DE102018105941A1

DE102018105941A1 - Zündkerzen-Zündspitze, Zündkerzenanordnung und Verfahren zum Herstellen einer Zündkerzen-Zündspitze

Info

Publication number: DE102018105941A1
Application number: DE102018105941.8A
Authority: DE
Inventors: Werner Niessner
Original assignee: Federal Mogul Ignition GmbH
Current assignee: Federal Mogul Ignition GmbH
Priority date: 2018-03-14
Filing date: 2018-03-14
Publication date: 2019-09-19
Anticipated expiration: 2038-03-15
Also published as: DE102018105941B4; US20190288488A1; US10566768B2

Abstract

Zündkerzen-Zündspitze (30) für eine Elektrode (24) einer Zündkerzenanordnung (10), insbesondere einer Vorkammerzündkerze, mit einem Basiskörper (56), der ein erstes axiales Ende (44) und ein zweites axiales Ende (46) und einen dazwischen liegenden Mantelabschnitt (48) aufweist, wobei der Basiskörper (56) ein Edelmetall oder eine Edelmetalllegierung aufweist, wobei das erste axiale Ende (44) und/oder der Mantelabschnitt (48) dazu ausgebildet ist, den Basiskörper (56) an einer Elektrode (24) zu befestigen, wobei das zweite axiale Ende (46) einen kalottenförmigen Abschnitt (50) aufweist, und wobei der Basiskörper (56) pulvermetallurgisch hergestellt ist.

Description

GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zündkerzen-Zündspitze für eine Elektrode einer Zündkerzenanordnung, insbesondere einer Vorkammerzündkerze, mit einem Basiskörper, der ein erstes axiales Ende und ein zweites axiales Ende sowie einen dazwischenliegenden Mantelabschnitt aufweist, wobei der Basiskörper ein Edelmetall oder eine Edelmetalllegierung aufweist und wobei das erste axiale Ende und/oder der Mantelabschnitt dazu ausgebildet ist bzw. sind, den Basiskörper an einer Elektrode zu befestigen.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Zündkerzenanordnung, insbesondere in Form einer Vorkammerzündkerze, mit einer Elektrode, an der eine Zündkerzen-Zündspitze der oben beschriebenen Art angebracht ist.
Schließlich betrifft die obige Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Zündkerzen-Zündspitze.
HINTERGRUND
Eine Zündkerzenanordnung der oben beschriebenen Art ist beispielsweise bekannt aus dem Dokument DE 10 2014 015 707 A1 .
Aus diesem Dokument ist eine Vorkammerzündkerze bekannt, die ein Zündkerzengehäuse und eine Vorkammerkappe beinhaltet. Die Vorkammerkappe beinhaltet ferner eine zentrische Übertrittsöffnung. Die Vorkammerzündkerze weist eine zentrische Mittelelektrode sowie eine Masseelektrodenanordnung auf, die die Mittelelektrode zumindest abschnittsweise umgibt, um eine Funkenstrecke zu bilden. Die Mittelelektrode ragt gegenüber der Masseelektrodenanordnung hinaus.
Vorkammerzündkerzen weisen generell am vorderen Ende eine Vorkammer auf, innerhalb der eine Funkenstrecke angeordnet ist. Über Öffnungen ist die Vorkammer mit der eigentlichen Brennkammer verbunden. Derartige Vorkammerzündkerzen können beispielsweise zur Zündung von mageren Brenngemischen verwendet werden, beispielsweise in gasbetriebenen Brennkraftmaschinen. Die Vorkammer ist dabei eine Art Vorbrennkammer. In die Vorkammer einströmendes Gemisch wird mittels eines Zündfunkens entzündet. Die in der Vorkammer hierdurch entstehende Flamme wird über die Öffnungen in Richtung der Brennkammer übertragen und entzündet dort das magere Gemisch.
Aus dem Dokument DE 10 2010 004 851 B4 ist eine weitere Vorkammerzündkerze bekannt, bei der Zylinderflächen einer Mittelelektrode und einer Masseelektrode hochgenau gearbeitet sind.
