig aus einem Trägerbauteil 23 und einem Armierungsbauteil 24 ausgebildet und erstreckt sich quer zur Mittellinie 5, insbesondere senkrecht dazu. Das Armierungsbauteil 24 besteht aus einer Edelmetalllegierung, insbesondere Platin- und/oder Iridiumlegierung. Das Trägerbauteil 23 besteht aus einer Nickelbasislegierung. Trägerbauteil 23 und Armierungsbauteil 24 sind kreiszylindrisch und aus einem Draht hergestellt. Ihr Durchmesser kann 0,5 mm bis 1,2 mm betragen. Das Armierungsbauteil 24 ist stirnseitig auf das Trägerbauteil 23, insbesondere durch Laserschweißen, aufgeschweißt. Die Luftfunkenstrecke 21 bzw. 21' wird durch die Umfangsfläche des Armierungsbauteils 24 begrenzt. Dort kann der Abstand zwischen dem Armierungsbauteil 24 und dem Armierungsbauteil 12 0,7 mm bis 0,9 mm betragen. Die Masseelektroden 20 lassen sich dadurch sehr einfach herstellen und es kann wertvolles Edelmetall eingespart werden. Die Masseelektroden 20 können in großer Stückzahl vorgefertigt und anschließend bei verschiedenen Varianten von Vorkammerzündkerzen 1, siehe insbesondere 4 bis 6, eingesetzt werden.
Am vorderen Ende 3 ist eine Kappe 30 am Körper 2 angeschweißt, welche eine Vorkammer 31 begrenzt und die Elektroden 10, 20 sowie die Luftfunkenstrecke 21 abschirmt. Die Kappe 30 überragt das vordere Ende 3 des Körpers 2 und begrenzt das vordere Ende 32 der Vorkammerzündkerze 1. Die Kappe 30 weist mehrere Öffnungen 33, 34, 35 und 36, siehe 8, auf, welche schräg zur Mittellinie 5 verlaufen und einen Gasaustausch zwischen der Vorkammer 31 und dem Raum außerhalb der Vorkammer 31 ermöglichen. Der Durchmesser der kreisförmigen Öffnungen 33, 34, 35, 36 kann 0,8 mm bis 1,4 mm betragen. An die vordere Stirnseite 22 der Mittelelektrode 10 lässt sich eine gedachte Trennebene anlegen, welche senkrecht zur Mittellinie 5 verläuft und in den 4 bis 6 durch die gestrichelte Linie 37 angedeutet ist. Die Vorkammer 31 wird durch die Trennebene 37 in einen vorderen Teil 38 und einen hinteren Teil 39 unterteilt. Der vordere Teil 38 liegt auf der dem vorderen Ende 32 der Vorkammerzündkerze 1 zugewandten Seite der Trennebene 37 und der hintere Teil 39 der Vorkammer 31 liegt auf der dem hinteren Ende 13 zugewandten Seite der Trennebene 37. Der hintere Teil 39 ist vollständig innerhalb der Vorkammerzündkerze 1 angeordnet. Der vordere Teil 38 und der hintere Teil 39 stehen an der Trennebene 37 miteinander in Verbindung, so dass über die Trennebene 37 hinweg ein Gasaustausch zwischen dem vorderen Teil 38 und dem hinteren Teil 39 stattfinden kann. Abgesehen von dieser Verbindung mit dem vorderen Teil 38 ist der hintere Teil 39 gasdicht geschlossen. Sämtliche Öffnungen 33, 34, 35, 36 münden in den vorderen Teil 38. Ein Gesamtvolumen Vv+Vh der Vorkammer 31 wird aus der Summe eines Volumens Vv des vorderen Teils 38 und eines Volumens Vh des hinteren Teils 39 der Vorkammer 31 gebildet. Das vordere Volumen Vv erstreckt sich im Bereich der Öffnungen 33, 34, 35 und 36 bis zur Außenfläche der Kappe 30, so dass das vordere Volumen Vv auch die Volumina der Öffnungen 33, 34, 35, 36 innerhalb der Wandung der Kappe 30 umfasst. Das Volumen Vh des hinteren Teils 39 ist, insbesondere um einen Faktor von 1,6 bis 1,7, größer als das Volumen Vv des vorderen Teils 38.
