DE102019212763A1

DE102019212763A1 - Zündkerze mit Strukturelementen an der Innenoberfläche der Vorkammer

Info

Publication number: DE102019212763A1
Application number: DE102019212763.0A
Authority: DE
Inventors: Oliver Berkemeier; Maziar Khosravi
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2019-08-26
Filing date: 2019-08-26
Publication date: 2021-03-04

Abstract

Es wird eine Zündkerze (1) für einen Verbrennungsmotor (30) beschrieben, welche eine Vorkammer (3) und eine Längsachse (2) umfasst, wobei in der Vorkammer (3) mindestens eine Zündelektrode (4) angeordnet ist und die Vorkammer (3) eine Innenoberfläche (5) und eine Anzahl an Düsenlöchern (6) umfasst, wobei die Düsenlöcher (6) an der Innenoberfläche (5) der Vorkammer (3) Ausgänge (9) mit Mittelachsen (7) aufweisen, die tangential zur Längsachse (2) der Zündkerze (1) verlaufen. An der Innenoberfläche (5) der Vorkammer (3) ist eine Anzahl an Strukturelementen (11) angeordnet, die in radialer Richtung gemessen von der Innenoberfläche (5) eine Länge (21) von mindestens 2 Millimetern aufweisen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zündkerze mit einer Vorkammer, einen Verbrennungsmotor und ein Fahrzeug, zum Beispiel ein Kraftfahrzeug.
Zündkerzen für Verbrennungsmotoren weisen häufig eine Vorkammer auf. Zündkerzen mit Vorkammern verbessern unter bestimmten Betriebsbedingungen die Verbrennung, sind aber auch mit gewissen Risiken verbunden. Eine Herausforderung besteht dabei darin, dass es schwierig ist, die Vorkammer vollständig von heißen Verbrennungsgasen zu spülen. Eine weitere Herausforderung besteht darin, innerhalb der Vorkammer eine turbulente Strömung zu erzeugen, welche für die Zündung und die Flammenbildung und Flammenausbreitung förderlich ist. Zu diesem Zweck werden beispielsweise tangential zur Längsachse der Zündkerze verlaufende Düsenlöcher in die Vorkammer eingebracht. Beispiele hierfür sind in den Dokumenten US 20170044970 A1 und US 7922551 offenbart. Die in dem Dokument US 20180313256 A1 beschriebene Vorkammer, weist einen strukturierten inneren Oberflächenteilbereich.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Zündkerze zur Verfügung zu stellen, welche eine verbesserte Durchmischung des Gases in der Vorkammer ermöglicht. Diese Aufgabe wird durch eine Zündkerze nach Patentanspruch 1, einen Verbrennungsmotor nach Patentanspruch 12 und ein Fahrzeug nach Patentanspruch 13 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Die erfindungsgemäße Zündkerze für einen Verbrennungsmotor umfasst eine Vorkammer und eine Längsachse. In der Vorkammer ist mindestens eine Zündelektrode angeordnet. Die Vorkammer umfasst eine Innenoberfläche und eine Anzahl an Düsenlöchern. Die Düsenlöcher weisen an der Innenoberfläche der Vorkammer Ausgänge mit Mittelachsen auf, die tangential zur Längsachse der Zündkerze verlaufen. An der Innenoberfläche der Vorkammer ist eine Anzahl an Strukturelementen angeordnet, die in radialer Richtung gemessen von der Innenoberfläche eine Länge von mindestens 2 Millimetern aufweisen, also eine Abmessung von mindestens 2 Millimetern aufweisen.
Durch die Strukturelemente werden die durch die tangential verlaufenden Düsenlöcher erzeugten Wirbel an der Innenwand der Vorkammer gestört, welche sich ab einer bestimmten Strömungsgeschwindigkeit nachteilig auf den Zündungsprozess auswirken. Anstelle der Wirbel werden kleinere turbulente Strömungen erzeugt. Mit anderen Worten werden die Makro-Wirbel in Mikro-Turbulenzen umgewandelt. Im Ergebnis wird die Durchmischung der Gase innerhalb der Vorkammer und damit die Zündung verbessert.
Die Strukturelemente können zum Beispiel als Vorsprünge, die von der Innenoberfläche in die Vorkammer hineinragen, und/oder als Vertiefungen, die radial von der Innenoberfläche in die Wand der Vorkammer hineinragen, ausgestaltet sein. Vorteilhafterweise ist die Anzahl an Strukturelementen an einer Position in axialer Richtung zwischen der mindestens einen Zündelektrode und den Ausgängen der Düsenlöcher angeordnet. Dadurch wird eine gute Durchmischung des Gases ohne zu starke Turbulenzen im Bereich der Zündelektrode erzielt.