Das Dokument DE 10 2014 015 707 A1 offenbart ferner, das freie Ende der Mittelelektrodenspitze konkav auszubilden. Ein über eine Mittelöffnung in die Vorkammerkappe einströmendes Brennstoffgemisch tritt auf die Stirnseite der Mittelelektrodenspitze auf und es ergeben sich hieraus Wirbel. Durch die Wirbelbildung wird eine Strömung im vorderen Teil der Vorkammer erzeugt, die eine ausgeprägte vertikale Richtungskomponente beinhaltet, die hin zur Stirnseite der Vorkammerkappe bzw. in Richtung hin zur Mittelöffnung gerichtet ist. Ferner sind seitliche Übertrittsöffnungen in der Vorkammerkappe ausgebildet, über die ebenfalls Gemisch einströmt, wodurch ein starkes Druckgefälle zwischen einem zündkerzengehäuseseitigen Ende der Funkenstrecke und einem vorkammerseitigen Ende der Funkenstrecke entsteht. Hierdurch soll eine verbesserte „aktive“ Spülung des Elektrodenspalts in Richtung vom Atmungsraum zur Stirnseite der Vorkammer 7 erfolgen.
ÜBERBLICK
Es ist vor diesem Hintergrund eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Zündkerzen-Zündspitze, eine verbesserte Zündkerzenanordnung sowie ein verbessertes Verfahren zum Herstellen einer Zündkerzen-Zündspitze anzugeben.
Die obige Aufgabe wird zum einen gelöst durch eine Zündkerzen-Zündspitze für eine Elektrode einer Zündkerzenanordnung, insbesondere einer Vorkammerzündkerze, mit einem Basiskörper, der ein erstes axiales Ende und ein zweites axiales Ende und einen dazwischen liegenden Mantelabschnitt aufweist, wobei der Basiskörper ein Edelmetall oder eine Edelmetalllegierung aufweist, wobei das erste axiale Ende und/oder der Mantelabschnitt dazu ausgebildet ist, den Basiskörper an einer Elektrode zu befestigen, wobei das zweite axiale Ende einen kalottenförmigen Abschnitt aufweist, und wobei der Basiskörper pulvermetallurgisch hergestellt ist.
Ferner wird die obige Aufgabe gelöst durch eine Zündkerzenanordnung, insbesondere Vorkammerzündkerze, mit einer Elektrode, an der eine Zündkerzen-Zündspitze der erfindungsgemäßen Art angebracht ist.
Schließlich wird die obige Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen einer Zündkerzen-Zündspitze, insbesondere einer Zündkerzen-Zündspitze der erfindungsgemäßen Art, mit den Schritten: Bereitstellen eines Pulvers oder einer Pulvermischung aus einem Edelmetall oder einer Edelmetalllegierung; pulvermetallurgisches Formen des Pulvers oder der Pulvermischung in eine Gestalt eines Basiskörpers, der ein erstes axiales Ende und ein zweites axiales Ende und einen dazwischen liegenden Mantelabschnitt aufweist, wobei das erste axiale Ende und/oder der Mantelabschnitt dazu geformt wird, um den Basiskörper an einer Elektrode befestigen zu können, und wobei das zweite axiale Ende so geformt wird, dass ein kalottenförmiger Abschnitt entsteht; und Sintern des Basiskörpers.
Der kalottenförmige Abschnitt des Basiskörpers ermöglicht es, dass die Zündkerzen-Zündspitze dazu verwendet werden kann, ein sicheres Einführen des Gemisches in einen Funkenspalt der Zündkerzenanordnung zu erzwingen, insbesondere in einer Vorkammerzündkerze.
Dadurch, dass der Basiskörper pulvermetallurgisch hergestellt ist, kann eine Kalottenform auf vergleichsweise kostengünstige Art und Weise realisiert werden.
Bei der erfindungsgemäßen Zündkerzenanordnung ist es vorteilhaft, dass die damit ausgestattete Zündkerzen-Zündspitze zum Einführen eines Gemisches in eine Funkenstrecke verwendbar ist, insbesondere in eine ringförmige Funkenstrecke.
Durch ein pulvermetallurgisches Formen der Zündspitze kann diese kostengünstig in die vorgeschriebene Form gebracht werden. Anschließend kann der Basiskörper gesintert werden, um die Zündkerzen-Zündspitze herzustellen.
Insgesamt kann mittels der Zündkerzen-Zündspitze folglich ein sicheres Zünden eines Gasgemisches in der Funkenstrecke einer Zündkerze erreicht werden. Ferner ergibt sich eine hohe Lebensdauer, insbesondere unter Berücksichtigung der thermischen Eignung und der technischen Möglichkeiten.
Zum pulvermetallurgischen Formen eines Pulvers oder einer Pulvermischung in die Gestalt eines Basiskörpers können an sich bekannte Verfahren verwendet werden, wie ein Trockenpressen (einseitig isostatisch oder zweiseitig), ein isostatisches Warmpressen (HIP, hot isostatic pressing), ein Nasspressen, ein Extrudieren, ein Spritzgießen (MIM).
Die Aufgabe wird vollkommen gelöst.
In einer bevorzugten Variante der erfindungsgemäßen Zündkerzen-Zündspitze ist der kalottenförmige Abschnitt konvex ausgebildet.
