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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Anordnung einer Zündkerze in einer aus einem metallischen Werkstoff bestehenden Zündkerzenhülse, die zur Aufnahme eines Isolatorkörpers der Zündkerze eine exzentrisch zu ihrem äußeren Befestigungsabschnitt verlaufende zylindrische Aufnahme aufweist, so dass sich ein mit größerer Wandstärke ausgebildeter Wandabschnitt der Zündkerzenhülse ergibt, wobei an einem im Durchmesser reduzierten Ende der Aufnahme eine stirnseitig von der Zündkerzenhülse ausgehende Masseelektrode vorgesehen ist und diese zur Erzeugung einer Zündfunkenstrecke mit einer über den Isolatorkörper axial vorstehenden Mittelelektrode zusammenwirkt, wobei innerhalb des mit größerer Wandstärke ausgebildeten Wandabschnitts ein Brennstoffkanal verläuft, dessen Austritt, der Zündfunkenstrecke benachbart, in der Zündkerzenhülse vorgesehen ist, und wobei dem Brennstoffkanal ein Rückschlagventil zugeordnet ist.
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Weiterhin betrifft die Erfindung eine Anordnung einer Zündkerze in einer aus einem metallischen Werkstoff bestehenden Zündkerzenhülse, die zur Aufnahme eines Isolatorkörpers der Zündkerze eine exzentrisch zu ihrem äußeren Befestigungsabschnitt verlaufende zylindrische Aufnahme aufweist, so dass sich ein mit größerer Wandstärke ausgebildeter Wandabschnitt der Zündkerzenhülse ergibt, an deren stirnseitigem Ende eine Masseelektrode vorgesehen ist und diese zur Erzeugung einer Zündfunkenstrecke mit einer über den Isolatorkörper axial vorstehenden Mittelelektrode zusammenwirkt, wobei innerhalb des mit größerer Wandstärke ausgebildeten Wandabschnitts ein Brennstoffkanal verläuft, und wobei ein eine Brennstoffleitung bildendes Zuführrohr, in dem ein Rückschlagventil angeordnet ist, an einem Ende mit einem Eintritt des Brennstoffkanals verbunden ist.
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Die Erfindung betrifft auch eine Anordnung einer aus einer Zündvorrichtung und einer Zuführung für ein gasförmiges Additiv bestehenden Zünd- und Einblasvorrichtung in einem Zylinderkopf einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, wobei die als Zündkerze ausgebildete Zündvorrichtung in einer zylindrischen Aufnahme einer aus einem metallischen Werkstoff bestehenden Zündkerzenhülse angeordnet ist und mit ihrem eine Masseelektrode und eine Mittelelektrode aufweisenden Ende unmittelbar in einen Brennraum der Hubkolbenbrennkraftmaschine ragt, und wobei innerhalb der Zündkerzenhülse ein Brennstoffkanal verläuft, der sich bis zu deren dem Brennraum zugewandten Stirnseite erstreckt.
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Schließlich betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung einer aus einem metallischen Werkstoff bestehenden Zündkerzenhülse einer Zünd- und Einblasvorrichtung, deren zylindrische Aufnahme für eine Zündkerze zur Bildung eines mit größerer Wandstärke ausgeführten Wandabschnittes exzentrisch angeordnet ist, wobei sich innerhalb dieses Wandabschnittes ein zwischen Stirnseiten der Zündkerzenhülse verlaufender Brennstoffkanal erstreckt.
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Stand der Technik
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Optimierungspotenziale für Verbrennungsmotoren sind weitgehend ausgeschöpft, wobei ein zur Einhaltung gesetzlicher Grenzwerte erforderlicher Aufwand für die Abgasnachbehandlung extrem teuer ist. Andererseits zeichnet sich ab, dass der verbrennungsmotorische Antrieb zukünftig teilweise durch einen elektromotorischen Antriebsstrang abgelöst werden kann. Trotz des prognostizierten Strukturwandels vom Verbrennungsmotor hin zum Elektromotor wird davon ausgegangen, dass auch zukünftig noch ein verhältnismäßig großer Anteil von Fahrzeugen, insbesondere Nutzfahrzeugen und Arbeitsmaschinen mit verbrennungsmotorischen Antriebssystemen ausgerüstet werden wird. Daher gibt es nach wie vor Weiterentwicklungen des Verbrennungsmotors, im Rahmen welcher alle Potenziale, auch bekannte aus der Vergangenheit, z.B. eine variable Verdichtung, in Betracht gezogen werden. Zu diesen Potentialen gehört auch der Magerbetrieb mit einer als „lean burn engine“ bekannten Ausführung des Ottomotors. Im Übrigen werden Weiterentwicklungen des Wasserstoffverbrennungsmotors durchgeführt, bei denen es unter anderem um die Gemischbildung geht. Eines der Verfahren ist dabei die innere Gemischbildung, bei der gasförmiger Wasserstoff unter hohem Druck direkt in den Verbrennungsraum eingeblasen und das Ladungsgemisch über eine Zündkerze gezündet wird.
