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Die Erfindung betrifft eine Vorkammerzündkerze für einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, gemäß dem Oberbegriff vom Patentanspruch 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff vom Patentanspruch 9. Die Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug, insbesondere einen Kraftwagen.
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Die
EP 2 700 796 A1 offenbart eine Vorverbrennungskammerspitze einer Verbrennungskammeranordnung eines Verbrennungsmotors. Des Weiteren ist aus der
US 2013/0055986 A1 eine Vorverbrennungskammer bekannt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorkammerzündkerze für einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine, eine Verbrennungskraftmaschine mit wenigstens einer solchen Vorkammerzündkerze und ein Kraftfahrzeug zu schaffen, sodass ein besonders vorteilhafter Betrieb der Verbrennungskraftmaschine realisiert werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorkammerzündkerze mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 sowie durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorkammerzündkerze für einen Brennraum einer auch als Verbrennungsmotor bezeichneten Verbrennungskraftmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug. Die Vorkammerzündkerze weist eine Vorkammer mit mehreren, beispielsweise als Durchgangsöffnungen ausgebildeten Öffnungen auf, über welche die Vorkammer mit dem Brennraum fluidisch verbindbar beziehungsweise verbunden ist. Beispielsweise ist die jeweilige Öffnung als eine Bohrung ausgebildet. Insbesondere kann die Öffnung, insbesondere über ihre vollständige Erstreckung hinweg, gerade beziehungsweise geradlinig verlaufen. Über die jeweilige Öffnung ist ein einfach auch als Gemisch bezeichnetes Kraftstoff-Luft-Gemisch aus dem Brennraum in die Vorkammer einleitbar. Beispielsweise kann in der Vorkammer wenigstens ein Zündfunke erzeugt werden. Hierzu umfasst die Vorkammerzündkerze beispielsweise wenigstens eine Elektrodeneinrichtung, welche zumindest teilweise in der Vorkammer angeordnet ist. Mittels der Elektrodeneinrichtung kann der zuvor genannte Zündfunke in der Vorkammer erzeugt werden. Mittels des Zündfunkens kann das Kraftstoff-Luft-Gemisch, welches über die Öffnungen in die Vorkammer eingeströmt ist, in der Vorkammer entzündet, beziehungsweise gezündet und in der Folge verbrannt werden, sodass beispielsweise Flammen oder brennende Fackeln, die aus der Zündung und Verbrennung des Gemisches resultieren, über die Öffnungen aus der Vorkammer herausströmen und in den Brennraum gelangen beziehungsweise einströmen können. In der Folge wird beispielsweise das in dem Brennraum verbliebene Gemisch in dem Brennraum gezündet und verbrannt.
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Die jeweilige Öffnung weist beispielsweise einen jeweiligen, von dem Gemisch beziehungsweise von der jeweiligen Fackel durchströmbaren Strömungsquerschnitt auf. Der jeweilige Strömungsquerschnitt ist somit beispielsweise eine von dem Gemisch durchströmbare Fläche oder weist eine Fläche oder einen Flächeninhalt auf und ist von dem Gemisch durchströmbar.
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Um nun einen besonders vorteilhaften Betrieb der Verbrennungskraftmaschine realisieren zu können, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass bezogen auf eine gedachte beziehungsweise virtuelle, in Längserstreckungsrichtung der Vorkammer verlaufende und somit parallel zur Längserstreckungsrichtung der Vorkammer und somit der Vorkammerzündkerze insgesamt verlaufende Ebene, welche die Vorkammer in zwei gleich große Hälften teilt beziehungsweise unterteilt, mehrere, das heißt wenigstens zwei erste der Öffnungen in einer ersten der Hälften der Vorkammer und mehrere, das heißt wenigstens zwei zweite der Öffnungen in der zweiten Hälfte der Vorkammer angeordnet sind. Die jeweilige Hälfte der Vorkammer wird beispielsweise auch als Vorkammerhälfte bezeichnet. Dabei schließen die ersten Öffnungen mit der auch als erste Ebene bezeichneten Ebene einen jeweiligen, insbesondere in der ersten Hälfte liegenden, ersten Winkel ein. Mit anderen Worten schließt die jeweilige erste Öffnung beziehungsweise jede der ersten Öffnungen einen jeweiligen, beispielsweise in der ersten Hälfte liegenden beziehungsweise zur ersten Hälfte gehörenden ersten Winkel mit der Ebene ein. Außerdem schließen die zweiten Öffnungen mit der Ebene einen jeweiligen, insbesondere in der zweiten Hälfte liegenden, zweiten Winkel ein. Mit anderen Worten schließt die jeweilige zweite Öffnung beziehungsweise jede der zweiten Öffnungen einen jeweiligen, beispielsweise in der zweiten Hälfte liegenden beziehungsweise zur zweiten Hälfte gehörenden zweiten Winkel mit der Ebene ein. Unter dem Merkmal, dass die jeweilige Öffnung den jeweiligen Winkel mit der Ebene einschließt, ist insbesondere Folgendes zu verstehen: Die jeweilige Öffnung weist beispielsweise eine Durchtrittsrichtung auf, entlang derer die jeweilige Öffnung von dem Gemisch beziehungsweise von der jeweiligen Fackel durchströmbar ist. Die Durchtrittsrichtung ist beispielsweise gerade und verläuft somit beispielsweise entlang einer jeweiligen Öffnungsachse der jeweiligen Öffnung, wobei die jeweilige Öffnungsachse eine jeweilige Gerade ist. Somit ist die jeweilige Öffnung entlang der Gerade von dem Gemisch beziehungsweise von der Fackel durchströmbar. Dabei ist es insbesondere denkbar, dass der jeweilige Strömungsquerschnitt der jeweiligen Öffnung in einer jeweiligen Öffnungsebene verläuft, wobei die jeweilige Öffnungsebene senkrecht zur jeweiligen Öffnungsachse der jeweiligen Öffnung verläuft. Insbesondere kann die jeweilige Öffnung beziehungsweise der jeweilige Strömungsquerschnitt der jeweiligen Öffnung bezüglich der Öffnungsachse rotationssymmetrisch ausgebildet sein. Dabei schließt die jeweilige Öffnungsachse der jeweiligen ersten Öffnung mit der Ebene den jeweiligen ersten Winkel ein, und die Öffnungsachse der jeweiligen zweiten Öffnung schließt mit der Ebene den jeweiligen zweiten Winkel ein. Unter den jeweiligen Winkel, der von der jeweiligen Öffnung beziehungsweise der jeweiligen Öffnungsachse und der Ebene eingeschlossen wird, ist insbesondere der kleinste oder geringste der Winkel zu verstehen, die von der jeweiligen Öffnung beziehungsweise von der jeweiligen Öffnungsachse und der Ebene eingeschlossen werden.