Durch die konvexe Ausgestaltung des zweiten axialen Endes der Zündkerzen-Zündspitze, das im eingebauten Zustand vorzugsweise einer zentralen Öffnung einer Vorkammerkappe gegenüberliegt, kann eine günstige Verwirbelung bzw. ein günstiges Strömungsverhalten innerhalb der Vorkammer erreicht werden. Ein über die zentrale Öffnung eintretendes Brennstoffgemisch wird durch die Kalottenform radial nach außen abgelenkt und direkt in einen Ringspalt einer Vorkammerzündkerze geleitet, wenn die Zündkerzen-Zündspitze darin eingebaut ist. Mit anderen Worten wird der Ringspalt ausgehend von dem vorderen Ende einer solchen Vorkammer, also dort, wo die zentrale Öffnung ausgebildet ist, in Richtung hin zu einem hinteren Kammerabschnitt durchströmt. Hierdurch kann erreicht werden, dass der Ringraum zum Zeitpunkt einer Zündung immer mit hinreichend Brennstoffgemisch gefüllt ist.
In einer alternativen Ausgestaltung ist der kalottenförmige Abschnitt konkav ausgebildet. Hierdurch wird bei einem Einbau in einer Vorkammerzündkerze wiederum ein über eine zentrale Öffnung einströmendes Brennstoffgemisch radial nach außen abgelenkt und dann hinsichtlich der Strömungsrichtung umgekehrt, so dass an einem vorderen Bereich eines Ringspaltes eine Art Sogwirkung auftritt, aufgrund derer ein in dem hinteren Kammerabschnitt enthaltenes Brennstoffgemisch in den Ringspalt gezogen wird.
Auch auf diese Art und Weise kann gewährleistet werden, dass in dem Ringspalt zum Zeitpunkt einer Zündung immer eine hinreichende Menge an Brennstoffgemisch vorhanden ist.
Die Kalottenform kann generell eine beliebige Erhöhung oder Vertiefung gegenüber einer Ebene sein, die quer zu einer Längsachse des Basiskörpers ausgerichtet ist. Der kalottenförmige Abschnitt kann folglich die Form eines Polyeders annehmen, beispielsweise einer Pyramide. Auch ist es denkbar, dass der kalottenförmige Abschnitt elipsenabschnittförmig ist oder dergleichen.
Von besonderem Vorzug ist es jedoch, wenn die Kalottenform des zweiten axialen Endes eine Kugelsegmentform ist.
Ein Kugelsegment lässt sich beschreiben durch die Formel ${(r - h)}^{2} + a^{2} = r^{2}$
wobei r der Radius der so definierten Kugel ist, wobei h die Höhe des Kugelsegmentes ist und wobei a der Radius des Basiskreises des Kugelsegmentes ist.
Als Radius a des Basiskreises des Kugelsegmentes wird vorzugsweise ein Wert angenommen, der kleiner ist als ein Radius eines in der Regel zylindrischen Mantelabschnittes der Zündkerzen-Zündspitze. Vorzugsweise liegt das Verhältnis von a zu dem Radius R des Mantelabschnittes in einem Bereich von 0,65:1-0,95:1.
In einer solchen bevorzugten Variante ist folglich zwischen einem Außenumfang der Mantelfläche und einem Außenumfang der Kugelsegmentform ein Ringabschnitt ausgebildet, der quer, insbesondere senkrecht zu einer Längsachse des Basiskörpers ausgerichtet ist.
Der Radius r der Kugelsegmentform kann identisch sein zu dem Radius R des Mantelabschnittes, kann jedoch auch kleiner sein als der Radius R. Generell gilt ferner, dass der Radius a des Basiskreises des Kugelsegmentes vorzugsweise kleiner ist als der Radius r der so definierten Kugel und/oder kleiner ist als ein Radius R des Mantelabschnittes.
Ferner ist es insgesamt vorteilhaft, wenn der Mantelabschnitt zylindrisch ist und/oder wenn das erste axiale Ende als Planfläche ausgebildet ist, die quer zu einer Längsachse des Basiskörpers ausgerichtet ist.
Durch die Zylinderform kann ein gleichförmiger Ringspalt auf günstige Art und Weise für eine Vorkammerzündkerze eingerichtet werden.
Durch die plane Ausbildung des ersten axialen Endes kann die Zündkerzen-Zündspitze konstruktiv günstig an einer Mittelelektrode angebracht werden, und zwar durch geeignete Fügeverfahren, wie beispielsweise Laserschweißen, Reibschweißen etc.
