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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Vorkammerzündkerzen von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere modularen Vorkammerzündkerzen, welche zur Verbesserung der Wärmeübergänge in Vorkammern beitragen, gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.
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Stand der Technik
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Die Erfindung geht von einer Vorkammerzündkerze aus, die aus mehreren Bestandteilen modular zusammengesetzt ist. Eine Vorkammerzündkerze dieser Art ist durch
DE 31 45 119 A1 bekannt. Bei dieser ist ein Isolator, in welchem eine Elektrode angeordnet ist, in einem Zündkerzenkörper gelagert, der über ein Außengewinde mit dem Zylinderkopf einer Verbrennungskraftmaschine in Kraftschluss steht. Oberhalb des Außengewindes des Zündkerzenkörpers weist diese Vorkammerzündkerze einen durchmesservergrößernden Absatz auf, wobei der Zündkerzenkörper zu der Gewindebohrung im Zylinderkopf über einen Dichtring abgedichtet ist. Der untere Teil des Zündkerzenkörpers bildet eine Ummantelung aus, in welcher sich das verjüngende Ende des Isolators erstreckt. Am Ende des Isolators tritt die Elektrode der Vorkammerzündkerze aus, welche in Richtung einer Kappe ausgerichtet ist, sodass die Kappe als Masseelektrode dient und der Abstand zwischen Elektrode und Kappe die Funkenstrecke der Vorkammerzündkerze bildet. Die Kappe ist in einem weiteren Absatz im Zylinderkopf der Verbrennungskraftmaschine formschlüssig gelagert und wird mit einem Dichtring gegenüber dem unteren Teil des Zündkerzenkörpers der Vorkammerzündkerze abgedichtet. Die Kappe ragt dabei soweit in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine hinein, dass dieser mit dem Inneren der Kappe über Durchgangskanäle verbunden ist. Das Innere des unteren Teils des Zündkerzenkörpers und der Kappe bilden dabei die Vorkammer.
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Durch
DE 10 2016 120 984 A1 ist bekannt, dass mehrteilige Vorkammerzündkerzen neben dem Zündkerzenkörper und der Kappe zusätzlich eine Hülse als Zwischenkomponente aufweisen können. Mehrteilige Vorkammerzündkerzen solcher Art können dahingehend unterschieden werden, dass die einzelnen Bestandteile lösbar oder unlösbar miteinander verbunden sind. In
DE 10 2016 120 984 A1 sind die einzelnen Bestandteile der Vorkammerzündkerzen unlösbar verschweißt, wobei das Außengewinde, mit welchem die Vorkammerzündkerze im Zylinderkopf der Verbrennungskraftmaschine befestigt ist, an einer Hülse angeordnet ist, die zwischen dem Zündkerzenkörper und der Kappe gelagert ist. Ein analoger modularer Aufbau einer Vorkammerzündkerze mit verschweißten Bestandteilen ist in
WO 2003/ 071 644 A1 offenbart. Mehrteilige Vorkammerzündkerzen, wobei die einzelnen Bestandteile durch lösbare Verschraubungen miteinander verbunden sind, sind durch
DE 88 07 668 U1 bekannt. Hierbei weist der Zündkerzenkörper am unteren Teil ein Außengewinde auf, mit welchem dieser mit dem Innengewinde einer Kappe kraftschlüssig verbunden ist. Die Kappe weist ebenfalls ein Außengewinde auf, über welche diese mit dem Zylinderkopf einer Verbrennungskraftmaschine kraftschlüssig verbunden ist.
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In der Offenlegungsschrift ist eine mehrteilige Vorkammerzündkerze offenbart, wobei ein Zündkerzenkörper über ein Außengewinde in eine Bohrung einer Verbrennungskraftmaschine geschraubt ist und sich an dessen Unterseite eine Kappe anschließt, die mittels Formschluss in der Verlängerung der Bohrung und über die Unterseite des Zündkerzenkörpers in der Verbrennungskraftmaschine verspannt ist.
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In der Offenlegungsschrift
DE 29 16 285 A1 ist eine mehrteilige Vorkammerzündkerze offenbart, wobei ein Zündkerzenkörper und eine Kappe, deren Innenwandungen die Vorkammer bilden, durch ein hülsenartiges Element, über ein an diesem angeordneten Außengewinde, miteinander verbunden sind.