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Des Weiteren ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Mittelwert der ersten Winkel größer als der Mittelwert der zweiten Winkel ist. Insbesondere ist unter dem jeweiligen Mittelwert der auch als arithmetisches Mittel bezeichnete, arithmetische Mittelwert zu verstehen. Somit ergibt sich beispielsweise der erste Mittelwert dadurch, dass die Summe der beziehungsweise aller ersten Winkel durch die Anzahl der beziehungsweise aller ersten Winkel dividiert, das heißt geteilt wird. Demzufolge ergibt sich beispielsweise der zweite Mittelwert dadurch, dass die Summe der beziehungsweise aller zweiten Winkel durch die Anzahl der beziehungsweise aller zweiten Winkel dividiert, das heißt geteilt wird.
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Außerdem ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Öffnungen um eine gedachte, in der Ebene verlaufende Achse herum rotationsasymmetrisch ausgestaltet sind. Hierunter ist beispielsweise insbesondere zu verstehen, dass die Öffnungen um die Achse herum und somit in um die Achse verlaufender Umfangsrichtung der Vorkammer beziehungsweise der Vorkammerzündkerze insgesamt asymmetrisch, das heißt ungleichmäßig verteilt angeordnet sind. Alternativ oder zusätzlich kann unter dem Merkmal, dass die Öffnungen um die Ache herum rotationsasymmetrisch ausgestaltet oder ausgebildet sind, verstanden werden, dass die oder alle Öffnungen um die Achse herum ungleichmäßig beziehungsweise ungeordnet, das heißt nicht gemäß einer regelmäßigen Reihenfolge aufeinanderfolgen, insbesondere im Hinblick auf die unterschiedlichen Winkel. Wieder mit anderen Worten ausgedrückt kann unter der rotationsasymmetrischen Ausgestaltung verstanden werden, dass die oder alle Winkel um die Achse herum ungleichmäßig beziehungsweise ungeordnet, das heißt nicht gemäß einer regelmäßigen Reihenfolge aufeinanderfolgen.
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Ferner ist es denkbar, dass zumindest zwei der Öffnungen in ihrer Geometrie, insbesondere in der Geometrie ihres jeweiligen Strömungsquerschnitts, voneinander unterscheiden und dabei, insbesondere um die Achse, eine rotationsasymmetrische Abfolge aufweisen. Dies bedeutet insbesondere, dass sich die Strömungsquerschnitte dieser zumindest zwei Öffnungen voneinander unterscheiden, insbesondere im Hinblick auf ihre Form und/oder Größe, das heißt Fläche oder Flächeninhalt, wobei die zumindest zwei Öffnungen oder vorzugsweise alle Öffnungen um die Achse herum eine rotationsasymmetrische Abfolge aufweisen. Dies bedeutet insbesondere, dass die zumindest zwei Öffnungen oder vorzugsweise alle Öffnungen um die Achse herum ungleichmäßig beziehungsweise ungeordnet, das heißt nicht gemäß einer regelmäßigen Reihenfolge aufeinanderfolgen.
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Da die Mittelwerte der Winkel voneinander unterschiedlich sind, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die beispielsweise als Bohrungen ausgebildeten Öffnungen in Umfangsrichtung der Vorkammer und somit beispielsweise um eine in Längserstreckungsrichtung der Vorkammer beziehungsweise parallel zur Längserstreckung der Vorkammer verlaufende Achse herum rotationsasymmetrisch angeordnet beziehungsweise ausgestaltet sind. Die zuvor genannte Achse ist beispielsweise eine beziehungsweise die auch als Hauptachse bezeichnete Längsmittelachse der Vorkammer, welche beispielsweise bezüglich der Achse beziehungsweise bezüglich der Längsmittelachse, welche auch als Längsachse bezeichnet wird, rotationssymmetrisch ausgebildet sein kann.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Öffnungen um die Achse herum, das heißt bezüglich der Achse, rotationsasymmetrisch ausgestaltet sind. Hierunter ist beispielsweise insbesondere zu verstehen, dass die Öffnungen um die Achse herum und somit in um die Achse verlaufender Umfangsrichtung der Vorkammer beziehungsweise der Vorkammerzündkerze insgesamt asymmetrisch, das heißt ungleichmäßig verteilt angeordnet sind. Alternativ oder zusätzlich kann unter dem Merkmal, dass die Öffnungen um die Ache herum rotationsasymmetrisch ausgestaltet oder ausgebildet sind, verstanden werden, dass sich zumindest zwei der Öffnungen in ihrer Geometrie, insbesondere in der Geometrie ihres jeweiligen Strömungsquerschnitts, voneinander unterscheiden. Dies bedeutet insbesondere, dass sich die Strömungsquerschnitte dieser zumindest zwei Öffnungen voneinander unterscheiden, insbesondere im Hinblick auf ihre Form und/oder Größe, das heißt Fläche oder Flächeninhalt.