Der Körper 2 hat am vorderen Ende 3 eine Stirnfläche 40, an welcher eine Befestigungsstelle der Masseelektrode 20 angeordnet ist. Für jede Masseelektrode 20 ist an der Befestigungsstelle eine Nut 41 in der Stirnseite 40 eingebracht, in welcher das Trägerbauteil 23 sitzt und mit dem Körper 2, insbesondere durch Widerstandsschweißen, verschweißt ist. In nicht dargestellter Ausgestaltung kann die Masseelektrode 20 auch ohne Nut 41 auf die Stirnfläche 40 geschweißt werden. Der Körper 2 weist am vorderen Ende 3 eine in Umfangsrichtung umlaufende Stufe 42 auf, welche radial nach außen weist. Die Kappe 30 ist auf diese Stufe 42 aufgesetzt und dort mit dem Körper 2 verschweißt. Alternativ kann in nicht dargestellter Ausgestaltung am vorderen Ende 3 statt der außenliegenden Stufe 42 eine innenliegende Stufe geformt sein, welche quer zur Mittellinie 5 verläuft und an welcher das Trägerbauteil 23 angeschweißt ist. Bei dieser Alternative ist die Kappe 30 auf der Stirnfläche 40 des Körpers 2 angeschweißt. Je nach Ausgestaltung kann die Stirnfläche 40 und/oder die Masseelektrode 20 im hinteren Teil 39 der Vorkammer 31, siehe 4 und 5, oder im vorderen Teil 38, siehe 6, liegen.
Der Durchgang 7 des Körpers 2 verengt sich an einer Stelle 45 bei Betrachtung vom hinteren Ende 13 zum vorderen Ende 3. Die Verengung 45 ist zwischen der Sitzfläche 16 und der Masseelektrode 20 angeordnet. Der Körper 2 ragt an der Verengung 45 balkonartig in die Vorkammer 31 hinein. Dies verbessert die Befestigung der Masseelektrode 20. Wie in 5 dargestellt, kann sich bei Betrachtung von hinten nach vorne der Durchgang 7 an einer Stelle 46 erweitern, welche zwischen der durch die Sitzfläche 16 gebildeten Verengung und der Verengung 45 liegt. Die ringförmige Sitzfläche 16 lässt sich dadurch verbreitern, so dass der Isolator 8 besser am Körper 2 abgestützt werden kann. Durch die Erweiterung 46 kann ferner die Breite R des Ringspalts 18 vergrößert werden. Dies kann vorteilhaft sein, um Restgase besser aus dem Ringspalt 18 ausspülen zu können und um ein entsprechend großes Volumen Vh des hinteren Teils 39 der Vorkammer 31 zu erreichen, welches im hinteren Teil genügend Raum zur Aufnahme von noch verbliebenen Restgasen bietet.
In 1 ist erkennbar, wie die Vorkammerzündkerze 1 mit ihrem Außengewinde 4 in eine Brennkraftmaschine 50 eingeschraubt ist. Die Brennkraftmaschine 50 hat ein einen Motorblock 51 und einen Zylinderkopf 52 enthaltendes Gehäuse mit mehreren Zylindern 53, von denen in 1 einer teilweise dargestellt ist. Der Zylinder 53 weist einen im Motorblock 51 bewegbaren Kolben 54 auf. Der Motorblock 51, der Zylinderkopf 52 und der Kolben 54 begrenzen eine Brennkammer 55, deren Volumen sich bei der Verschiebung des Kolbens 54 ändert. Der Hubraum des Zylinders 53 kann 300 cm³ bis 500 cm³ betragen. In die Brennkammer 55 mündet ein Kanal 56, welcher ein Einlasskanal oder ein Auslasskanal sein kann. Der Kanal 56 ist von einem Ventil 57 verschließbar. Derartige Brennkraftmaschinen 50 und ihre Funktionsweise sind an sich bekannt. Wenn sich der Kolben 54 in seinem oberen Totpunkt befindet, hat die Brennkammer 55 ihr kleinstes Volumen, welches als komprimiertes Volumen Vc bezeichnet wird. Das Gesamtvolumen Vv+Vh der Vorkammer 31 liegt im Bereich von 0,7 % bis 1 % des komprimierten Volumens Vc. Das Volumen Vc beträgt 50 cm³ bis 80 cm³, während das Gesamtvolumen Vv+Vh im Bereich von 0,3 cm³ bis 0,8 cm³ liegt.