Eine Anzahl der Strukturelemente kann die Form eines Würfels oder einer Kugel oder eines Quaders oder eines Zylinders oder einer Pyramide aufweisen. Die genannten Formen können auch miteinander kombiniert werden.
Die Vorkammer kann gemessen von der Innenoberfläche in einer Ebene senkrecht zur Längsachse einen Durchmesser aufweisen. In einer vorteilhaften Variante kann eine Anzahl der Strukturelemente eine Länge von 1 Prozent bis 35 Prozent, zum Beispiel 20 Prozent bis 35 Prozent, des Durchmessers der Vorkammer aufweisen. Mit anderen Worten können die Strukturelemente um 1 Prozent bis 35 Prozent, insbesondere um 20 Prozent bis 35 Prozent, des Durchmessers der Vorkammer in die Vorkammer hineinragen oder in die Wand der Vorkammer hineinragen.
In einer weiteren Variante kann die Vorkammer in ihrem Inneren in axialer Richtung eine Länge aufweisen und eine Anzahl der Strukturelemente kann in axialer Richtung eine Höhe zwischen 5 Prozent und 35 Prozent, insbesondere zwischen 20 Prozent und 30 Prozent, der Länge der Vorkammer aufweisen. Eine Anzahl der Strukturelemente können weiterhin senkrecht zur axialen Richtung eine Breite zwischen 1 Prozent und 25 Prozent, insbesondere zwischen 10 Prozent und 25 Prozent, des Innendurchmessers der Vorkammer aufweisen.
Vorzugsweise sind an der Innenoberfläche der Vorkammer mindestens ein und maximal 10 Strukturelemente angeordnet. Die vergleichsweise geringe Anzahl an Strukturelementen hat den Vorteil, dass die Wirbelbildung durch die tangential angeordneten Düsen nicht übermäßig unterbunden wird und eine solche Zündkerze kostengünstig herstellbar ist.
Zum Beispiel kann eine M12 Zündkerze zwei in die Vorkammer hineinragende Vorsprünge mit einer Breite von 3 mm, einer Höhe von 5 mm und einer Länge von 5 mm aufweisen, wobei die Länge in axialer Richtung gemessen ist und die Höhe in radialer Richtung von der Innenoberfläche der Vorkammer in Richtung der Längsachse gemessen ist.
Der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor umfasst eine zuvor beschriebene erfindungsgemäße Zündkerze. Bei dem Verbrennungsmotor kann es sich um einen Motor für ein Kraftfahrzeug oder für ein Schiff handeln.
Das erfindungsgemäße Fahrzeug, bei welchem es sich beispielsweise um ein Kraftfahrzeug oder ein Schiff handeln kann, umfasst einen zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor. Bei dem Kraftfahrzeug kann es sich zum Beispiel um einen Lastkraftwagen, einen Personenkraftwagen, ein Motorrad, ein Moped, einen Bus oder einen Kleinbus handeln. Der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor und das erfindungsgemäße Fahrzeug haben grundsätzlich dieselben Merkmale und Vorteile wie die oben beschriebene erfindungsgemäße Zündkerze.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wird, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Die Figuren sind nicht notwendigerweise detailgetreu und maßstabsgetreu und können vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, um einen besseren Überblick zu bieten. Daher sind hier offenbarte funktionale Einzelheiten nicht einschränkend zu verstehen, sondern lediglich als anschauliche Grundlage, die dem Fachmann auf diesem Gebiet der Technik Anleitung bietet, um die vorliegende Erfindung auf vielfältige Weise einzusetzen.
Der hier verwendete Ausdruck „und/oder“, wenn er in einer Reihe von zwei oder mehreren Elementen benutzt wird, bedeutet, dass jedes der aufgeführten Elemente alleine verwendet werden kann, oder es kann jede Kombination von zwei oder mehr der aufgeführten Elementen verwendet werden. Wird beispielsweise eine Zusammensetzung beschrieben, dass sie die Komponenten A, B und/oder C, enthält, kann die Zusammensetzung A alleine; B alleine; C alleine; A und B in Kombination; A und C in Kombination; B und C in Kombination; oder A, B, und C in Kombination enthalten.