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Durch die erfindungsgemäß vorgesehene, rotationsasymmetrische Anordnung beziehungsweise Ausgestaltung der Öffnungen sind die Öffnungen dazu ausgebildet, eine auch als walzenförmige Strömung, Walzenströmung oder Tumbleströmung bezeichnete tumbleförmige Strömung des die Öffnungen hindurchströmenden und dadurch über die Öffnungen in die Vorkammer einströmenden Kraftstoff-Luft-Gemisches zu bewirken. Mit anderen Worten, bei einem befeuerten Betrieb der Verbrennungskraftmaschine bewirken die Öffnungen beispielsweise durch ihre Anordnung und/oder ihre Anzahl und/oder ihre Geometrie eine tumbleförmige Strömung des einfach auch als Gemisch bezeichneten und die Öffnung durchströmenden und dadurch aus dem Brennraum in die Vorkammer einströmenden Kraftstoff-Luft-Gemisches, welches somit in der Vorkammer eine beziehungsweise die tumbleförmige Strömung aufweist. Wieder mit anderen Worten ausgedrückt prägen die beispielsweise als Durchgangsöffnungen ausgebildeten Öffnungen den die Öffnungen durchströmenden und dadurch aus dem auch als Hauptbrennraum bezeichneten Brennraum in die Vorkammer strömenden Gemisch ein auch als Tumbleströmung bezeichnete, zumindest im Wesentlichen tumbleförmige und somit walzenförmige Strömung auf, sodass sich ein besonders vorteilhafter Betrieb der Vorkammerzündkerze und somit der Verbrennungskraftmaschine insgesamt realisieren lässt. Die tumbleförmige Strömung ist eine Strömung, die in wenigstens oder genau einer Walzenebene zumindest im Wesentlichen walzenförmig ist. Diese Walzenebene verläuft beispielsweise in Längserstreckungsrichtung der Vorkammerzündkerze, wobei die Walzenebene beispielsweise die Ebene ist oder aber schräg oder senkrecht zu der zuvor genannten Ebene verläuft. Insbesondere verläuft die tumbleförmige Strömung walzenförmig um eine Walzenachse, welche senkrecht zur Walzenebene verläuft und somit eine oder die Ebenennormale der Walzenebene ist. Beispielsweise verläuft die Walzenachse in der zuvor genannten Ebene.
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Im Gegensatz zu einer insbesondere bezüglich der Achse rotationssymmetrischen Strömung, die sich beispielsweise schraubenartig oder ringartig um die Hauptachse beziehungsweise um die Lenkachse der Vorkammer erstreckt, ist die tumbleförmige Strömung eine auch als Walzenströmung bezeichnete, walzenförmige Strömung, die sich beispielsweise zumindest teilweise in der Walzenebene erstreckt beziehungsweise in der Walzenebene verläuft, in der beispielsweise die Achse, insbesondere die Hauptachse, liegt beziehungsweise verläuft. Die zuvor genannte, herkömmlicherweise vorgesehene rotationssymmetrische Strömung kann insbesondere aus einer insbesondere bezüglich der Achse rotationssymmetrischen Anordnung und Ausgestaltung der Öffnungen resultieren, wobei nun jedoch erfindungsgemäß eine bezüglich der Achse rotationsasymmetrische Anordnung beziehungsweise Ausgestaltung der Öffnungen vorgesehen ist.
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Durch die Tumbleströmung wird die Verbrennung in der Vorkammer auf mehreren Wegen positiv beeinflusst, wodurch ein besonders großer Arbeitsbereich der Vorkammerzündkerze beziehungsweise in der Vorkammer realisiert werden kann. Zum einen ergibt sich eine bessere Spülung von Restgas im Bereich eines Zündkerzenspalts, welcher beispielsweise durch jeweilige Elektroden, insbesondere durch jeweilige Enden der Elektroden, gebildet beziehungsweise begrenzt ist. Die Elektroden sind beispielsweise Elektroden der zuvor genannten Elektrodeneinrichtung. Die insbesondere freien Enden sind beispielsweise in der Vorkammer angeordnet. In dem Zündkerzenspalt ist beispielsweise mittels der Elektroden der Zündfunke zum Zünden des Gemisches in der Vorkammer erzeugbar. Durch die bessere Spülung kann eine stabilere Zündung gewährleistet werden. Im Vergleich zu herkömmlichen Zündkerzen ergibt sich eine günstigere Konvektion eines anfänglichen Flammenkerns in Richtung der auch als Düsen bezeichneten oder als Düsen ausgebildeten Öffnungen. Durch die bessere Spülung und durch die günstigere Konvektion kann eine verbrennungsgünstigere Gestaltung der jeweiligen Elektrode der Vorkammerzündkerze erreicht werden, insbesondere im Hinblick auf eine geringere Eindringtiefe der beispielsweise als Masseelektrode ausgebildeten Elektrode. Daraus resultiert eine geringere Oberfläche, woraus geringere Wandwärmeverluste resultieren. Hierdurch kann die Vorentflammungsneigung im Vergleich zu herkömmlichen Vorkammerzündkerzen reduziert werden.