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Aus der
DE 10 2017 130 984 A1 ist eine mit den gattungsbildenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgeführte Anordnung und Ausgestaltung einer Zündkerze bekannt. Gemäß der
4 dieser Druckschrift, die den Stand der Technik zeigt, soll eine Zündkerze exzentrisch zu einer Zündkerzenhülse angeordnet sein, um Platz für die Versorgung mit einem Vorkammerfluid zu schaffen, welches über einen Brennstoffkanal mit einer Fließrichtung F eingeleitet wird. Ein Rückschlagventil soll dafür sorgen, dass die durch die Verbrennung verursachte Druckerhöhung kein Vorkammerfluid gegen die Fließrichtung F aus dem Brennstoffkanal austreiben kann. Das Vorkammerfluid wird dabei über ein Zuführrohr, das an der Zündkerzenhülse fixiert ist, in den Brennstoffkanal geleitet. Innerhalb dieses Zuführrohres ist das Rückschlagventil angeordnet. Als Vorkammerfluid soll ein brennbares Gas, wie beispielsweise H
2, CH
4 und/oder Kraftstoff verwendet werden. Insbesondere
H2 ist durch seine hohe Diffusionsgeschwindigkeit, weite Zündgrenzen und geringer Entflammungsenergiebedarf sehr geeignet.
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Weiterhin ist aus den
1 und
4 der
DE 38 28 764 A1 eine Anordnung einer aus einer Zündvorrichtung und einer Zuführung für ein als Wasserstoff ausgeführtes gasförmiges Additiv bestehenden Einrichtung in einem Zylinderkopf einer Hubkolbenbrennkraftmaschine bekannt, die der Gattung des Patentanspruchs 5 entspricht. Anhand eines Blockschaltbildes werden schematisch der Weg des Wasserstoffes, der Signalweg für die Ansteuerung eines Einblasventils und die Ansteuerung der Zündung erläutert. In unmittelbarer Umgebung einer Kerzenelektrode einer Zündkerze wird das über einen Brennstoffkanal zuströmende zündfähige Wasserstoff-Luft-Gemisch gebildet und vom Funken der Zündkerze gezündet, so dass die Verbrennung eingeleitet wird. Ein Rückschlagventil zwischen einem Drosselventil und dem Einblasventil soll eine Rückströmung von Frischgas während der Verdichtung und von Abgas während der Verbrennung in das Wasserstoffversorgungssystem verhindern. Die Zündkerze ist bei einem Ausführungsbeispiel mit der als Adapter bezeichneten Zündkerzenhülse im Zylinderkopf fixiert, wobei die Zündkerzenhülse die Zündkerze über eine zentrische Aufnahme aufnimmt. Der als Brennstoff dienende Wasserstoff strömt dann durch eine lange Düse mit sehr geringem Innendurchmesser, damit ein Rückschlagen der Flamme in die Versorgungsleitung verhindert wird. Das Rückschlagventil ist am Austritt des Brennstoffkanals angeordnet und als Membranflatterventil ausgebildet, wobei dieses aus einem aufgerollten Federstahlstreifen bestehen soll, der eine Federfunktion übernimmt und gleichzeitig am beweglichen Ende als Dichtfläche ausgelegt ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine den Wirkungsgrad eines Ottomotors verbessernde und dessen schädliche Abgasbestandteile reduzierende Einrichtung an diesem vorzusehen und für diese eine Bauraum sparende Anordnung vorzusehen. Weiterhin soll die Herstellung einer entsprechenden Einrichtung verbessert werden.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils der unabhängigen Patentansprüche 1, 2, 5 und 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in dem von Patentanspruch 1 abhängigen Patentanspruch 4 wiedergegeben.