1 zeigt schematisch eine erste Variante einer erfindungsgemäßen Zündkerze in einer teilweise geschnittenen Ansicht.
2 zeigt schematisch einen Schnitt entlang II-II der in der 1 gezeigten Zündkerze.
3 zeigt schematisch eine zweite Variante einer erfindungsgemäßen Zündkerze in einer teilweise geschnittenen Ansicht.
4 zeigt schematisch eine dritte Variante einer erfindungsgemäßen Zündkerze in einer teilweise geschnittenen Ansicht.
5 zeigt schematisch eine vierte Variante einer erfindungsgemäßen Zündkerze in einer teilweise geschnittenen Ansicht.
6 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Motoranordnung.
7 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug.

Die 1 und 3 bis 5 zeigen verschiedene Varianten einer erfindungsgemäßen Zündkerze in einer teilweise geschnittenen Ansicht. Die 2 zeigt schematisch einen Schnitt entlang II-II der in der 1 gezeigten Zündkerze.
Die erfindungsgemäße Zündkerze 1 umfasst eine Längsachse 2, eine Vorkammer 3 und mindestens eine Zündelektrode 4, die in der Vorkammer 3 angeordnet ist. Die Vorkammer weist eine Innenoberfläche 5, eine Länge 24 und einen Durchmesser 23 auf. Weiterhin weist die Vorkammer 2 eine Anzahl an Düsenlöchern 6 auf. Die Düsenlöcher 6 weisen an der Innenoberfläche 5 der Vorkammer 3 Ausgänge 9 mit Mittelachsen 7 auf, wobei die Mittelachsen 7 tangential zur Längsachse 2 der Zündkerze 1 verlaufen. Dies ist in der 2 gezeigt. Beim Einströmen von Gas in die Vorkammer 3 wird so eine Wirbelströmung 8 erzeugt.
In axialer Richtung sind zwischen der Zündelektrode 4 und den Ausgängen 9 Strukturelemente 11 angeordnet. Diese weisen in radialer Richtung eine Länge 21 und in axialer Richtung eine Höhe 22 auf. Senkrecht zu der Länge 21 und der Höhe 22 weisen die Strukturelemente eine Breite auf. Die Länge 21 kann 1 Prozent bis 35 Prozent, insbesondere 20 Prozent bis 35 Prozent, des Durchmessers 23 der Vorkammer 3 betragen. Die Höhe 22 kann zwischen 5 Prozent und 35 Prozent, insbesondere 20 Prozent bis 35 Prozent der Länge der Vorkammer betragen. Die Breite zwischen 1 Prozent und 25 Prozent, zum Beispiel zwischen 10 Prozent und 25 Prozent des Innendurchmessers der Vorkammer betragen.
In der in der 1 gezeigten Variante sind die Strukturelemente 11 als quaderförmige Vorsprünge ausgestaltet. In der in der 3 gezeigten Variante sind die Strukturelemente 11 als quaderförmige Vertiefungen ausgestaltet. In der in der 4 gezeigten Variante sind die Strukturelemente 11 als keilförmige Vertiefungen ausgestaltet. In der in der 5 gezeigten Variante sind die Strukturelemente 11 als kugelförmige Vorsprünge ausgestaltet.
Die 6 zeigt schematisch einen Verbrennungsmotor 30, welcher eine Anzahl an erfindungsgemäßen Zylindern 10 umfasst. Die 7 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug 31, welches einen in der 2 gezeigten erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor 30 umfasst.
Bezugszeichenliste