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Bei herkömmlichen Vorkammerzündkerzen bewirken die Öffnungen insbesondere aufgrund ihrer rotationssymmetrischen Anordnung eine zumindest im Wesentlichen rotationssymmetrische Strömung des die Öffnungen durchströmenden und dadurch aus dem Brennraum in die Vorkammer einströmenden Gemisches. Nachteilig dabei ist, dass der anfängliche Flammenkern nicht oder weg von den auch als Vorkammerdüsen bezeichneten Öffnungen konvektiert wird. Um bei herkömmlichen Vorkammerzündkerzen hinreichend geringe Restgasgehalte im Bereich des Zündkerzenspalts sicherzustellen, muss üblicherweise eine lange Elektrode verwendet werden, die tief in die Vorkammer hineinragt. Dadurch ergeben sich eine zerklüftete Oberfläche in der Vorkammer sowie ein großes Schadvolumen. Die zuvor genannten Probleme und Nachteile können bei der erfindungsgemäßen Vorkammerzündkerze vermieden werden.
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Die Verbrennung in der Vorkammer wird durch die Tumbleströmung stabilisiert und verbessert. Dadurch wird das Arbeitsgebiet der Vorkammerzündkerze vergrößert, sodass eine stabilere Entflammung bei Leerlauf und ein geringeres Vorentflammungsrisiko bei Vorlast realisiert werden können. Weiterhin ergibt sich durch die bessere Verbrennung ein größerer Druckanstieg in der Vorkammer und folglich eine tiefere Fackeleindringtiefe in den Brennraum. Dadurch verbessert sich ebenfalls die Verbrennung in dem auch als Hauptbrennraum bezeichneten Brennraum. Unter der Fackeleindringtiefe ist insbesondere eine Strecke oder eine Tiefe oder ein Weg zu verstehen, die beziehungsweise den die Fackeln in die Vorkammer beziehungsweise in den Brennraum eindringen. Die jeweilige Fackel resultiert daraus, dass das Gemisch in der Vorkammer gezündet und in der Folge verbrannt wird.
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Herkömmlicherweise können Vorkammerzündkerzen nach der Strömungsstruktur in der Vorkammer unterschieden werden. Insbesondere gemäß dem Stand der Technik kann zwischen strukturlosen (chaotischen) Strömungsformen in der Vorkammer und rotationssymmetrischen Strömungsformen unterschieden werden. Die Strömungsstruktur wird insbesondere durch die Anordnung der Öffnungen und durch die Gestaltung der Öffnungen bestimmt. Die Anordnung der Öffnungen ist für rotationssymmetrische Strömungsstrukturen gemäß dem Stand der Technik rotationssymmetrisch um die zuvor genannte Achse, welche beispielsweise die Hauptachse der Vorkammer ist. Erfindungsgemäß ist nun jedoch eine rotationsasymmetrische Ausgestaltung und insbesondere Anordnung der Öffnungen vorgesehen, sodass sich ein besonders vorteilhafter Betrieb realisieren lässt.
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Um einen besonders vorteilhaften Betrieb zu realisieren, ist es bei einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass der jeweilige Winkel in einer jeweiligen, in Längserstreckungsrichtung der Vorkammer und somit parallel zur Vorkammer verlaufenden und sich schräg oder senkrecht zur ersten Ebene erstreckenden Winkelebene liegt. Insbesondere für wenigstens oder genau einen der ersten Winkel sowie beispielsweise für wenigstens oder genau einen der zweiten Winkel kann die Winkelebene die zuvor genannte Walzenebene sein.
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Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass sich die erste Ebene und die jeweilige Winkelebene in der gedachten Achse schneiden, wodurch ein besonders effizienter und effektiver Betrieb gewährleistet werden kann.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Vorkammer bezüglich der Achse rotationssymmetrisch ausgebildet ist. Hierdurch kann ein besonders vorteilhafter Betrieb realisiert werden.
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Um einen besonders vorteilhaften Betrieb realisieren zu können, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die beziehungsweise alle Öffnungen entlang eines gedachten Kreises, dessen Mittelpunkt auf der Achse liegt, angeordnet sind, wobei die erste Ebene den Kreis in zwei gleich große Kreishälften teilt. Eine erste der Kreishälften ist beispielsweise, insbesondere vollständig, in der ersten Hälfte der Vorkammer angeordnet, wobei beispielsweise die zweite Kreishälfte, insbesondere vollständig, in der zweiten Hälfte der Vorkammer angeordnet ist. Dadurch kann ein besonders effektiver und effizienter Betrieb dargestellt werden.
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In weiterer, besonders vorteilhafter Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass eine beziehungsweise die Anzahl der in der ersten Hälfte angeordneten ersten Öffnungen größer als eine beziehungsweise die Anzahl der in der zweiten Hälfte angeordneten zweiten Öffnungen ist. Hierdurch kann ein besonders vorteilhafter Betrieb gewährleistet werden.