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Danach geht die Erfindung von einer Anordnung einer Zündkerze in einer aus einem metallischen Werkstoff bestehenden Zündkerzenhülse aus, die zur Aufnahme eines Isolatorkörpers der Zündkerze eine exzentrisch zu ihrem äußeren Befestigungsabschnitt verlaufende zylindrische Aufnahme aufweist. Dadurch wird ein mit größerer Wandstärke ausgebildeter Wandabschnitt der Zündkerzenhülse geschaffen. Weiterhin ist an einem im Durchmesser reduzierten Ende der Aufnahme eine stirnseitig von der Zündkerzenhülse ausgehende Masseelektrode vorgesehen, wobei diese zur Erzeugung einer Zündfunkenstrecke mit einer von dem Isolatorkörper ausgehenden Mittelelektrode zusammenwirkt. Innerhalb des mit größerer Wandstärke ausgebildeten Wandabschnitts verläuft ein Brennstoffkanal, dessen Austritt, der Zündfunkenstrecke benachbart, in der Zündkerzenhülse vorgesehen ist, und wobei dem Brennstoffkanal ein Rückschlagventil zugeordnet ist.
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Dabei ist das Rückschlagventil von der Austrittsseite des Brennstoffkanals her in diesen eingesetzt. Dadurch tritt eine geringere thermische Belastung des im Brennstoffkanal angeordneten Rückschlagventils auf, und das Rückschlagventil ist auch nicht unmittelbar dem während der Verbrennung im Verbrennungsraum auftretenden Abgas ausgesetzt. Außerdem wird durch dessen Anordnung in den Brennstoffkanal von der Austrittsseite her, der Einbau erheblich vereinfacht. Als Brennstoff, der über den Brennstoffkanal in den Verbrennungsraum eingeblasen wird, ist insbesondere H2 wegen seiner hohen Diffusionsgeschwindigkeit, weiter Zündgrenzen und geringen Entflammungsenergiebedarfs sehr geeignet.
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Im eingangs erwähnten Magerbetrieb (lean burn) einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einem sehr mageren Kraftstoff-/Luftgemisch (Lambda > 2) wird doppelt so viel Luft wie für die stöchiometrische Verbrennung benötigt. Diese mageren Gemische können mit flüssigen oder gasförmigen Kohlenwasserstoffen (z.B. Benzin, Erdgas) aber nicht sicher mit einem Zündfunken entflammt werden. Daher wird vorliegend in vorteilhafter Weise mittels der den Brennstoffkanal aufnehmenden Zündkerze ein Entflammungsgemisch (z.B. Wasserstoff/Luft) durch innere Gemischbildung räumlich als Wolke um die Kerzenelektroden (im Bereich der Funkenstrecke) herum erzeugt und durch den Zündfunken entflammt. Diese initiale Flamme pflanzt sich dann als turbulente Flammenfront im mageren Kohlenwasserstoff / Luft-Hauptgemisch fort. Das Entflammungsgemisch trägt dabei vernachlässigbar wenig zur gesamten Energieumsetzung bei.
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An Stelle eines von der Austrittsseite des Brennstoffkanals her in diesen eingesetzten Rückschlagventils ist demgegenüber nach der
DE 10 2017 130 984 A1 bei der als Stand der Technik angegebenen Ausführungsform vorgesehen, diese im Zuführrohr anzuordnen. Dabei soll das Rückschlagventil von einer Eintrittsseite für den Brennstoff her in den Leitungsquerschnitt des Zuführrohres eingesetzt sein.