Die pulvermetallurgische Herstellung des Basiskörpers ermöglicht auf vorteilhafte Art und Weise, dass sich eine komplexe Form der Zündkerzen-Zündspitze, mit einer Planfläche an einem axialen Ende und einer Kalottenform am anderen axialen Ende günstig realisieren lässt. Dies gilt sogar für vergleichsweise schwierig zu bearbeitende Materialien, wie beispielsweise Iridiumlegierungen, insbesondere eine solche Iridiumlegierung, wie sie nachstehend beschrieben ist.
Generell kann der Basiskörper mehrteilig ausgebildet sein, beispielsweise mit einem Kern und einem Mantel, die aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sind, wobei der Mantel vorzugsweise ein edleres Metall aufweist als der Kern.
Bevorzugt ist es jedoch, wenn der Basiskörper einstückig ausgebildet ist.
Auf diese Weise kann der Basiskörper vergleichsweise einfach durch ein pulvermetallurgisches Verfahren, insbesondere durch pulvermetallurgisches Formen mit anschließendem Sintern hergestellt werden.
Ferner ist es insgesamt vorteilhaft, wenn das Edelmetall Iridium ist oder wobei die Edelmetalllegierung Iridium beinhaltet.
Dabei ist es von besonderem Vorteil, wenn der Basiskörper mehr als 50 Gew.-% Iridium aufweist.
Iridium ist folglich vorzugsweise der Hauptbestandteil des Basiskörpers.
Vorteilhaft ist es, wenn der Basiskörper eine Edelmetalllegierung aufweist, die als Hauptbestandteil Iridium beinhaltet, sowie Rhodium in einem Anteil von mehr als 0 Gew.-% und weniger als 20 Gew.-% , vorzugsweise von mehr als 0 Gew.-% und weniger als 10 Gew.-%, sowie optional Zirconiumoxid.
Wie oben beschrieben ist es ferner vorteilhaft, wenn der Basiskörper insgesamt pulvermetallurgisch geformt und anschließend gesintert ist.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn das Basiskörper eine Sinterdichte von mehr als 96% aufweist, und vorzugsweise weniger als 99,5%, und/oder wenn der Basiskörper eine Porosität von mehr als 4% aufweist und vorzugsweise von weniger als 20%, insbesondere weniger als 10%, und/oder wenn der Basiskörper eine Sinterkorngröße aufweist, die kleiner gleich 50 µm ist und größer gleich 5 µm ist.
Bei der erfindungsgemäßen Zündkerzenanordnung ist es vorteilhaft, wenn die Elektrode eine Mittelelektrode ist, wobei die Zündkerzen-Zündspitze an einem Ende der Mittelelektrode angebracht ist, und wobei eine Ringelektrode zumindest einen axialen Abschnitt der Zündkerzen-Zündspitze zumindest abschnittsweise umgibt, so dass zwischen der Zündkerzen-Zündspitze und der Ringelektrode ein Ringspalt eingerichtet ist, über den ein Funkenaustausch stattfinden kann.
Ferner ist es bei der erfindungsgemäßen Zündkerzenanordnung vorteilhaft, wenn der kalottenförmige Abschnitt wenigstens teilweise in axialer Richtung gegenüber der Ringelektrode vorsteht.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Zündkerze für ein Kraftfahrzeug mit einem schematisch angedeuteten Zündabschnitt;
2 eine Ausführungsform eines Zündabschnittes für die Zündkerze der 1;
3 eine Detailansicht III der 2;
4 eine alternative Ausführungsform eines Zündabschnittes für die Zündkerze der 1;
5 eine Detailansicht V der 4;
6 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Zündkerzen-Zündspitze mit einem konkaven kalottenförmigen Abschnitt;
7 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Zündkerzen-Zündspitze mit einem konvexen kalottenförmigen Abschnitt; und
8 ein Flussdiagramm von Schritten zur Durchführung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Zündkerzen-Zündspitze.

BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORMEN
In 1 ist in schematischer Form eine Zündkerzenanordnung gezeigt und generell mit 10 bezeichnet.
Die Zündkerzenanordnung 10 weist einen Zündkerzenkörper 12 auf, an dessen vorderem Ende ein Zündabschnitt 14 ausgebildet ist.
Der Zündkerzenkörper 12 beinhaltet einen Isolator 16, um den herum eine Metallhülle 18 angeordnet ist. Die Metallhülle 18 weist in der Regel ein Gewinde auf, mittels dessen die Zündkerzenanordnung 10 in einen Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors einschraubbar ist.