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Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Summe der Strömungsquerschnitt der in der ersten Hälfte angeordneten ersten Öffnungen größer als die Summe der Strömungsquerschnitte der in der zweiten Hälfte angeordneten zweiten Öffnungen ist. Dadurch kann beispielsweise eine besonders vorteilhafte tumbleförmige Strömung des Gemisches in der Vorkammer realisiert werden.
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Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die beziehungsweise alle Strömungsquerschnitte der in der ersten Hälfte angeordneten ersten Öffnungen größer als die beziehungsweise alle Strömungsquerschnitt der in der zweiten Hälfte angeordneten zweiten Öffnungen sind. Dadurch können besonders vorteilhafte Strömungsbedingungen und somit ein besonders vorteilhafter Betrieb gewährleistet werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Mittelwert der beziehungsweise aller Strömungsquerschnitte der der ersten Hälfte angeordneten ersten Öffnungen größer als der Mittelwert der Strömungsquerschnitte der in der zweiten Hälfte angeordneten zweiten Öffnungen. Auch unter diesen jeweiligen Mittelwerten ist vorzugsweise das jeweilige arithmetische Mittel zu verstehen.
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Beispielsweise sind die jeweiligen Öffnungen und somit die jeweiligen Strömungsquerschnitte, insbesondere alle Strömungsquerschnitte, kreisrund, sodass der jeweilige Strömungsquerschnitt einen jeweiligen Durchmesser aufweist. Dabei ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die beziehungsweise alle Durchmesser der in der ersten Hälfte angeordneten ersten Öffnungen größer als die beziehungsweise alle Durchmesser der in der zweiten Hälfte angeordneten zweiten Öffnungen sind.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine vorzugsweise als Hubkolbenmaschine ausgebildete Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, welches vorzugsweise als Kraftwagen und ganz vorzugsweise als Personenkraftwagen oder als Nutzfahrzeug ausgebildet sein kann. Die Verbrennungskraftmaschine weist wenigstens einen Brennraum auf. Der Brennraum ist beispielsweise teilweise durch einen Zylinder und durch einen translatorisch bewegbar in dem Zylinder angeordneten Kolben der Verbrennungskraftmaschine begrenzt, wobei der Zylinder beispielsweise durch ein insbesondere als Kurbelgehäuse oder Zylinderkurbelgehäuse ausgebildetes Motorgehäuse der Verbrennungskraftmaschine gebildet oder begrenzt ist. Außerdem ist der Brennraum beispielsweise teilweise durch ein Brennraumdach begrenzt, welches beispielsweise durch einen separat von dem Motorgehäuse ausgebildeten und mit dem Motorgehäuse verbundenen Zylinderkopf gebildet ist. Die Verbrennungskraftmaschine weist außerdem wenigstens eine dem Brennraum zugeordnete Vorkammerzündkerze auf, welche beispielsweise zumindest teilweise in dem Brennraum angeordnet ist. Die Vorkammerzündkerze umfasst eine Vorkammer mit mehreren, beispielsweise als Bohrungen ausgebildeten Öffnungen, über die die Vorkammer fluidisch mit dem auch als Hauptbrennraum bezeichneten Brennraum verbunden ist. Über die Öffnungen kann ein auch einfach als Gemisch bezeichnetes Kraftstoff-Luft-Gemisch aus dem Brennraum in die Vorkammer eingeleitet werden beziehungsweise einströmen. Mit anderen Worten wird beispielsweise in dem Brennraum das zuvor genannte Kraftstoff-Luft-Gemisch gebildet oder das Kraftstoff-Luft-Gemisch wird in den Brennraum eingeleitet. Beispielsweise werden in den Brennraum Kraftstoff, insbesondere flüssiger Kraftstoff, und Luft eingebracht. Beispielsweise wird der Kraftstoff direkt in den Brennraum eingespritzt. Das zuvor genannte Gemisch umfasst dabei die Luft und den Kraftstoff, die in den Brennraum eingebracht werden beziehungsweise wurden.
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Zumindest ein Teil des Gemisches aus dem Brennraum kann die Öffnungen durchströmen und somit über die Öffnungen in die Vorkammer einströmen. In der Vorkammer kann der Teil des Gemisches gezündet und verbrannt werden, woraus die zuvor beschriebenen Fackeln resultieren. Die Fackeln können dann über die Öffnungen aus der Vorkammer ausströmen und in den Hauptbrennraum einströmen und dort das übrige, in dem Hauptbrennraum verbliebene Gemisch zünden und in der Folge verbrennen. Die jeweilige Öffnung weist dabei beispielsweise einen jeweiligen, von dem Gemisch beziehungsweise von der jeweiligen Fackel durchströmbaren Strömungsquerschnitt auf.
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Um nun einen besonders vorteilhaften Betrieb realisieren zu können, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass bezogen auf eine gedachte beziehungsweise virtuelle, in Längserstreckungsrichtung der Vorkammer verlaufende und die Vorkammer in zwei gleichgroße Hälften teilende Ebene mehrere erste der Öffnungen in einer ersten der Hälften und mehrere zweite der Öffnungen in der zweiten Hälfte der Vorkammer angeordnet sind. Dabei schließen die ersten Öffnungen mit der Ebene einen jeweiligen ersten Winkel ein, und die zweiten Öffnungen schließen mit der Ebene einen jeweiligen zweiten Winkel ein. Dabei ist der Mittelwert der beziehungsweise aller ersten Winkel größer als der Mittelwert der beziehungsweise aller zweiten Winkel. Außerdem ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Öffnungen, insbesondere im Hinblick auf ihre jeweiligen Winkel, um eine gedachte, in der Ebene verlaufende Achse herum rotationsasymmetrisch ausgestaltet sind. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts der Erfindung sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt.