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Die Aufgabe wird auch dadurch gelöst, das Zuführrohr einen Bohrungsabschnitt aufweist, der dem Eintritt des in der Zündkerzenhülse verlaufenden Brennstoffkanals zugewandt und radial erweitert ist, und dass das Rückschlagventil von dem Ende des erweiterten Bohrungsabschnitts her in diesen eingesetzt ist. Das Rückschlagventil kann somit in einfacher Weise vor der Verbindung des Zuführrohres mit der Zündkerzenhülse von dem für die entsprechende Verbindung vorgesehenen Ende her in den erweiterten Bohrungsabschnitt eingesetzt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung soll das Rückschlagventil einen kugel- oder kegelförmigen Sperrkörper aufweisen, der in Schließrichtung durch eine Ventilfeder beaufschlagt ist, wobei sich die Ventilfeder an einem ringförmigen Absatz des Brennstoffkanals oder der in dem Zuführrohr verlaufenden Brennstoffleitung abstützt. Dabei kann, wie weiterhin vorgesehen, ein mit dem Sperrkörper zusammenwirkender Ventilsitz des Rückschlagventils unmittelbar im Zuführrohr am Ende des erweiterten Bohrungsabschnittes ausgebildet sein.
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Weiterhin geht die Erfindung von einer Anordnung einer aus einer Zündvorrichtung und einer Zuführung für ein gasförmiges Additiv bestehenden Zünd- und Einblasvorrichtung in einem Zylinderkopf einer Hubkolbenbrennkraftmaschine aus, wobei die als Zündkerze ausgebildete Zündvorrichtung in einer zylindrischen Aufnahme einer aus einem metallischen Werkstoff bestehenden Zündkerzenhülse angeordnet ist und mit ihrem eine Masseelektrode und eine Mittelelektrode aufweisenden Ende unmittelbar in einen Verbrennungsraum der Hubkolbenbrennkraftmaschine ragt. Dabei verläuft innerhalb der Zündkerzenhülse ein Brennstoffkanal, der sich bis zu deren dem Verbrennungsraum zugewandter Stirnseite erstreckt.
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Dabei ist vorgesehen, dass die Aufnahme exzentrisch in der Zündkerzenhülse angeordnet ist, dass der Brennstoffkanal in einem aufgrund der Exzentrizität der Zündkerzenanordnung mit größerer Wandstärke ausgebildeten Wandabschnitt verläuft und dass in einem Endabschnitt des Brennstoffkanals ein Rückschlagventil angeordnet ist.
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Gegenstand der Erfindung ist somit die konstruktive Ausgestaltung einer sogenannten Wasserstoffzündkerze, wobei die Herausforderung der sehr beschränkte Bauraum einer Serienzündkerze, in den neben der Mittelelektrode zusätzlich ein Rückschlagventil, Kavitäten und ein Gasanschluss integriert werden müssen. Der Bauraum darf nicht größer sein, damit keine Änderungen an bestehenden Zylinderköpfen vorgenommen werden müssen. Durch den sehr beschränkten Platz im Brennraum des Ottomotors für zwei bis vier Gaswechselventile pro Zylindereinheit, für Frisch- und Abgaskanäle und für Kühlkanäle (Wasser, Öl) bzw. Kühlrippen (Luft) ist kein Platz für eine größere Zündkerze oder einen zusätzlichen Gasinjektor vorhanden.
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Die aus Isolator, Elektrode, Entstörwiderstand und Zündkabelanschluss bestehende Mittelelektrode, die als handelsübliche 10 mm Zündkerze oder noch kleinere Sonderzündkerze ausgebildet sein kann und somit dünner als die Mittelelektrode einer 14 mm Zündkerze ist, wird exzentrisch in die als metallischer Gewindekörper ausgebildete Zündkerzenhülse, die mit den Außenabmessungen einer 14 mm Zündkerze ausgeführt sein kann, eingebracht. Durch diese exzentrische Anordnung entsteht der Bauraum für den Brennstoffkanal und das Rückschlagventil, die Kavität und den Gasanschluss.
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Das Rückschlagventil ist vorteilhaft möglichst nah am Gasaustritt in dem Atmungsraum der Zündkerze platziert, damit nur wenig Abgas zurückströmen kann, bzw. reiner Wasserstoff bis zum Rückschlagventil ansteht. Dadurch werden Spül- bzw. Verdünnungsverluste des Wasserstoffs für die Gemischbildung der initialen Verbrennung in Zündkerzennähe vermieden und der Wasserstoffverbrauch minimiert. Ein eventuelles Rückschreiten der Flammenfront in den Brennstoffkanal, Atmungsraum / Rückschlagventil und dann durch das Rückschlagventil in die Wasserstoffversorgungsleitung wird durch die starke Abkühlung der Flamme an den Bauteilwänden verhindert. Reiner Wasserstoff ist nicht entflammbar. Das Rückschlagventil mit seiner Durchflussrichtung zum Brennraum kann beispielsweise als federbelastetes Kugelventil ausgeführt sein.