Zentral innerhalb des Isolators 16 ist ein elektrisches Anschlusselement 20 vorgesehen, das sich in axialer Richtung durch den Zündkerzenkörper 12 hindurch erstreckt, so dass an einem dem Zündabschnitt 14 axial gegenüberliegenden Ende des Zündkerzenkörpers 12 ein Zündkerzenstecker aufgesteckt werden kann, über den elektrische Energie zum Erzeugen von Zündpulsen aufgesteckt werden kann.
Im Inneren des Isolators 16 ist das Anschlusselement 20 mit einem Verbindungselement 22 elektrisch verbunden, das wiederum mit einer Mittelelektrode 24 elektrisch verbunden ist, die sich in axialer Richtung und entlang einer generellen Längsachse 25 aus dem Isolator 16 heraus erstreckt, und zwar in den in 1 schematisch angedeuteten Zündabschnitt 14 hinein.
1 zeigt ferner, dass die Metallhülle 18 elektrisch mit einer Masseelektrode 26 verbunden ist, die sich ebenfalls in den Zündabschnitt 14 hinein erstreckt.
In 2 und 3 ist eine Ausführungsform eines derartigen Zündabschnittes 14 dargestellt.
Es ist zunächst zu erkennen, dass die Mittelelektrode 24 sich in axialer Richtung aus einer Bohrung des Isolators 16 heraus erstreckt. An einem vorderen Ende der Mittelelektrode 24 ist eine Zündspitze 30 angebracht, die vorzugsweise zumindest abschnittsweise aus einem Edelmetall hergestellt ist. Die Masseelektrode 26 ist so ausgebildet, dass sie sich zumindest abschnittsweise um einen Mantelabschnitt der Zündspitze 30 herum erstreckt, derart, dass zwischen der Masseelektrode 26 und dem Mantelabschnitt der Zündspitze 30 ein Ringspalt 31 eingerichtet ist. Der Ringspalt 31 bildet eine Funkenstrecke, innerhalb der ein Brennstoffgemisch gezündet werden kann.
Die Mittelelektrode 24 mit der daran angebrachten Zündspitze 30 sowie die Masseelektrode 26 sind im Inneren einer Vorkammer 32 angeordnet, die räumlich abgegrenzt ist, und zwar zur einen axialen Seite hin durch den Isolator 16 und die Metallhülle 18, und durch eine Vorkammerkappe 34 zur anderen axialen Seite hin, wobei die Vorkammerkappe 34 mit der Metallhülle 18 verbunden ist.
Die Vorkammerkappe 34 weist eine Zentralöffnung 36 auf, durch die ein Brennstoffgemisch in die Vorkammer 32 eintreten kann. Ferner weist die Vorkammerkappe 34 eine Mehrzahl von Lateralöffnungen 38 auf, über die ebenfalls ein Brennstoffgemisch 42 in die Vorkammer 32 eintreten kann. Ferner kann über die Lateralöffnungen 38 und die Zentralöffnung 36 ein entzündetes Brennstoffgemisch bzw. eine Flamme austreten.
Zwischen der Zentralöffnung 36 und der koaxial hierzu angeordneten Zündspitze 30 ist ein gewisser Abstand D eingerichtet. In einem axialen Bereich zwischen der Zündspitze 30 und dem Isolator 16 bzw. der Metallhülle 18 ist ein rückwärtiger Kammerabschnitt eingerichtet, der insbesondere einen Ringraum 40 aufweist.
Wie es insbesondere in 3 gezeigt ist, weist die Zündspitze 30 ein erstes axiales Ende 44 auf, das durch eine Planfläche gebildet ist, die senkrecht zu der Längsachse 25 ausgerichtet ist. Über dieses zweite axiale Ende 44 ist die Zündspitze 30 mit der Mittelelektrode 24 verbunden, beispielsweise durch ein Fügeverfahren wie Laserschweißen, Reibschweißen etc.
Die Zündspitze 30 weist ein zweites axiales Ende 46 auf, das hin zu der Vorkammerkappe 34 weist. Zwischen dem ersten axialen Ende 44 und dem zweiten axialen Ende 46 ist eine zylindrische Mantelfläche 48 angeordnet, die den Ringraum 31 radial innen begrenzt.
Das zweite axiale Ende 46 weist einen kalottenförmigen Abschnitt 50 auf, der vorliegend konkav ausgebildet ist. Der konkave kalottenförmige Abschnitt 50 ist von einem Außenumfang der Zündspitze 30 beabstandet, derart, dass radial außerhalb des kalottenförmigen Abschnittes 50 eine Ringfläche 52 ausgebildet ist, die senkrecht zu der Längsachse 25 ausgerichtet ist.
Die Zündspitze 30 erstreckt sich in axialer Richtung aus der Masseelektrode 26 heraus. Genauer gesagt steht die Zündspitze 30 gegenüber einer axialen Seite der Masseelektrode 26 um eine Vorsprungslänge l₁ vor.