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Mit den Patentschriften
DE 39 13 665 A1 KR 10 2004 0 103 476 A und
US 2012 / 0 240 890 A1 sind weitere mehrteilige Vorkammerzündkerzen bekannt, wobei die einzelnen Bestandteile jeweils über Gewindepaarungen kraftschlüssig miteinander verbunden sind.
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Im Hinblick auf das Kaltstartverhalten und die Abgasemissionen von Verbrennungskraftmaschinen mit Vorkammern entsteht die Anforderung, einen effektiven Wärmeübergang zwischen der Vorkammer und dem Zylinderkopf herzustellen. Durch
DE 28 31 452 A1 ist eine mehrteilige Vorkammerzündkerze bekannt, wobei im Inneren der Vorkammerwandung Wärmerohre integriert sind, um einen Wärmeabtransport aus der Vorkammer zu realisieren. Aus
DE 10 2012 102 009 A1 ist weiterhin eine Vorkammerzündkerze bekannt, wobei die Kappe mit dem Zündkerzenkörper verschweißt ist und eine dreilagige Wandung aufweist. Hierbei hat die innere Lage einen höheren Wärmeaustauschkoeffizienten sowie eine höhere Wärmeleitfähigkeit als die äußeren Lagen inne. Dadurch sind die Innen- und Außenflächen der Vorkammer besser gegen Temperatureinflüsse geschützt und ein effektiver Wärmeabtransport kann durch die innere Lage geschaffen werden.
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Mehrteilige Vorkammerzündkerzen, wobei die einzelnen Bestandteile unlösbar miteinander verbunden sind, können den Herstellungsprozess vereinfachen und ein in sich geschlossenes Bauteil erschaffen, jedoch wird die Möglichkeit einer Modularität in den einzelnen Bestandteilen verhindert. Mehrteilige Vorkammerzündkerzen, wobei die einzelnen Bestandteile lösbar miteinander verschraubt sind, bieten zwar die Möglichkeit der Modularität, sind jedoch aufwendiger abzudichten im Vergleich zu unlösbar verbundenen Bestandteilen. Werden zusätzlich wärmetransportfördernde Mittel eingesetzt, wie mehrlagige Kappen oder in Hülsen integrierte Kühlelemente, entstehen in Verbindung mit Außengewinden komplexe und lediglich aufwendig herstellbare Bauteile.
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Aufgabe der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung ist es daher Aufgabe, die Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Mittel zu kombinieren und eine verbesserte Vorkammerzündkerze bereitzustellen, welche einen modularen Aufbau mit lösbaren Verbindungen zwischen den einzelnen Bestandteilen sowie einen effektiven Wärmeaustausch aufweist.
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Lösung der Aufgabe
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Diese Aufgabe wird durch eine modulare Vorkammerzündkerze nach den Merkmalen der Patentansprüche 1 bis 9 erfüllt.
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Darstellung und Vorteile der Erfindung
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Die Intention der erfindungsgemäßen Vorkammerzündkerze besteht in einem modularen Aufbau des Körpers der Vorkammerzündkerze, wodurch zum einen eine hohe thermische Beständigkeit sowie geringe Wandwärmeverluste der Vorkammerwandung, bei gleichzeitig verbessertem Wärmeabtransport realisiert wird. Dies wird durch einen dreiteiligen Aufbau des Körpers der Vorkammerzündkerze erreicht, wobei sich wenigstens zwei der einzelnen Bestandteile in ihren Materialeigenschaften, insbesondere in der Wärmeleitfähigkeit unterscheiden.