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Außerdem ist in Weiterbildung der Ausführung der Zündkerze, bei der das Rückschlagventil von der Austrittsseite des Brennstoffkanals her in diesen eingesetzt ist, vorgesehen, dass zur Bildung des Rückschlagventils am Ende des Brennstoffkanals ein radial erweiterter Abschnitt zur Aufnahme eines in Schließrichtung durch eine Ventilfeder beaufschlagten Sperrkörpers vorgesehen ist, wobei sich die Ventilfeder an ihrem vom Sperrkörper abgewandten Ende an einem in dem Abschnitt fixierten Verschlusselement abstützt. Zwischen dem Sperrkörper und dem Verschlusselement geht von dem Brennstoffkanal eine Bohrung aus, die diesen mit einem zwischen der Zündkerze und der Zündkerzenhülse ausgebildeten Ringraum verbindet. Der Brennstoffkanal ist an seinem brennstoffseitigen Ende mittels einer eingepressten Kugel, die als Verschlusselement dient und von außen verstemmt wird, verschlossen. An dieser Kugel stützt sich die Ventilfeder des Rückschlagventils ab, wobei der Wasserstoff über die Querbohrung und den Ringraum dem Brennraum zugeführt wird. Es können auch andere Ventilbauformen wie z.B. Flatterventil, Membranventil als Rückschlagventil verwendet werden. Der Gasanschluss wird durch ein in die gedruckte Zündkerzenhülse eingepresstes bzw. alternativ, geklebtes oder gelötetes Zuführrohr realisiert.
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Die serienmäßige Mittelelektrode mit Keramikkörper, Elektrode, Entstörwiderstand und Anschlussgewinde aus einer handelsüblichen 10 mm Zündkerze wird an der Elektrodenseite mit einem Dichtring abgedichtet und an der Anschlussseite durch Bördelung des Grundkörpers befestigt. Die Presskraft (Dichtkraft) zwischen Keramikkörper und Grundkörper wird durch eine anschließende Wärmebehandlung erzeugt, die den Grundkörper schrumpft.
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Eine weitere mögliche Ausführung wäre die Integration eines magnetisch angesteuerten Dosierventils für die Wasserstoffzufuhr in das Rückschlagventil und in den Grundkörper der Zündkerze. Die Verbindung der Zündkerze mit dem Zündkabel und der Wasserstoffversorgung kann mit einem Stecker erfolgen. In diesem wird die elektrische Verbindung über eine Feder hergestellt (konventioneller Kerzenstecker) und der Gasanschluss wird über eine Schiebeverbindung mit O-Ringabdichtung realisiert. Die Gasversorgung benötigt nur einen geringen Druck, denn es wird vor dem Zündzeitpunkt Gas eingespritzt und der liegt vor dem oberen Totpunkt.
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Um eine möglichst kompakte Bauweise der Brennstoffzufuhreinrichtung zu realisieren, ist es außerdem sinnvoll, ein dafür erforderliches magnetisch angesteuertes Dosierventil in Verbindung mit dem Rückschlagventil in die Zündkerzenhülse zu integrieren.
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Mit der Erfindung wird auch ein Verfahren zur Herstellung einer aus einem metallischen Werkstoff bestehenden Zündkerzenhülse einer Zündkerzenanordnung vorgeschlagen, deren zylindrische Aufnahme für eine Zündkerze zur Bildung eines mit größerer Wandstärke ausgeführten Wandabschnittes exzentrisch angeordnet ist, wobei sich innerhalb dieses Wandabschnittes ein zwischen Stirnseiten der Zündkerzenhülse verlaufender Brennstoffkanal erstreckt.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Zündkerzenhülse im 3D-Druck hergestellt wird. Durch die Freiformaußenflächen, die mit dem 3D-Druck einfach zu realisieren sind, werden funktionslose Materialanhäufungen vermieden. Dadurch wird die Zündkerze leichter, es wird weniger Material benötigt, die Druckzeit wird verringert und die Fertigungskosten werden minimiert. Durch eine nachgelagerte Wärmebehandlung erfährt das gedruckte Bauteil einen Schrumpf von ca. 0,1 %. Zusätzlich werden Eigenspannungen abgebaut und die Härte sowie Festigkeit erhöht (Härte ca. 54 HRC, Zugfestigkeit ca. 1900 Mpa). Der materialspezifische Schrumpf wird bei der Fertigungsstrategie gezielt genutzt, um einen zusätzlichen Kraftschluss zwischen der Bördelung und dem Keramikinsert zu erzeugen. Dies ist notwendig, um ein Abdichten zwischen Bördelung und Keramikinsert zu erreichen. Für ein gezieltes Schrumpfen ist hierfür zusätzlich ein geometrisches Feature (Schrumpfzone) eingebracht. Wesentlicher Vorteil des Druckes ist das Einbringen des Brennstoffkanals, der in dieser Form konventionell nicht herstellbar ist.