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Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein vorzugsweise als Kraftwagen ausgebildetes Kraftfahrzeug, welches eine erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung aufweist. Dabei ist das Kraftfahrzeug mittels der Verbrennungskraftmaschine antreibbar. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten und zweiten Aspekts der Erfindung sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des dritten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
- 1 eine schematische und geschnittene Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorkammerzündkerze für einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs; und
- 2 eine schematische Ansicht der Vorkammerzündkerze entlang einer in 1 mit B bezeichneten Blickrichtung.
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt in einer schematischen und geschnittenen Seitenansicht eine Vorkammerzündkerze 10 für einen beispielsweise durch einen Zylinder gebildeten oder als Zylinder ausgebildeten oder durch einen Zylinder zumindest teilweise begrenzten Brennraum einer beispielsweise als Hubkolbenmaschine ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Kraftwagens wie beispielsweise eines Personenkraftwagens oder eines Nutzfahrzeugs. Das Kraftfahrzeug ist mittels der Verbrennungskraftmaschine antreibbar. Die Vorkammerzündkerze 10 weist wenigstens oder genau eine Vorkammer 12 auf, deren Kontur in 1 mit 14 bezeichnet ist. Die Vorkammer 12 weist mehrere, auch als Düsen bezeichnete und als Durchgangsöffnungen ausgebildete Öffnungen 16 auf, welche auch besonders gut aus 2 erkennbar sind. Über die Öffnungen 16 ist die Vorkammer 12 fluidisch mit dem auch als Hauptbrennraum bezeichneten Brennraum verbindbar oder verbunden. In ihrem vollständig hergestellten Zustand weist die Verbrennungskraftmaschine den zuvor genannten Brennraum und die Vorkammerzündkerze 10 auf, sodass im vollständig hergestellten Zustand der Verbrennungskraftmaschine in die Vorkammer 12 über die Öffnungen 16 fluidisch mit dem Brennraum verbunden ist. Hierdurch kann ein einfach auch als Gemisch bezeichnetes Kraftstoff-Luft-Gemisch aus dem auch als Hauptbrennraum bezeichneten Brennraum zumindest teilweise durch die Öffnungen 16 hindurchströmen und dadurch in die Vorkammer 12 strömen, sodass zumindest ein Teil des Gemisches aus dem Brennraum die Öffnungen 16 hindurchströmen und somit über die Öffnungen 16 in die Vorkammer 12 strömen kann beziehungsweise strömt. Der Brennraum wird beispielsweise auch durch einen Kolben der Verbrennungskraftmaschine beg renzt.
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Die Vorkammerzündkerze 10 weist wenigstens oder genau zwei zumindest teilweise in der Vorkammer 12 angeordnete Elektroden 18 und 20 einer Elektrodeneinrichtung 22 auf. Insbesondere sind jeweilige, freie Enden EN1 und EN2 der Elektroden 18 und 20 in der Vorkammer 12 angeordnet und voneinander beabstandet. Die Elektrode 18 ist beispielsweise eine sogenannte Mittelelektrode, wobei die Elektrode 20 beispielsweise als eine sogenannte Massenelektrode oder Masseelektrode ausgebildet ist. Mittels der Elektrodeneinrichtung 22, insbesondere mittels der Elektroden 18 und 20, ist in der Vorkammer 12, insbesondere während eines befeuerten Betriebs der Verbrennungskraftmaschine und/oder innerhalb eines jeweiligen Arbeitsspiels der Verbrennungskraftmaschine, wenigstens ein Zündfunke, insbesondere an einem auch als Funkenort bezeichneten Zündorts, erzeugbar. Insbesondere kann der Zündfunke mittels der Elektroden 18 und 20 zwischen den Elektroden 18 und 20, insbesondere zwischen den Enden EN1 und EN2 erzeugt werden, sodass beispielsweise die Elektroden 18 und 20, insbesondere die Enden EN1 und EN2, den Zündort bilden, definieren, eingrenzen oder begrenzen. Mittels des Zündfunkens kann das Gemisch, welches über die Öffnungen 16 in die Vorkammer 12 eingeströmt ist, gezündet werden, wodurch das Gemisch in der Vorkammer 12 verbrannt wird. Daraus resultieren brennende Fackeln, die die Öffnungen 16 durchströmen und somit über die Öffnungen 16 aus der Vorkammer 12 in den Brennraum strömen. Dadurch wird beispielsweise ein in dem Hauptbrennraum verbleibender Teil des Gemisches gezündet und in der Folge verbrannt, wodurch der Kolben angetrieben wird. Wieder mit anderen Worten ausgedrückt kann mittels der Elektroden 18 und 20 der Zündfunke am Zündort in der Vorkammer 12 erzeugt beziehungsweise bereitgestellt werden.