1: Zündkerze
2: Längsachse
3: Vorkammer
4: Zündelektrode
5: Innenoberfläche
6: Düsenloch
7: Mittelachse
8: Strömungsrichtung
9: Ausgang
10: Zylinder
11: Strukturelement
21: Länge
22: Höhe
23: Durchmesser der Vorkammer
24: Länge der Vorkammer
30: Verbrennungsmotor
31: Kraftfahrzeug

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 20170044970 A1 [0002]
US 7922551 [0002]
US 20180313256 A1 [0002]

Claims

Zündkerze (1) für einen Verbrennungsmotor (30), welche eine Vorkammer (3) und eine Längsachse (2) umfasst, wobei in der Vorkammer (3) mindestens eine Zündelektrode (4) angeordnet ist und die Vorkammer (3) eine Innenoberfläche (5) und eine Anzahl an Düsenlöchern (6) umfasst, wobei die Düsenlöcher (6) an der Innenoberfläche (5) der Vorkammer (3) Ausgänge (9) mit Mittelachsen (7) aufweisen, die tangential zur Längsachse (2) der Zündkerze (1) verlaufen, dadurch gekennzeichnet, dass an der Innenoberfläche (5) der Vorkammer (3) eine Anzahl an Strukturelementen (11) angeordnet ist, die in radialer Richtung gemessen von der Innenoberfläche (5) eine Länge (21) von mindestens 2 Millimetern aufweisen.
Zündkerze (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente (11) als Vorsprünge, die von der Innenoberfläche (5) in die Vorkammer (3) hineinragen, und/oder als Vertiefungen, die radial von der Innenoberfläche (5) in die Wand der Vorkammer (3) hineinragen, ausgestaltet sind.
Zündkerze (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl an Strukturelementen (11) an einer Position in axialer Richtung zwischen der mindestens einen Zündelektrode (4) und den Ausgängen (9) der Düsenlöcher (6) angeordnet sind.
Zündkerze (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl der Strukturelemente (11) die Form eines Würfels oder einer Kugel oder eines Quaders oder eines Zylinders oder einer Pyramide aufweist.
Zündkerze (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorkammer (3) gemessen von der Innenoberfläche (5) in einer Ebene senkrecht zur Längsachse (2) einen Durchmesser (23) aufweist und eine Anzahl der Strukturelemente (11) eine Länge (21) von 1 Prozent bis 35 Prozent des Durchmessers (23) der Vorkammer (3) aufweisen.
Zündkerze (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl der Strukturelemente (11) eine Länge (21) von 20 Prozent bis 35 Prozent des Durchmessers (23) der Vorkammer (3) aufweisen.
Zündkerze (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorkammer (3) in ihrem Inneren in axialer Richtung eine Länge (24) aufweist und eine Anzahl der Strukturelemente (11) in axialer Richtung eine Höhe (22) zwischen 5 Prozent und 35 Prozent der Länge (24) der Vorkammer (3) aufweist.
Zündkerze (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl der Strukturelemente (11) in axialer Richtung eine Höhe (22) zwischen 20 Prozent und 30 Prozent der Länge (24) der Vorkammer (3) aufweist.
Zündkerze (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl der Strukturelemente (11) senkrecht zur axialen Richtung eine Breite zwischen 1 Prozent und 25 Prozent des Innendurchmessers (23) der Vorkammer (3) aufweist.
Zündkerze (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl der Strukturelemente (11) senkrecht zur axialen Richtung eine Breite zwischen 10 Prozent und 25 Prozent des Innendurchmessers (23) der Vorkammer (3) aufweist.
Zündkerze (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass an der Innenoberfläche (5) der Vorkammer (3) mindestens ein und maximal 10 Strukturelemente (11) angeordnet sind.
Verbrennungsmotor (30), welcher eine Zündkerze (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 umfasst.
Fahrzeug (31), welches einen Verbrennungsmotor (30) nach Anspruch 12 umfasst.
Fahrzeug (31) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Fahrzeug (31) um ein Kraftfahrzeug oder ein Schiff handelt.