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Demgegenüber ist es bislang allgemein bekannt, die Zündkerzenhülse handelsüblicher Zündkerzen mittels eines Kaltfließpressverfahrens in mehreren Stufen zu fertigen, dann mittels spanender Bearbeitung (Drehen und Bohren) sowie Rollieren des Gewindes fertig zu stellen.
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Die Erfindung ist nicht auf die angegebene Kombination der Merkmale der unabhängigen Patenansprüche 1, 2, 5 und 10 und der von diesen abhängigen Patentansprüche beschränkt. Es ergeben sich darüber hinaus weitere Möglichkeiten, einzelne Merkmale, insbesondere dann, wenn sie sich aus den Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele oder unmittelbar aus den Figuren ergeben, miteinander zu kombinieren. Außerdem soll die Bezugnahme der Patentansprüche auf die Figuren durch die Verwendung von Bezugszeichen den Schutzumfang der Patentansprüche auf keinen Fall auf die dargestellten Ausgestaltungsbeispiele beschränken.
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Figurenliste
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnungen verwiesen, in denen ein Ausführungsbeispiel vereinfacht dargestellt ist. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Zylindereinheit einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einer dieser zugeordneten Zündkerze, über deren Zündkerzenhülse Wasserstoff zugeführt wird,
- 2 einen Längsschnitt durch eine komplette Einheit, die aus einer Zündkerze, einer Zündkerzenhülse und einem Zuführrohr zur Zuführung von Wasserstoff besteht, wobei ein Rückschlagventil von einer Austrittsseite eines Brennstoffkanals her in diesen eingesetzt ist,
- 3 einen Längsschnitt durch eine im 3D-Druck hergestellte Zündkerzenhülse,
- 4 einen Längsschnitt durch die gemäß 3 ausgebildete Zündkerzenhülse, nachdem die Zündkerze in diese eingesetzt wurde, und
- 5 einen Längsschnitt durch eine komplette Einheit, die aus einer Zündkerze, einer Zündkerzenhülse und einem Zuführrohr zur Zuführung von Wasserstoff besteht, wobei ein Rückschlagventil von einem Ende her in einen erweiterten Bohrungsabschnitt des Zuführrohres eingesetzt ist.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
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In der 1 ein Zylinderkopf einer Hubkolbenbrennkraftmaschine bezeichnet, der gemeinsam mit einer Zylinderlaufbuchse 2 und einem Arbeitskolben 3 einen Verbrennungsraum 4 begrenzt. In den Zylinderkopf 1 ist eine Zünd- und Einblasvorrichtung 5 eingesetzt, von der in der 1 eine Zündkerzenhülse 6 und eine einen Isolatorkörper 7 aufweisende Zündkerze 8 dargestellt sind. Weiterhin geht aus der 1 hervor, dass die Zündkerze 8 an ihrem Ende mit einem elektrischen Anschlussbolzen 9 versehen ist, über den sie mit einem nicht näher dargestellten Kerzenstecker verbindbar ist, so dass über ein sich an den Kerzenstecker anschließendes Zündkabel 10 eine Verbindung mit einer elektronischen Zündanlage 11 hergestellt ist. Außerdem steht die Zünd- und Einblasvorrichtung 5 über eine nicht näher dargestellte Steuereinrichtung mit einem Wasserstoff aufnehmenden Tank 12 in Verbindung, wobei eine Brennstoffleitung 13 einerseits an die Zündkerzenhülse 6 und andererseits an den Tank 12 angeschlossen ist. Ausgehend von der Brennstoffleitung 13 verläuft innerhalb der Zündkerzenhülse 6 ein Brennstoffkanal 14.
