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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorkammerzündkerze mit einem signifikant verbesserten Wärmeabfuhrverhalten.
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Vorkammerzündkerzen sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Vorkammerzündkerzen weisen dabei eine Vorkammer auf, welche in Abhängigkeit eines Bautyps einer Brennkraftmaschine mehr oder weniger weit in einen Brennraum der Brennkraftmaschine reichen. Die Vorkammer bildet einen Vorraum, welcher über Durchgangsöffnungen mit dem Brennraum verbunden ist. Hierbei erfolgt in der Vorkammer eine erste Zündung, wobei Fackelstrahlen durch die Durchgangsöffnungen in der Vorkammer hindurchgehen und das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Brennraum zünden. Da die Vorkammer häufig direkt in den Bauraum vorsteht, ergeben sich im Betrieb Wärmeprobleme, insbesondere bei einer unzureichenden Wärmeabfuhr aus dem Zylinderbrennraum. Hierdurch besteht die Möglichkeit von ungewollten Glühzündungen, was einen Verschleiß, insbesondere an einer Kappe der Vorkammerzündkerze und auch an den Elektroden der Vorkammerzündkerze bewirken kann. Ferner kann durch unkontrollierte Zündungen eine Schädigung der Brennkraftmaschine auftreten.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Vorkammerzündkerze mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine signifikant verbesserte Wärmeabfuhr an einer Kappe der Vorkammerzündkerze möglich ist. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Kappe, welche eine Vorkammer der Vorkammerzündkerze zu einem Brennraum abschließt, eine variierende Wanddicke aufweist. Durch diese Idee der variierten Wanddicke kann eine verbesserte Wärmeabfuhr an der Kappe erreicht werden, auch wenn im Betrieb beispielsweise eine unzureichende Wärmeabfuhr im Zylinderbrennraum einer Brennkraftmaschine vorhanden ist. Durch die erfindungsgemäße Idee der variierenden Wandstärke der Kappe kann auch für einen Fachmann auf überraschende Weise das mögliche Wärmeproblem an Kappen von Vorkammerzündkerzen gelöst werden. Somit können ein Kappenverschleiß und ein Elektrodenverschleiß sowie unkontrollierte Zündungen verhindert werden.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Vorzugsweise ist die Wanddicke der Kappe derart vorgesehen, dass sich die Wanddicke, ausgehend von einer Mitte der Kappe, kontinuierlich ändert. Hierdurch kann die Wärmeaufnahmefähigkeit der Kappe optimiert werden. Alternativ ändert sich die Wanddicke der Kappe, wobei auch Bereiche mit konstanter Wanddicke vorgesehen sind. Dadurch wird die Variabilität der Kappe verbessert.
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Besonders bevorzugt vergrößert sich die Wanddicke ausgehend von der Mitte der Kappe kontinuierlich nach außen. Hierbei wird die Tatsache ausgenutzt, dass üblicherweise die Mitte der Kappe am Weitesten in den Brennraum vorsteht und damit auch einer der thermisch höchst belasteten Bereiche der Kappe ist. Durch die relativ kleine Dicke an der Mitte im Vergleich mit den anderen Kappenbereichen kann somit eine Wärmeaufnahme am Mittelpunkt und deren angrenzenden Bereiche durch die relativ geringe Masse der Kappe reduziert werden. Es kann eine schnellere Abkühlung der Mitte und der direkt an die Mitte angrenzenden Bereiche erreicht werden.
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Besonders bevorzugt liegt ein Mittelpunkt der Kappe auf einer Mittelachse der Vorkammerzündkerze.
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Weiter bevorzugt ist eine maximale Wanddicke der Kappe kleiner oder gleich 3,0 mm und/oder größer gleich 0,7 mm. Insbesondere sind die in den Brennraum vorstehenden Kappenbereiche derart ausgebildet, dass eine Wanddicke der Kappenbereiche zwischen 0,7 mm und 2,0 mm ist.
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Vorzugsweise weist die Kappe einen Anbindungsbereich auf, um eine Fixierung an einem Gehäuse der Vorkammerzündkerze bereitzustellen. Der Anbindungsbereich ist dabei an einem Innenumfang des Gehäuses anliegend angeordnet. Der Anbindungsbereich kann hierbei vorzugsweise kraft- oder formschlüssig oder stoffschlüssig, z. B. mittels einer Schweißverbindung, am Gehäuse fixiert werden.