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In 1 und 2 ist eine erste, gedachte Ebene E1 erkennbar, welche in Längserstreckungsrichtung der Vorkammer 12 und somit der Vorkammerzündkerze 10 insgesamt verläuft. Mit anderen Worten verläuft die Ebene E1 parallel zur Längserstreckungsrichtung der Vorkammer 12 beziehungsweise der Vorkammerzündkerze 10, wobei die Längserstreckungsrichtung in 1 durch einen Doppelpfeil 24 veranschaulicht ist. Außerdem ist in 1 und 2 eine Achse A erkennbar, welche eine oder die Hauptachse der Vorkammer 12 und somit der Vorkammerzündkerze 10 ist. Die Hauptachse wird auch als Längsachse oder als Längsmittelachse bezeichnet, wobei beispielsweise die Vorkammer 12 bezüglich der Achse A rotationssymmetrisch ausgebildet ist. Die Achse A liegt dabei in der oder verläuft in der Ebene E1, wobei die Ebene E1 senkrecht zur Bildebene von 1 und senkrecht zur Bildebene von 2 verläuft. Beispielsweise sind die Öffnungen 16 um die Achse A herum insbesondere entlang eines Kreises oder auf einem Kreis angeordnet, dessen Mittelpunkt beispielsweise auf der Achse A liegt.
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Aus 1 und 2 ist erkennbar, dass die gedachte Ebene E1 die Vorkammer 12 in zwei gleich große, auch als Kammerhälften oder Vorkammerhälften bezeichnete Hälften H1 und H2 teilt beziehungsweise unterteilt. Dabei sind mit B1 bezeichnete, erste der Öffnungen 16, insbesondere vollständig, in der ersten Hälfte H1 angeordnet, wobei zweite, mit B2 bezeichnete der Öffnungen 16, insbesondere Vollständig, in der zweiten Hälfte H2 angeordnet sind.
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Außerdem ist in 2 eine gedachte beziehungsweise virtuelle zweite Ebene E2 erkennbar. Die zweite, gedachte Ebene E2 verläuft ebenfalls parallel zur Längserstreckungsrichtung beziehungsweise in Längserstreckungsrichtung der Vorkammer 12 und somit der Vorkammerzündkerze 10, wobei die zweite Ebene E2 gleichzeitig senkrecht zur ersten Ebene E1 verläuft. Dabei schneiden sich die Ebenen E1 und E2 in der Achse A, wie besonders gut aus 2 erkennbar ist. Wie im Folgenden noch genauer erläutert wird, ist die Ebene E2 eine Walzenebene.
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Aus 1 ist am Beispiel einer der Öffnungen B1 erkennbar, dass die jeweilige erste Öffnung B1 beziehungsweise jede der ersten Öffnungen B1 einen jeweiligen ersten Winkel α1 mit der ersten Ebene E1 einschließt, wobei der jeweilige erste Winkel α1 beispielsweise in der ersten Hälfte H1 liegt beziehungsweise zur ersten Hälfte H1 gehört oder auf Seiten der Hälfte H1 angeordnet ist. Außerdem schließt die jeweilige zweite Öffnung B2 beziehungsweise jede der zweiten Öffnungen B2 mit der ersten Ebene E1 einen jeweiligen zweiten Winkel α2 ein, welcher beispielsweise in der zweiten Hälfte H2 liegt beziehungsweise zur zweiten Hälfte H2 oder auf Seiten der zweiten Hälfte H2 angeordnet ist. Dabei ist der arithmetische Mittelwert der beziehungsweise aller ersten Winkel α1 größer als der arithmetische Mittelwert der beziehungsweise aller zweiten Winkel α2.
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Im Folgenden werden die Winkel α1 und α2 näher erläutert: Wie aus 1 am Beispiel der dort erkennbaren Öffnungen B1 und B2 erkennbar ist, weist die jeweilige erste Öffnung B1 eine jeweilige Öffnungsachse 26a auf, und die jeweilige zweite Öffnung B2 weist eine jeweilige Öffnungsachse 26b auf. Außerdem ist die jeweilige Öffnung 16 über ihre komplette Erstreckung hinweg geradlinig ausgebildet. Die jeweilige Öffnungsachse 26a beziehungsweise 26b ist eine Gerade und verläuft entlang einer Durchtrittsrichtung beziehungsweise fällt mit einer jeweiligen Durchtrittsrichtung der jeweiligen Öffnung B1 beziehungsweise B2 zusammen, wobei die jeweilige Öffnung B1 beziehungsweise B2 entlang der Durchtrittsrichtung von dem Gemisch beziehungsweise von der jeweiligen Fackel durchströmbar ist. Insbesondere ist die jeweilige Öffnung B1 beziehungsweise B2 bezüglich ihrer jeweiligen Öffnungsachse 26a beziehungsweise 26b, welche eine gedachte beziehungsweise virtuelle Achse ist, rotationssymmetrisch ausgebildet. Dabei ist unter dem Merkmal, dass die jeweilige Öffnung B1 den jeweiligen Winkel α1 mit der Ebene E1 einschließt, zu verstehen, dass die jeweilige Öffnungsachse 26a der jeweiligen Öffnung B1 den jeweiligen Winkel α1 mit der Ebene E1 einschließt. Demzufolge ist unter dem Merkmal, dass die jeweilige Öffnung B2 den jeweiligen Winkel α2 mit der Ebene E1 einschließt, zu verstehen, dass die jeweilige Öffnungsachse 26b der jeweiligen Öffnung B2 den jeweiligen Winkel α2 mit der Ebene E1 einschließt.