Die Kappe 30 schirmt die Mittelelektrode 10 und die Masseelektroden 20 gegen die Brennkammer 55 ab. Die Öffnungen 33, 34, 35 und 36 ermöglichen einen Gasaustausch zwischen der Brennkammer 55 und der Vorkammer 31. Wenn sich der Kolben 54 beim Verdichtungstakt nach oben bewegt, wird frisches Kraftstoff-Luft-Gemisch aus der Brennkammer 55 durch die Öffnungen 33, 34, 35, 36 in die Vorkammer 31 hineingedrückt. In der Vorkammer 31 verbliebene Restgase werden in den hinteren Teil 39 verdrängt, so dass frisches Gemisch zur Luftfunkenstrecke 21 gelangt. Jede der Öffnungen 33, 34, 35 und 36 hat eine Mittellinie 60, welche entlang der Erstreckungsrichtung der Öffnungen 33, 34, 35, 36 verläuft und die Wandung der Kappe 30 schneidet. Die Mittellinien 60 der Öffnungen 33, 34 und 35 schneiden jeweils die Mittellinie 5 des Außengewindes 4. Die Mittellinie 60 der Öffnung 33 hat einen Winkel A1 zur Mittellinie 5 und die Mittellinie 60 der Öffnung 35 hat einen Winkel A2 zur Mittellinie 5. Die Winkel A1 und A2 sind unterschiedlich und können 45° bis 60° betragen. Die Mittellinie 60 der Öffnung 36, siehe 8, verläuft windschief zur Mittellinie 5 und schneidet diese nicht. In der Darstellung der 8 verläuft die Mittellinie 5 des Außengewindes 4 im Schnittpunkt der Mittellinien 60 der Öffnungen 33 und 34 senkrecht zur Zeichenebene. Die Mittellinie 60 der Öffnung 36 hat einen Abstand Y zur Mittellinie 5. Anstelle des in 8 dargestellten Ausführungsbeispiels kann auch vorgesehen sein, dass die Mittellinien sämtlicher Öffnungen in der Kappe 30 die Mittellinie 5 des Außengewindes 4 schneiden, um eine drallfreie Einströmung des frischen Kraftstoff-Luft-Gemischs in die Vorkammer 31 zu ermöglichen.
Die Öffnungen 33, 34, 35 und 36 haben jeweils in Umfangsrichtung des Körpers 2 eine vordefinierte Position und in Bezug auf den Gewindeanschnitt 6 eine vordefinierte Orientierung. Die vordefinierte Orientierung ist bei allen Vorkammerzündkerzen 1 derselben Brennkraftmaschine 50 gleich, um in jedem ihrer Zylinder 53 gleiche Verhältnisse zu schaffen. Die Öffnungen 33, 34, 35 und 36 haben in Bezug auf den Kanal 56 und das Ventil 57 die gleiche Orientierung. Die nach der Entzündung des Kraftstoff-Luft-Gemischs in der Vorkammer 31 durch die Öffnungen 33, 34, 35, 36 in die Brennkammer 55 schießenden Zündfackeln, in 1 durch die Pfeile 58 angedeutet, haben dadurch ebenfalls eine vordefinierte Orientierung in der Brennkammer 55. Eine Zündfackel 58 kann beispielsweise definiert in Richtung eines Ventils 57 weisen oder in einen Bereich zwischen zwei Ventilen 57. Hierdurch kann die Entzündung eines mageren Kraftstoff-Luft-Gemischs in der Brennkammer 55 verbessert werden.
Der Körper 2 hat benachbart zum Außengewinde 4 an dessen hinterem Ende 13 einen Bund mit einem Außendichtsitz 62, welcher das Einschrauben der Vorkammerzündkerze 1 in die Brennkraftmaschine 50 begrenzt. Zur Abdichtung der Brennkammer 55 wird dem Außendichtsitz 62 ein Dichtring 64 zugeordnet.