Der kalottenförmige Abschnitt 50 weist eine derartige axiale Tiefe gegenüber der Ringfläche 52 auf, so dass die axiale Fläche der Masseelektrode 26 von einer tiefsten Stelle des konkaven kalottenförmigen Abschnittes um einen Abstand l₂ beabstandet ist, der vorzugsweise größer ist als Null.
Wie es in 2 durch Doppelpfeile angedeutet ist, tritt in einem Kompressionsschritt über die Zentralöffnung 36 und die Lateralöffnungen 38 ein Brennstoffgemisch, insbesondere ein mageres Brennstoffgemisch 42 in die Vorkammer 32 ein.
Wie es insbesondere in 3 angedeutet ist, wird das über die Zentralöffnung 36 eintretende Brennstoffgemisch durch den konkaven kalottenförmigen Abschnitt 50 radial nach außen abgelenkt und in eine Richtung entgegen der Einströmrichtung umgelenkt. Dies ist in 3 bei m ₁ dargestellt.
Ferner gelangt das magere Brennstoffgemisch, das derart abgelenkt ist, sowie Brennstoffgemisch, das über die Lateralöffnungen 38 einströmt, in axialer Richtung in Richtung hin zu dem rückwärtigen Abschnitt der Vorkammer 32, also in Richtung hin zu dem Ringraum 40, wie es in 3 bei m ₂ gezeigt ist.
Da der rückwärtige Abschnitt der Vorkammer 32 in axialer Richtung begrenzt ist, wird das magere Brennstoffgemisch dann wieder in einer axialen Richtung umgelenkt, und zwar derart, dass es aus der Richtung von dem Ringraum 40 hin zu der Zentralöffnung 36 durch den Ringspalt 31 hindurchgedrückt wird, wie es in 3 bei m ₃ gezeigt ist. Dadurch, dass das über die Zentralöffnung 36 einströmende Brennstoffgemisch durch den konkaven Abschnitt 50 in der Strömungsrichtung umgekehrt wird, wie es bei m₁ gezeigt wird, entsteht an diesem axialen Ende des Ringspaltes 31 zudem eine Art Unterdruck, wodurch ein Durchströmen des Ringspaltes 31 in der Richtung hin zu der Zentralöffnung 36 nochmals unterstützt wird.
Durch das sichere Durchströmen des Ringspaltes 31 mit dem mageren Brennstoffgemisch kann gewährleistet werden, dass das magere Brennstoffgemisch bei einer Zündung durch überschlagende Funken im Bereich des Ringspaltes 31 sicher entzündet wird.
Durch die erzwungene „Spülung“ des Ringraumes 31 wird zudem gewährleistet, dass dort auftretende Wärme vergleichsweise schnell abführbar ist, so dass der Zündabschnitt 14 insgesamt thermisch stabil und widerstandsfähig gegenüber einer Lichtbogenerosion ausgebildet werden kann. Dies kann zu einer verlängerten Lebensdauer der Zündkerzenanordnung 10 führen.
In den 4 und 5 ist eine weitere Ausführungsform eines Zündabschnittes 14' dargestellt. Der Zündabschitt 14' entspricht hinsichtlich Aufbau und Funktionsweise generell dem Zündabschnitt 14 der 2 und 3. Gleiche Elemente sind daher durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet. Im Folgenden werden im Wesentlichen die Unterschiede erläutert.
Bei dem Zündabschnitt 14' ist die Mittelelektrode 24 mit einer Zündspitze 30' verbunden, die an dem zweiten axialen Ende 46' einen kalottenförmigen Abschnitt 50 aufweist, der konvex ausgebildet ist. Der konvexe kalottenförmige Abschnitt ist dabei gegenüber einem Außenumfang der Zündspitze 30' beabstandet, derart, dass eine Ringfläche 52' gebildet ist, die senkrecht zu der Längsachse ausgerichtet ist.
Ein über die Zentralöffnung 36 eintretendes Brennstoffgemisch 42 trifft zentral auf den konvexen kalottenförmigen Abschnitt 50 und wird von diesem radial nach außen abgelenkt, jedoch in der Richtung nicht umgekehrt wird wie bei dem konkaven kalottenförmigen Abschnitt 50. Das radiale Ablenken nach außen ist in 5 bei m ₁ gezeigt.
Durch das Fehlen einer Drehrichtungsumkehr wird das einströmende Brennstoffgemisch 42 dann in den Ringspalt 31 geleitet und durchströmt diesen in einer Richtung ausgehend von der Zentralöffnung 36 in Richtung hin zu dem rückwärtigen Abschnitt der Vorkammer 32. Dies ist in 5 bei m ₂ gezeigt.