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Die erfindungsgemäße Vorkammerzündkerze besteht aus einem metallischen Zündkerzenkörper, der einen Durchgang umfasst, in welchem ein Isolator befestigt ist. Innerhalb des Isolators sind bekannte Komponenten einer Zündkerze enthalten, wie ein Innenleiter und eine Mittelelektrode, welche mit dem Innenleiter elektrisch verbunden ist, wobei die Mittelelektrode am unteren Ende des Isolators aus diesem austritt. Der Zündkerzenkörper weist anteilig oder über seine gesamte Längenerstreckung ein Außengewinde auf, um diesen in die Verbrennungskraftmaschine einzuschrauben. Das untere Ende des Isolators tritt über das Ende des Zündkerzenkörpers hinaus. Dieser Bereich des Isolators ist von einer Hülse umgeben. Die Unterseite der Hülse liegt nunmehr auf der Oberseite einer Kappe auf. Die Kappe ist mit einem Formschluss in der sich im Anschluss an die Hülse verlängerten Bohrung gelagert. Die Innenwandung der Kappe, der Hülse sowie des Zündkerzenkörpers bilden die funktionelle Vorkammer aus. Die Kappe weist Durchgangskanäle auf, wobei die Kappe soweit in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine hineinragt, dass die Durchgangskanäle eine Verbindung zwischen der Vorkammer und dem Brennraum herstellen. Der Gasaustausch zwischen Brennraum und Vorkammer kann somit über die Durchgangskanäle erfolgen.
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In einer Ausführungsform kann die obere Stirnseite der Hülse gegenüber der Unterseite des Zündkerzenkörpers durch ein Dichtelement abgedichtet sein.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Hülse in der erweiterten zylindrischen Bohrung, in welcher der Zündkerzenkörper verschraubt ist, mit einer Spielpassung angeordnet.
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In einer Ausführungsform sind an der Innenwandung der Hülse Hervorhebungen angeordnet, welche die Masseelektroden bilden. Zwischen der Mittelelektrode des Isolators und den Masseelektroden der Hülse bildet sich nunmehr die Funkenstrecke der Vorkammerzündkerze aus.
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Ferner weist der Zündkerzenkörper oberhalb des Außengewindes einen vergrößerten Durchmesser auf, sodass dieser in Form eines Flansches auf einem Absatz der Bohrung aufliegt und in der Art einen zusätzlichen Formschluss ausbildet.
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Der untere Teil des Zündkerzenkörpers kann durch einen vergrößerten Innendurchmesser einen zusätzlichen Hohlraum zwischen der Außenfläche des austretenden Isolators und der Innenfläche des Zündkerzenkörpers bilden, wodurch das Volumen der Vorkammer erhöht wird.
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In einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorkammerzündkerze ist die Mittelelektrode in der Art konzipiert, dass diese ein oder mehrere Enden drahtartig ausbildet, welche in Richtung der Innenwand der Hülse gerichtet sind, sodass die Funkenstrecke zwischen den Elektrodenenden und der Innenwand der Hülse gebildet wird. Die Hülse weist hierbei keine Hervorhebungen auf.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorkammerzündkerze besteht die Hülse aus einem elektrisch leitfähigen Material, welches gegenüber dem Material der Kappe eine geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist. Durch die Hülse, die hierbei eine höhere thermische Beständigkeit und Isolation innehat, sind im Bereich der Funkenstrecke der erfindungsgemäßen Vorkammerzündkerze höhere Temperaturen sowie geringere Wandwärmeverluste erzielbar. Dies wirkt sich insbesondere positiv auf den Wirkungsgrad im Teillastbereich der Verbrennungskraftmaschine aus. Aufgrund der in Spielpassung gelagerten Hülse entsteht weiterhin ein Luftspalt zwischen der Mantelfläche der Hülse und der Innenwand der Verbrennungskraftmaschine. Der Luftspalt schafft zusätzlich eine verstärkte thermische Isolation. Über die Kappe, welche gegenüber der Hülse eine erhöhte Wärmeleitfähigkeit aufweist, wird ein verbesserter Wärmeaustausch mit der Verbrennungskraftmaschine und somit ein verbesserter Wärmeabtransport bewirkt. Dies ist insbesondere bei hohen Lasten der Verbrennungskraftmaschine sowie zur Verhinderung von Glühzündung eines Luft-KraftstoffGemisches vorteilhaft.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorkammerzündkerze weist die Hülse eine Durchgangsbohrung in ihrem Mantel auf, an welcher sich ein Injektor anschließen kann. Der Injektor kann hierbei ein Kraftstoffeinspritzventil oder ein Lufteinspritzventil, zur Spülung der Vorkammer, oder ein Luft-Kraftstoffinjektor, als eine Kombination aus beiden, sein. Somit ist eine aktive Spülung der Vorkammer möglich.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung ist der Formschluss der Kappe eine Presspassung in einem zylindrischen oder kegelförmigen Bohrungsende. Alternativ kann die Kappe über weitere Mittel zur Bildung eines Formschlusses angeordnet sein. Die Kappe kann in vorteilhafter Art und Weise durch eine passformbildende Nut im Bohrungsende gelagert sein, sodass eine Positionierung der Kappe und insbesondere der Durchgangskanäle zielgerichtet ist. Hierbei kann Einfluss auf die Strahlenausbreitung des entzündeten Luft-Kraftstoffgemisches beim Übergang aus der Vorkammer in den Brennraum genommen werden.