Bei der Herstellung der Vorkammerzündkerze 1 wird zunächst der Körper 2 mit seinem Durchgang 7, dem Außengewinde 4 und dem Außendichtsitz 62 sowie dem Zwölfkant 14 hergestellt. Anschließend wird der Außendichtsitz 62 an einem in 7 schematisch angedeuteten Anschlag 71 einer Justiervorrichtung 70 angelegt. Der Anschlag 71 kann mechanisch oder optisch sein. Die Justiervorrichtung 70 hat ein optisches Messsystem mit einem Messfenster 72, in welchem ein Abschnitt des Gewindeprofils des Außengewindes 4 quer zur Mittellinie 5 betrachtet werden kann. Das sich ergebende Bild ist in dem Messfenster 72 in 7 schematisch angedeutet. Nun wird der Körper 2 um seine Mittellinie 5 gedreht. Die Drehbewegung ist in 7 durch den Pfeil 73 angedeutet. Durch die Drehbewegung 73 wird das Gewindeprofil des Außengewindes 4 so justiert, dass eine Spitze eines Gewindegangs einen vordefinierten Abstand X von dem Anschlag 71 aufweist. Das sich ergebende Bild des justierten Gewindeprofils des Außengewindes 4 ist zur Verdeutlichung unter dem Messfenster 72 als Messfenster 72' schematisch angedeutet. Der Gewindeanschnitt 6 befindet sich dann in einer definierten Position entlang des Körperumfangs, welche sich in Abhängigkeit von dem gewählten Maß X ergibt. Nach dem Justieren des Außengewindes 4 wird die benötigte Anzahl von Nuten 41 an der jeweils gewünschten Position gefräst. Dann werden die vorgefertigten Masseelektrode 20 bzw. 20' in die jeweilige Nut 41 eingesetzt und mit dem Körper 2 verschweißt. Durch das Justieren des Außengewindes 4 im Messfenster 72 wird sichergestellt, dass die Nuten 41 in Bezug auf den Gewindeanschnitt 6 bei jeder Vorkammerzündkerze 1 die gleiche Orientierung haben. Anschließend wird der Isolator 8 in den Durchgang 7 eingesetzt und in an sich bekannter Weise gasdicht befestigt, wobei der Isolator 8 bereits mit Mittelelektrode 10 und Innenleiter 9 in an sich bekannter Weise vorgefertigt ist. Nun kann der Elektrodenabstand im Bereich der Luftfunkenstrecke 21, 21' durch geringfügiges Biegen der Trägerbauteile 23 auf das gewünschte Maß eingestellt werden. Anschließend wird der Körper 2 mit seinem Außendichtsitz 62 ein weiteres Mal an den Anschlag 71 angelegt und das Gewindeprofil des Außengewindes 4 wird noch einmal in vorbeschriebener Weise durch die Drehbewegung 73 auf das Maß X justiert. Dann wird die Kappe 30 mit den Öffnungen 33, 34, 35 und 36 in der gewünschten Orientierung auf das vordere Ende 3 des Körpers 2 aufgesetzt und mit diesem verschweißt. Die Öffnungen 33, 34, 35, 36 haben somit eine vordefinierte Orientierung in Bezug auf den Gewindeanschnitt 6 und die Masseelektrode 20, welche bei allen Vorkammerzündkerzen 1 gleich ist. Wenn die so hergestellten Vorkammerzündkerzen 1 nun mit dem vorgeschriebenen Anzugsdrehmoment in den Zylinderkopf 53 eingeschraubt werden, ist sichergestellt, dass die Öffnungen 33, 34, 35 und 36 bei allen Vorkammerzündkerzen 1 der Brennkraftmaschine 50 die gleiche Orientierung haben, so dass die Zündfackeln 58 in allen Zylindern 53 ebenfalls die gewünschte, für eine gute Entflammung günstige Orientierung in der Brennkammer 55 haben.
Bezugszeichenliste

1: Vorkammerzündkerze
2: Körper
3: vorderes Ende
4: Außengewinde
5: Mittellinie
6: Gewindeanschnitt
7: Durchgang
8: Isolator
9: Innenleiter
10: Mittelelektrode
11: vorderes Ende
12: Armierungsbauteil
13: hinteres Ende
14: Zwölfkant
16: Sitzfläche
18: Ringspalt
20, 20': Masseelektrode
21, 21': Luftfunkenstrecke
22: Stirnseite
23: Trägerbauteil
24: Armierungsbauteil
30: Kappe
31: Vorkammer
32: vorderes Ende
33: Öffnung
34: Öffnung
35: Öffnung
36: Öffnung
37: Trennebene
38: vorderer Teil
39: hinterer Teil
40: Stirnfläche
41: Nut
42: Stufe
45: Verengung