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Weiter bevorzugt ist ein Kappen-Wandwinkel zwischen einer Innenfläche des Anbindungsbereichs der Kappe und einer Außenfläche der Kappe in einem Bereich von 20° bis 40° und beträgt vorzugsweise ca. 30°. Vorzugsweise wird durch den Kappen-Wandwinkel ein kontinuierlicher Übergang zum Gehäuse an der Gehäuseaußenseite zwischen Gehäuse und Kappe erreicht.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist am Anbindungsbereich der Kappe ein Absatz ausgebildet, an welchem eine Stirnseite des Gehäuses anliegt. Weiter bevorzugt ist ein Innenumfang des Gehäuses parallel zur Mittelachse der Vorkammerzündkerze.
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Um eine relativ einfach herzustellende kontinuierlich verändernde Wanddicke bereitzustellen, weist die Kappe einen Innenradius R1 auf, welcher ungleich einem Außenradius R2 der Kappe ist. Es kann insbesondere eine sich kontinuierlich verändernde Wanddicke der Kappe erreicht werden.
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Bevorzugt umfasst die Kappe ferner eine Innenfase am Ende des Anbindungsbereichs der Kappe. Hierdurch wird eine Wärmeübertragung von der Kappe auf das Gehäuse verbessert.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist am Gehäuse eine Außenfase vorgesehen. Die Außenfase liegt vorzugsweise auf Höhe des Anbindungsbereichs der Kappe. Vorzugsweise sind ein Winkel der Innenfase der Kappe und der Außenfase des Gehäuses unterschiedlich.
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Ferner betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Vorkammerzündkerze, wobei die Kappe zumindest teilweise in einem Brennraum der Brennkraftmaschine vorsteht.
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Figurenliste
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 eine schematische Schnittansicht einer Vorkammerzündkerze gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung und
- 2 eine schematische, vergrößerte Teilschnittansicht der Kappe der Vorkammerzündkerze von 1.
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Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 und 2 eine Vorkammerzündkerze 1 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst die Vorkammerzündkerze 1 eine Kappe 2, welche eine Vorkammer 3 an einem zu einem Brennraum 8 gerichteten Ende der Vorkammerzündkerze 1 bildet. Die Vorkammerzündkerze 1 ist in 1 schematisch dargestellt und weist ferner ein Gehäuse 4, einen Isolator 5 sowie eine Elektrode 6 auf. Das Bezugszeichen 7 bezeichnet einen elektrischen Anschluss der Vorkammerzündkerze.
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Wie in 1 schematisch dargestellt, ist die Vorkammerzündkerze in einem Zylinderkopf 9 eingeschraubt, derart, dass die Kappe 2 in den Brennraum 8 vorsteht. Dadurch ist die Kappe 2 hohen Temperaturen im Brennraum direkt ausgesetzt.
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Um die hohen Temperaturen möglichst gut und ohne Beschädigung aufnehmen zu können und abgeben zu können, weist die erfindungsgemäße Vorkammerzündkerze eine spezielle ausgebildete Kappe 2 auf. Die Kappe 2 ist dabei im Detail aus 2 ersichtlich.
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Die Kappe 2 weist grundsätzlich eine topfähnliche geometrische Gestalt auf und umfasst eine oder mehrere Durchgangsöffnungen 10 (in 2 nicht dargestellt), durch welche die Fackelstrahlen das im Brennraum 8 befindliche Gemisch entzünden können.
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Die Kappe 2 umfasst ferner einen Anbindungsbereich 21, an welchem die Kappe 2 am Gehäuse 4 der Vorkammerzündkerze 1 fixiert ist. Die Fixierung kann hierbei form- und/oder kraftschlüssig, z. B. mittels einer Presspassung, erfolgen oder auch stoffschlüssig, z. B. mittels einer Schweißverbindung. Benachbart zum Anbindungsbereich 21 ist hierbei ein Absatz 24 ausgebildet, an welchem eine Stirnseite 40 des Gehäuses anliegt. Mit diesem Absatz 24 ist somit eine Kontaktfläche zwischen der Kappe 2 und dem Gehäuse 4 erhöht, sodass eine verbesserte Wärmeübertragung von der Kappe 2 auf das Gehäuse 4 möglich ist.
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Am Anbindungsbereich 21 weist die Kappe 2 ferner eine zylindrische Innenfläche 22 auf und an einem benachbart zum stirnseitigen Ende 4 ist eine konische Außenfläche 23 an der Kappe 2 gebildet. Hierbei schließen die Innenfläche 22 und die Außenfläche 23 im Schnitt einen Winkel α ein, welcher als Kappen-Wand-Winkel bezeichnet ist. Der Winkel beträgt vorzugsweise 30°.