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Durch die erfindungsgemäße Vorkammerzündkerze ergeben sich nunmehr folgende Vorteile:
- • Aufgrund des dreiteiligen Aufbaus entsteht eine hohe Modularität, wobei die Herstellung der einzelnen Bestandteile des Körpers der Vorkammerzündkerze durch einfache Geometrien erleichtert ist.
- • Die gesamte Vorkammerzündkerze ist lediglich durch eine lösbare Schraubverbindung am Zündkerzenkörper befestigt, sodass die Montage sowie der Austausch einzelner Bestandteile vereinfacht ist.
- • Durch die unterschiedlichen Materialeigenschaften von Hülse und Kappe können verschiedene Wirkungen bezüglich elektrischer und thermischer Leitfähigkeit realisiert werden.
- • Der Effekt der thermischen Isolation wird durch den Luftspalt in der Spielpassung der Hülse weiter verstärkt.
- • Verwendung unterschiedlicher Materialien der einzelnen Bestandteile ermöglicht die individuelle Anpassung der Materialabstimmung auf die Verbrennungskraftmaschine und das Brennverfahren.
- • Durch den Formschluss der Kappe, lässt sich diese unabhängig vom Außengewinde des Körpers der Zündkerze sowie lageorientiert anordnen, was einen positiven Einfluss auf die Strahlenausbreitung im Brennraum hat.
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Figurenliste
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend beschriebenen Varianten der erfindungsgemäßen Vorkammerzündkerze. Zum besseren Verständnis und als Unterstützung der Beschreibung wird sich auf folgende Abbildungen bezogen. Hierbei zeigen:
- 1 eine erfindungsgemäße Vorkammerzündkerze,
- 2 eine erfindungsgemäße Vorkammerzündkerze mit seitlich zugeführtem Injektor,
- 3 eine erfindungsgemäße Vorkammerzündkerze mit erweiterten Mittelelektrodenenden,
- 4 eine erfindungsgemäße Vorkammerzündkerze mit erweiterten Mittelelektrodenenden und kegelförmiger Presspassung der Vorkammer.
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In 1 bis 4 ist jeweils eine erfindungsgemäße Vorkammerzündkerze (1) in Schnittansicht, im eingebauten Zustand abgebildet. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorkammerzündkerze (1), welche passiv gespült wird. Die Vorkammerzündkerze (1) ist hierbei im Zylinderkopf (2) einer Verbrennungskraftmaschine gelagert und mündet in den Brennraum (3) von dieser. Der Zündkerzenkörper (4) der Vorkammerzündkerze (1) umfasst eine Durchgangsbohrung, in welcher ein Isolator (5) angeordnet ist. Im oberen Teil weist der Zündkerzenkörper (4) einen vergrößerten Außendurchmesser auf, sodass dieser auf einem Bohrungsabsatz des Zylinderkopfes (2) aufliegt. Ausgehend von diesem Absatz ist am Mantel der restlichen Erstreckung des Zündkerzenkörpers (4) ein Außengewinde (6) angeordnet, über welches der Zündkerzenkörper (4) mit dem Zylinderkopf (2) verschraubt ist. Anschließend an die Stirnfläche des unteren Endes des Zündkerzenkörpers (4) ist die Bohrung im Zylinderkopf (2) zylindrisch weitergeführt und es schließt sich ein Dichtring (7) an, welcher aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht. Dem Dichtring (7) folgt eine Hülse (8), welche Hervorhebungen innehat, die als Masseelektrode (9) dienlich sind. Die Hülse (8) sitzt in diesem Bohrungsabschnitt in einer Spielpassung, wodurch sich ein Luftspalt (10) zwischen der Mantelfläche der Hülse (8) und der Wandinnenfläche der Bohrung im Zylinderkopf (2) bildet. Der Isolator (5) erstreckt sich ausgehend vom Zündkerzenkörper (4) bis in die Hülse (8) hinein. Am Ende des Isolators (5) tritt eine Mittelelektrode (11) aus. Die Masseelektroden (9) und die Mittelelektrode (11) bilden zusammen die Funkenstrecke der Vorkammerzündkerze (1). An die Unterseite der Hülse (8) schließt sich eine Kappe (12) an. Die Bohrung im Zylinderkopf (2) der Verbrennungskraftmaschine ist im Bereich der Kappe (12) zylindrisch, jedoch mit geringerem Durchmesser fortgeführt. Die Kappe (12) weist ebenfalls eine zylindrische Gestalt auf und ist in das Bohrungsende eingepresst und ragt mit ihrem unteren Teil in den Brennraum (3) der Verbrennungskraftmaschine hinein, sodass in dieser angeordnete Durchgangskanäle eine Verbindung zwischen Brennraum (3) und der Vorkammer (14) ausbilden, welche sich aus den Innenflächen der Kappe (12), der Hülse (8) sowie des Zündkerzenkörpers (4) ergibt.
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Die Hülse (8) weist ein elektrisch leitfähiges Material auf, welches gegenüber der Kappe (12) veränderte Wärmeleitfähigkeit innehat. Erfindungsgemäß vorteilhaft weist die Hülse (8) gegenüber der Kappe (12) eine geringere Wärmeleitfähigkeit auf. In einer vorteilhaften Ausführungsform besteht die Hülse (8) aus einem austenitischen Stahl und die Kappe (12) aus einer Kupfer-Nickel-Legierung.
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2 zeigt eine Vorkammerzündkerze (1) solcherart, wobei an einer Stelle der Hülse (8) eine zusätzliche Durchgangsbohrung durch deren Mantel angeordnet ist, an welche sich ein Injektorkanal (15) anreiht. Im Injektorkanal (15) ist ein Injektor (16) angeordnet. Der Injektor (16) ist ein Luft-Kraftstoff-Injektor. Hierbei wird eine aktive gespülte Vorkammerzündkerze (1) realisiert.
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3 zeigt eine Vorkammerzündkerze (1), welche sich von jener in 1 dargestellten dadurch unterscheidet, dass die Hülse (8) keine Vorhebungen im Inneren aufweist, welche als Masseelektrode (9) dienen. Stattdessen ist die Mittelelektrode (11) um zwei Fortsätze erweitert, welche zusammen mit der Innenwand der Hülse (8) die Funkenstrecke bilden. Weiterhin entfällt in dieser Ausführungsform der zusätzliche Dichtring (7) zwischen Zündkerzenkörper (4) und Hülse (8), wobei der Zündkerzenkörper (4) am Zündkerzenbund wie bei bekannten Vorkammerzündkerzen über ein Dichtelement (7) abgedichtet wird.
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4 zeigt eine Vorkammerzündkerze (1), welche sich von jener in 3 dargestellten dadurch unterscheidet, dass die Bohrung durch die Verbrennungskraftmaschine am Bohrungsende eine verjüngende Gestalt ausbildet, wobei die Kappe (12) in einer Presspassung in einem Kegelsitz angeordnet ist. Zusätzlich kann die Kappe (12) mit einer Nut versehen sein, sodass diese gegenüber dem Zylinderkopf (2) verdreht positioniert werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorkammerzündkerze
- 2
- Zylinderkopf
- 3
- Brennraum
- 4
- Zündkerzenkörper
- 5
- Isolator
- 6
- Außengewinde
- 7
- Dichtring
- 8
- Hülse
- 9
- Masseelektrode
- 10
- Luftspalt
- 11
- Mittelelektrode
- 12
- Kappe
- 13
- Durchgangskanal
- 14
- Vorkammer
- 15
- Injektorkanal
- 16
- Injektor