46: Erweiterung
50: Brennkraftmaschine
51: Motorblock
52: Zylinderkopf
53: Zylinder
54: Kolben
55: Brennkammer
56: Kanal
57: Ventil
58: Zündfackel
60: Mittellinie
62: Außendichtsitz
64: Dichtring
70: Justiervorrichtung
71: Anschlag
72, 72': Messfenster
73: Drehbewegung
A1, A2: Winkel
R: Abstand
Vc: komprimiertes Volumen
Vh: hinteres Volumen
Vv: vorderes Volumen
X: Abstand
Y: Abstand

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006062737 B4 [0003]

Claims

Vorkammerzündkerze (1) für eine Brennkraftmaschine (50) mit folgenden Merkmalen: • einem Körper (2) mit einem an seinem vorderen Ende (3) angeordneten Außengewinde (4) zum Einschrauben der Vorkammerzündkerze (1) in die Brennkraftmaschine (50); • das Außengewinde (4) hat eine Mittellinie (5) und beginnt am vorderen Ende (3) mit einem Gewindeanschnitt (6); • der Körper (2) hat einen Durchgang (7), in welchem ein Isolator (8) befestigt ist, aus welchem am vorderen Ende (11) eine Mittelelektrode (10) herausragt; • am vorderen Ende (3) des Körpers (2) ist eine vorkammerbildende Kappe (30) angeordnet, welche eine Vorkammer (31) begrenzt und die Mittelelektrode (10) nach dem Einbau der Vorkammerzündkerze (1) in die Brennkraftmaschine (50) gegen eine Brennkammer (55) der Brennkraftmaschine (50) abschirmt; • die Kappe (30) weist wenigstens eine schräg zur Mittellinie (5) des Außengewindes (4) orientierte Öffnung (33; 34; 35; 36) auf, welche einen Gasaustausch zwischen der Vorkammer (31) und dem Raum außerhalb der Vorkammer (31) ermöglicht; dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (33; 34; 35; 36) eine vordefinierte Orientierung in Bezug auf den Gewindeanschnitt (6) hat.
Vorkammerzündkerze nach Anspruch 1, in welcher zumindest eine Masseelektrode (20; 20') elektrisch leitend mit dem Körper (2) verbunden ist und mit der Mittelelektrode (10) eine Luftfunkenstrecke (21) bildet, wobei die Öffnung (33), die Masseelektrode (20) und der Gewindeanschnitt (6) eine vordefinierte Orientierung zueinander haben.
Vorkammerzündkerze nach Anspruch 2, in welcher der Körper (2) eine quer zur Mittellinie (5) verlaufende Stirnfläche (40) oder eine am Körper (2) geformte Stufe (42) aufweist, in welcher eine Nut (41) angeordnet ist, in welche die Masseelektrode (20; 20') eingesetzt ist.
Vorkammerzündkerze nach einem der vorstehenden Ansprüche, in welcher die Kappe (30) wenigstens zwei Öffnungen (33; 34; 35; 36) aufweist, deren Orientierung sich bezüglich eines Winkels (A1, A2) und/oder eines Abstands (Y) ihrer Mittellinien (60) zu der Mittellinie (5) des Außengewindes (4) unterscheidet.
Vorkammerzündkerze nach einem der vorstehenden Ansprüche mit folgenden weiteren Merkmalen: • in dem Durchgang (7) des Körpers (2) ist eine ringförmige Sitzfläche (16) für den Isolator (8) angeordnet; • der Durchgang (7) verengt sich an der Sitzfläche (16) bei Betrachtung vom hinteren Ende (13) zum vorderen Ende (3).
Vorkammerzündkerze nach Anspruch 5, in welcher das vordere Ende (11) des Isolators (8) über die Sitzfläche (16) nach vorne in die Vorkammer (31) hineinragt und einen in Umfangsrichtung umlaufenden Abstand (R) von mindestens 1,2 mm zum Körper (2) aufweist.
Vorkammerzündkerze nach Anspruch 5 oder 6, in welcher sich der Durchgang (7) - bei Betrachtung von hinten nach vorne - an einer Stelle (45) verengt, welche zwischen der ringförmigen Sitzfläche (16) für den Isolator (8) und der Masseelektrode (20) angeordnet ist.
Vorkammerzündkerze nach einem der Ansprüche 5 bis 7, in welcher sich der Durchgang (7) - bei Betrachtung von hinten nach vorne - an einer Stelle (46) erweitert, welche zwischen der ringförmigen Sitzfläche (16) für den Isolator (8) und dem vorderen Ende (11) des Isolators (8) angeordnet ist.