Das in den rückwärtigen Abschnitt der Vorkammer 32 gelangende Gasgemisch wird dort umgelenkt und gelangt zurück in Richtung hin zu der Vorkammerkappe 34, wie es in 5 bei m ₃ gezeigt ist.
Auch bei der Ausführungsform einer Zündspitze 30' mit einem konvexen kalottenförmigen Abschnitt wird folglich erreicht, dass der Ringspalt 31 in allen Betriebsphasen gut durchspült wird, so dass im Wesentlichen die gleichen Vorteile erzielt werden wie bei dem konkaven kalottenförmigen Abschnitt 50 der 2 und 3.
In 6 ist die Zündspitze 50 der 2 und 3 dargestellt. Es ist zu erkennen, dass der Mantelabschnitt 48 auf einem Radius R in Bezug auf die Längsachse 25 liegt.
Der kalottenförmige Abschnitt 50 ist durch ein Kugelsegment gebildet, dessen Basiskreis mit dem zweiten axialen Ende 46 und der Ringfläche 52 bündig ausgerichtet ist. Der Radius dieses Basiskreises ist in 6 mit a bezeichnet. Der Radius der Kugel, die dieses Kugelsegment definiert, ist in 6 mit r bezeichnet. a ist kleiner als R. Die radiale Erstreckung r_M der Ringfläche 52 ergibt sich durch $r_{M} = R - a .$
Die Tiefe des kalottenförmigen Abschnittes 50 ist in 6 mit h bezeichnet.
Für das Kugelsegment gilt folgende Formel: ${(r - h)}^{2} + a^{2} = r^{2} bzw . h=r- \sqrt{(r^{2} - a^{2})}$
In einer Ausführungsform kann der Wert von R bei 1,35 mm liegen. Der Wert von r kann in einem Bereich von 1,5 mm bis 6 mm liegen. Der Wert von r_M kann im Bereich von 0,1 mm bis 0,2 mm liegen.
r ist vorzugsweise gleich R.
Der Wert von h ergibt sich aus den oben angegebenen Größenangaben.
In 7 ist die Zündspitze 50' der 4 und 5 dargestellt. Hier ist der kalottenförmige Abschnitt 50' als konvexer Abschnitt ausgebildet, der ebenfalls als Kugelsegment realisiert ist. Hinsichtlich der Größen des Kugelsegmentes gelten die obigen Berechnungsansätze in gleicher Weise.
In den 6 und 7 sind die Zündspitzen 50', 50" jeweils durch einen einstückigen Basiskörper 56 bzw. 56' gebildet.
Die Basiskörper 56, 56' lassen sich pulvermetallurgisch herstellen. Hierbei wird insbesondere ein Verfahren angewendet, wie es in 8 dargestellt ist.
In einem ersten Schritt wird dabei ein Pulver oder eine Pulvermischung aus einem Edelmetall oder einer Edelmetalllegierung bereitgestellt (S1). In einem zweiten Schritt wird das Pulver oder die Pulvermischung in eine Gestalt eines Basiskörpers 56 bzw. 56' pulvermetallurgisch geformt (S2).
In einem Schritt S3 wird der Basiskörper 56, 56' anschließend gesintert.
In einem Schritt S4 kann der Basiskörper 56, 56' anschließend mit einer Elektrode verbunden werden, insbesondere einer Mittelelektrode 24.
Als Edelmetalllegierung wird vorzugsweise eine Pulvermischung aus einer Iridiumlegierung bereitgestellt, deren Hauptbestandteil Iridium ist. Vorzugsweise weist die Edelmetalllegierung als Hauptbestandteil Iridium sowie Rhodium in einem Anteil von mehr als 0 Gew.-% und weniger als 20 Gew.-% auf. Ferner kann die Edelmetalllegierung optional Zirconiumoxid aufweisen.
In einer bevorzugten Variante ist Rhodium in einem Anteil von 2% bis 3% enthalten und Zirconiumoxid ist zu einem Anteil von etwa 50 bis 200 ppm enthalten. Als Rest weist die Edelmetalllegierung Iridium auf.