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Durch die beschriebene Ausgestaltung der Öffnungen 16 sind die Öffnungen 16 dazu ausgebildet, eine zumindest im Wesentlichen tumbleförmige, das heißt walzenförmige Strömung des die Öffnungen 16 durchströmenden und dadurch über die Öffnungen 16 in die Vorkammer 12 einströmenden Gemisches zu bewirken, wobei die tumbleförmige Strömung des Gemisches in der Vorkammer 12 stattfindet beziehungsweise erfolgt. Diese tumbleförmige Strömung des Gemisches in der Vorkammer 12 ist in 1 durch Pfeile 28 und 30 veranschaulicht. Insbesondere anhand des Pfeils 30 ist erkennbar, dass die tumbleförmige Strömung in einer Walzenebene walzenförmig verläuft, wobei die Walzenebene beispielsweise parallel zu der Ebene E2 verläuft oder die Ebene E2 ist. Insbesondere veranschaulichen die in 1 gezeigten Pfeile 28 und 30 eine auch als Strömungskontur bezeichnete Kontur der tubleförmigen Strömung. Insbesondere verläuft die tumbleförmige Strömung walzenförmig um eine oder die Ebenennormale der Walzenebene, wobei die Ebenennormale beispielsweise in der Ebene E1 und dabei senkrecht zur Achse A verläuft.
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Da der Mittelwert der beziehungsweise aller ersten Winkel α1 größer als der Mittelwert der beziehungsweise aller zweiten Winkel α2 ist, sind die Öffnungen 16 um die Achse A herum rotationsasymmetrisch ausgestaltet beziehungsweise angeordnet, wodurch die tumbleförmige Strömung besonders vorteilhaft realisiert werden kann. Insbesondere wird die tumbleförmige Strömung somit durch die Verteilung der Öffnungen 16 um die Achse A herum und/oder durch eine entsprechende Anzahl der Öffnungen 16 und/oder durch eine jeweilige Geometrie der Öffnungen 16, insbesondere deren Strömungsquerschnitte, bewirkt. Insbesondere wird jener Winkel α1 beziehungsweise a2 beziehungsweise jener Winkelsektor von α1 und α2 herangezogen, der den kleinsten Zahlenwert aufweist. Wieder mit anderen Worten ausgedrückt ist vorzugsweise der jeweilige Winkel α1 beziehungsweise a2 der kleinste der Winkel, der von der jeweiligen Öffnung B1 beziehungsweise B2 beziehungsweise von der jeweiligen Öffnungsachse 26a beziehungsweise 26b und der Ebenen E1 eingeschlossen wird.
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Außerdem ist in 1 mit EB ein Elektrodenbereich bezeichnet, in welchem beispielsweise die Elektroden 18 und 20, insbesondere ihre Enden EN1 und EN2, in der Vorkammer 12 angeordnet sind. Durch die tumbleförmige Strömung kann ein auch als Schadvolumen bezeichnetes Volumen V der Vorkammer 12 besonders gering gehalten werden, sodass ein besonders großer Arbeitsbereich der Vorkammerzündkerze 10 realisiert werden kann. Somit kann ein besonders vorteilhafter Betrieb dargestellt werden.
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Die Öffnungen 16 sind in, insbesondere die Achse A verlaufender, Umfangsrichtung der Vorkammer 12 beziehungsweise Vorkammerzündkerze 10 aufeinanderfolgend angeordnet, wobei die Umfangsrichtung in 1 durch einen Doppelpfeil 32 veranschaulicht ist.
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Die Tumbleströmung besitzt ein Strömungszentrum, welches orthogonal zur Hauptachse beziehungsweise zur Achse A der Vorkammer 12 ist. Das Strömungszentrum ist eine zuvor genannte Walzenachse, um welche die Tumbleströmung walzenförmig verläuft. Die Walzenachse verläuft vorwiegend senkrecht beziehungsweise orthogonal zur Ebene E2 und beispielsweise in der Ebene E1 oder parallel zur Ebene E1, sodass beispielsweise die Ebene E2 die zuvor genannte Walzenebene ist. Dabei kann die Tumbleströmung definiert werden als Strömungsstruktur, bei welcher die Strömung des Gemisches in der zweiten Hälfte H2 von den Öffnungen 16 aufwärts in Richtung des Elektrodenbereichs EB strömt, was auch als Aufwärtsströmung bezeichnet wird. Daraufhin durchströmt die Strömung den Elektrodenbereich EB, woraufhin die Strömung vom Elektrodenbereich EB abwärts wegströmt und dabei in Richtung der Öffnungen 16 strömt, was auch als Abwärtsströmung bezeichnet wird. Dadurch ist die Tumbleströmung eine strukturierte Strömungsform, welche allerdings nicht rotationssymmetrisch zur Vorkammerhauptachse beziehungsweise zur Hauptachse der Vorkammer 12 ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Vorkammerzündkerze
- 12
- Vorkammer
- 14
- Kontur
- 16
- Öffnung
- 18
- Elektrode
- 20
- Elektrode
- 22
- Elektrodeneinrichtung
- 24
- Doppelpfeil
- 26a
- Öffnungsachse
- 26b
- Öffnungsachse
- 28
- Pfeil
- 30
- Pfeil
- 32
- Doppelpfeil
- A
- Achse
- B1
- Öffnung
- B2
- Öffnung
- EB
- Elektrodenbereich
- EN1
- Ende
- EN2
- Ende
- E1
- Ebene
- E2
- Ebene
- H1
- Hälfte
- H2
- Hälfte
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2700796 A1 [0002]
- US 2013/0055986 A1 [0002]