Vorkammerzündkerze nach einem der vorstehenden Ansprüche mit folgenden weiteren Merkmalen: • die Vorkammer (31) lässt sich durch eine gedachte Trennebene (37), welche an der aus dem Isolator (8) herausragenden Stirnseite (22) der Mittelelektrode (10) senkrecht zur Mittellinie (5) des Außengewindes (4) verläuft, in einen vorderen Teil (38) und einen hinteren Teil (39) unterteilen; • der vordere Teil (38) der Vorkammer (31) liegt auf der dem vorderen Ende (32) der Vorkammerzündkerze (1) zugewandten Seite der Trennebene (37); • der hintere Teil (39) der Vorkammer (31) liegt auf der dem hinteren Ende (13) der Vorkammerzündkerze (1) zugewandten Seite der Trennebene (37), ist innerhalb der Vorkammerzündkerze (1) angeordnet und ist - abgesehen von seiner an der Trennebene (37) befindlichen Verbindung mit dem vorderen Teil (38) der Vorkammer (31) - gasdicht geschlossen; • das Volumen (Vh) des hinteren Teils (39) der Vorkammer (31) ist größer als das Volumen (Vv) des vorderen Teils (38) der Vorkammer (31).
Satz von Vorkammerzündkerzen (1) für eine Brennkraftmaschine (50), welcher mehrere Vorkammerzündkerzen (1) mit jeweils einem Körper (2), einem Außengewinde (4) und einer vorkammerbildenden Kappe (30) umfasst, wobei jeweils das Außengewinde (4) eine Mittellinie (5) hat und an einem Gewindeanschnitt (6) beginnt und wobei die Kappe (30) jeweils wenigstens eine schräg zur Mittellinie (5) des Außengewindes (4) orientierte Öffnung (33; 34; 35; 36) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (33; 34; 35; 36) bei allen Vorkammerzündkerzen (1) des Satzes in Bezug auf den Gewindeanschnitt (6) die gleiche Orientierung hat.
Brennkraftmaschine (50) mit mehreren Brennkammern (55), in welche jeweils ein Kanal (56) mündet und eine Vorkammerzündkerze (1) mit einer vorkammerbildenden Kappe (30) hineinragt, welche wenigstens eine die Vorkammer (31) mit der Brennkammer (55) verbindende Öffnung (33; 34; 35; 36) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (33; 34; 35; 36) bei allen Vorkammerzündkerzen (1) der Brennkraftmaschine (50) in Bezug auf den Kanal (56) die gleiche Orientierung hat.
Verfahren zum Herstellen einer Vorkammerzündkerze (1) mit einem Körper (2), einem am vorderen Ende (3) des Körpers (2) angeordneten Außengewinde (4), einem dem Außengewinde (4) benachbarten Außendichtsitz (62) und einer vorkammerbildenden Kappe (30), wobei das Außengewinde (4) eine Mittellinie (5) hat und an einem Gewindeanschnitt (6) beginnt und wobei die Kappe (30) wenigstens eine schräg zur Mittellinie (5) des Außengewindes (4) orientierte Öffnung (33; 34; 35; 36) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendichtsitz (62) des Körpers (2) als Basis bestimmt und das Gewindeprofil des Außengewindes (4) durch eine Drehbewegung (73) des Körpers (2) um die Mittellinie (5) justiert wird, und dass anschließend die Kappe (30) mit ihrer Öffnung (33) in einer vordefinierten Position auf das vordere Ende (3) des Körpers (2) aufgesetzt und mit diesem verschweißt wird, um eine vordefinierte Orientierung der Öffnung (33; 34; 35; 36) in der Kappe (30) in Bezug auf den Gewindeanschnitt (6) zu erzielen.
Verfahren nach Anspruch 12, bei welchem vor dem Justieren und Anschweißen der Kappe (30) folgende Schritte durchgeführt werden: • Herstellen des Außendichtsitzes (62) und des Außengewindes (4) am Körper (2); • Bestimmen des Außendichtsitzes (62) als Basis und Justieren des Gewindeprofils des Außengewindes (4) durch eine Drehbewegung (73) des Körpers (2) um die Mittellinie (5) des Außengewindes (4); • Fräsen wenigstens einer Nut (41) in eine quer zur Mittellinie (5) verlaufende Stirnfläche (40) des Körpers (2) oder einer am Körper (2) geformten Stufe; und • Einsetzen einer Masseelektrode (20; 20') in die Nut (41) und Verschweißen der Masseelektrode (20) mit dem Körper (2).
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei welchem vor dem Justieren und Anschweißen der Kappe (30) ein Isolator (8) mit einer am vorderen Ende (11) aus dem Isolator (8) herausragenden Mittelelektrode (10) in einen Durchgang (7) des Körpers (2) eingesetzt und dort befestigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, bei welchem der Außendichtsitz (62) an einen Anschlag (71) angelegt wird, um die Basis zum Justieren des Gewindeprofils des Außengewindes (4) zu bestimmen.