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Wie aus 2 ersichtlich ist, ist eine Mitte 20 der Kappe auf einer Mittelachse X-X der Vorkammerzündkerze angeordnet. Hier weist die Kappe 2 eine Wanddicke D1 auf. Die Wanddicke D1 ist hierbei die minimale Wanddicke der Kappe. Die Kappe 2 ist ferner symmetrisch zu Schnittebenen, welche die Mittelachse X-X einschließen, ausgebildet.
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Weiterhin ist die Kappe 2 derart ausgebildet, dass sich die Wanddicke, ausgehend von der Wanddicke D1 in der Mitte 20 der Kappe nach außen kontinuierlich erweitert. Hierbei ist noch schematisch eine zweite Wanddicke D2 eingezeichnet, welche größer als die Wanddicke D1 an der Mitte der Kappe ist. Ferner ist in 2 noch zusätzlich eine maximale Wanddicke Dmax eingezeichnet. Wie aus 2 ersichtlich ist, befindet sich die maximale Wanddicke Dmax am Bereich, der die Stirnseite 40 des Gehäuses 4 berührt. Am Anbindungsbereich 21 der Kappe 2 zum Gehäuse 4 ist eine Wanddicke der Kappe wieder reduziert.
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Wie aus 2 ersichtlich ist, weist die Kappe 2 an einer Innenseite, ausgehend von der Mitte 20 einen linear ansteigenden ersten Bereich 2a auf, welcher in einen zweiten Bereich 2b mit einem ersten Radius R1 übergeht. Der Radius R1 geht dann in einen dritten Bereich 2c über, welcher an der Innenfläche 22 des Anbindungsbereichs 21 ausgebildet ist. Dabei ist der dritte Bereich 2c parallel zur Mittelachse X-X der Vorkammerzündkerze.
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An der Außenseite der Kappe ist ausgehend von der Mitte 20 ein ebener Bereich 2d ausgebildet, welcher senkrecht zur Mittelachse X-X der Vorkammerzündkerze ist. Der ebene Bereich 2d geht in einen mit einem zweiten Radius R2 gestalteten Bereich 2e über, welcher dann in einem geradlinigen konischen Bereich 2f bis zur Stirnseite 40 des Gehäuses übergeht.
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Somit kann ausgehend von der Mitte 20 der Kappe 2 eine Wanddicke erreicht werden, welche sich kontinuierlich, ausgehend von der Mitte 20, nach außen hin erweitert.
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Hierbei sind auch der erste Radius R1 und der zweite Radius R2 unterschiedlich ausgebildet, um eine sich kontinuierlich vergrößernde Wanddicke ausgehend von der Mitte 20 zur Außenseite der Kappe zu erreichen.
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Um einen verbesserten Wärmeübergang von der Kappe 2 auf das Gehäuse 4 zu erreichen, ist an der Kappe 2 ferner noch eine Innenfase 25 als Abschluss am Anbindungsbereich 21 ausgebildet. Wie weiter aus 2 ersichtlich ist, ist auch am Gehäuse 4 eine Außenfase 41 an der Außenseite des Gehäuses 4 im Bereich des Anbindungsbereichs 21 der Kappe vorgesehen. Hierdurch wird eine Verschlankung des Gehäuses 4 in Richtung zur Stirnseite 40 des Gehäuses erreicht. Dadurch wird insbesondere ein kontinuierlicher Übergang von der Außenseite der Kappe 2 zur Außenseite des Gehäuses 4 ermöglicht.
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Es sei angemerkt, dass die maximale Dicke Dmax höchstens 3,0 mm beträgt. Die minimale Dicke im Bereich der Mitte 20 der Kappe 2 beträgt ferner ca. 0,7 mm. Somit kann durch die erfindungsgemäße Geometrie der Kappe 2 eine signifikant verbesserte Wärmeabfuhr auch bei einem Wärmestau im Brennraum 8 an der Kappe 2 ermöglicht werden. Zum einen wird durch die Geometrie der Kappe die Wärmeleitfähigkeit im Inneren der Kappe verbessert und ferner wird durch die sich ausgehend von der Mitte 20 kontinuierlich erweiternde Querschnittsgestalt der Kappe 2 ein Wärmestau aufgrund einer zu großen Dicke und somit zu großen Materialmasse der Kappe in dem Bereich, welcher in den Brennraum 8 vorsteht, vermieden.
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Wie weiter aus 2 ersichtlich ist, ist sowohl eine Innenseite der Kappe 2 als auch eine Außenseite der Kappe 2 glatt, d. h. ohne Vorsprünge und Vertiefungen gebildet.