Das Sintern erfolgt so, dass eine Sinterdichte von > 96% erreicht wird, bei einer Porosität von größer 4% und bei einer Sinterkorngröße von max. 10 µm.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014015707 A1 [0004, 0008]
DE 102010004851 B4 [0007]

Claims

Zündkerzen-Zündspitze (30) für eine Elektrode (24) einer Zündkerzenanordnung (10), insbesondere einer Vorkammerzündkerze, mit - einem Basiskörper (56), der ein erstes axiales Ende (44) und ein zweites axiales Ende (46) und einen dazwischen liegenden Mantelabschnitt (48) aufweist, - wobei der Basiskörper (56) ein Edelmetall oder eine Edelmetalllegierung aufweist, - wobei das erste axiale Ende (44) und/oder der Mantelabschnitt (48) dazu ausgebildet ist, den Basiskörper (56) an einer Elektrode (24) zu befestigen, - wobei das zweite axiale Ende (46) einen kalottenförmigen Abschnitt (50) aufweist, und - wobei der Basiskörper (56) pulvermetallurgisch hergestellt ist.
Zündkerzen-Zündspitze nach Anspruch 1, wobei der kalottenförmige Abschnitt (50) konvex ausgebildet ist.
Zündkerzen-Zündspitze nach Anspruch 1, wobei der kalottenförmige Abschnitt (50') konkav ausgebildet ist.
Zündkerzen-Zündspitze nach einem der Ansprüche 1-3, wobei die Kalottenform des zweiten axialen Endes (46) eine Kugelsegmentform ist.
Zündkerzen-Zündspitze nach einem der Ansprüche 1-4, wobei der Mantelabschnitt (48) zylindrisch ist und/oder wobei das erste axiale Ende (44) als Planfläche ausgebildet ist, die quer zu einer Längsachse (25) des Basiskörpers (56) ausgerichtet ist.
Zündkerzen-Zündspitze nach einem der Ansprüche 1-5, wobei der Basiskörper (56) einstückig ausgebildet ist.
Zündkerzen-Zündspitze nach einem der Ansprüche 1-6, wobei das Edelmetall Iridium ist oder wobei die Edelmetalllegierung Iridium beinhaltet.
Zündkerzen-Zündspitze nach Anspruch 7, wobei der Basiskörper (56) mehr als 50 Gew.-% Iridium aufweist.
Zündkerzen-Zündspitze nach einem der Ansprüche 1-8, wobei der Basiskörper (56) eine Edelmetalllegierung aufweist, die als Hauptbestandteil Iridium sowie Rhodium in einem Anteil von mehr als 0 Gew.-% und weniger als 10 Gew.-% und optional Zirconiumoxid aufweist.
Zündkerzen-Zündspitze nach einem der Ansprüche 1-9, wobei der Basiskörper (56) pulvermetallurgisch geformt und gesintert ist.
Zündkerzen-Zündspitze nach Anspruch 10, wobei der Basiskörper (56) eine Sinterdichte von mehr als 96% aufweist und/oder wobei der Basiskörper (56) eine Porosität von mehr als 4% aufweist und/oder wobei der Basiskörper eine Sinterkorngröße aufweist, die kleiner gleich 50 µm und größer gleich 5 µm ist.
Zündkerzenanordnung (10), insbesondere Vorkammerzündkerze, mit einer Elektrode (24), an der eine Zündkerzen-Zündspitze (30) nach einem der Ansprüche 1-11 angebracht ist.
Zündkerzenanordnung (10) nach Anspruch 12, wobei die Elektrode (24) eine Mittelelektrode (24) ist, wobei die Zündkerzen-Zündspitze (30) an einem Ende der Mittelelektrode (24) angebracht ist, und wobei eine Ringelektrode (26) zumindest einen axialen Abschnitt der Zündkerzen-Zündspitze (30) zumindest abschnittsweise umgibt, so dass dazwischen ein Ringspalt (31) eingerichtet ist.
Zündkerzenanordnung (10) nach Anspruch 13, wobei der kalottenförmige Abschnitt (50) wenigstens teilweise in axialer Richtung gegenüber der Ringelektrode (26) vorsteht.
Verfahren zum Herstellen einer Zündkerzen-Zündspitze (30), insbesondere nach einem der Ansprüche 1-11, mit den Schritten: - Bereitstellen (S1) eines Pulvers oder einer Pulvermischung aus einem Edelmetall oder einer Edelmetalllegierung; - pulvermetallurgisches Formen (S2) des Pulvers oder der Pulvermischung in eine Gestalt eines Basiskörpers (56), der ein erstes axiales Ende (44) und ein zweites axiales Ende (46) und einen dazwischen liegenden Mantelabschnitt (48) aufweist, wobei das erste axiale Ende (44) und/oder der Mantelabschnitt (48) dazu geformt wird, um den Basiskörper (56) an einer Elektrode befestigen zu können, und wobei das zweite axiale Ende (46) so geformt wird, dass ein kalottenförmiger Abschnitt (50) entsteht; und - Sintern (S3) des Basiskörpers (56).