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Eine derartige Hubkolbenbrennkraftmaschine kann im Magerbetrieb (lean burn) betrieben werden, in welchem dem Verbrennungsraum 4 für die stöchiometrische Verbrennung mit Lambda > 2 ein sehr mageres Kraftstoff-/Luftgemisch mit flüssigen oder gasförmigen Kohlenwasserstoffen (z.B. Benzin, Erdgas) zugeführt wird. Dabei bestehen Probleme, das Gemisch mit einem Zündfunken zu entflammen. Bei der vorstehend erläuterten Anordnung wird in vorteilhafter Weise mittels des Brennstoffkanals 14 der Zünd- und Einblasvorrichtung 5 ein Entflammungsgemisch (beispielsweise ein Wasserstoff / Luft-Gemisch) durch innere Gemischbildung räumlich als Wolke um Kerzenelektroden der Zündkerze 8 erzeugt und durch deren Zündfunken entflammt. Das auf diese Weise gezündete Entflammungsgemisch erzeugt eine turbulente Flammenfront im mageren Kohlenwasserstoff / Luft-Hauptgemisch.
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Aus der 2 geht der Aufbau der in der Anordnung nach 1 verwendeten Zünd- und Einblasvorrichtung 5 im Einzelnen hervor, wobei diese, wie zuvor erläutert, aus der mit einem Außengewinde 6a versehenen Zündkerzenhülse 6 und der Zündkerze 8 besteht. Innerhalb der Zündkerzenhülse 6 verläuft eine gestufte Aufnahme 15, die im vorliegenden Fall zylindrisch ausgebildet sein soll. Wie eine Längsmittelachse 16 dieser Aufnahme 15 erkennen lässt, ist die Aufnahme 15 exzentrisch in der Zündkerzenhülse 6 angeordnet. Dadurch entsteht ein Wandabschnitt 17 der Zündkerzenhülse 6, der, verglichen mit den anderen Wandabschnitten, eine größere Wandstärke aufweist.
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Innerhalb dieses Wandabschnittes 17 verläuft der Brennstoffkanal 14, der an einer oberen Stirnseite 18 der Zündkerzenhülse 6 beginnt und an deren unteren Stirnseite 19 endet. Im Eintrittsbereich des Brennstoffkanals 14 ist dieser im Durchmesser radial erweitert, wobei in diesen Abschnitt ein Zuführrohr 20 eingepresst ist. Weiterhin ist auch im austrittsseitigen Endbereich des Brennstoffkanals 14 eine radiale Durchmessererweiterung 21 vorgesehen, die zur Aufnahme eines Rückschlagventils 22 dient.
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Dabei bildet ein Ende der Durchmessererweiterung 21 einen Ventilsitz 23, der mit einem kugelförmigen Sperrkörper 24 zusammenwirkt. Der Sperrkörper 24 ist mittels einer Ventilfeder 25 in seiner Schließrichtung vorgespannt, wobei sich diese Ventilfeder 25 mit ihrem anderen Ende an einem kugelförmigen Verschlusselement 26 abstützt. Zur Fixierung des Verschlusselements 26 in der Durchmessererweiterung 21 dient eine Verstemmung 27, die von der Stirnseite 19 her vorgenommen wird.
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Der über den Brennstoffkanal 14 und das Rückschlagventil 22 zugeführte Wasserstoff tritt aus einem zwischen dem Sperrkörper 24 und dem Verschlusselements 26 gebildeten Raum 28 in eine Bohrung 29 ein und wird einem Ringraum 30 zugeführt, der zwischen der Zündkerze 8 und der Zündkerzenhülse 6 verläuft. Über diesen Ringraum 30 erfolgt ein Einblasen des Wasserstoffs in den Verbrennungsraum 4 gemäß 1.
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Die Zündkerze 8 besteht im Wesentlichen aus einer Mittelelektrode 31, einem Zündstift 32 und einem Entstörwiderstand 33. Diese Bauteile sind von dem Isolatorkörper 7 umschlossen. Von der Zündkerzenhülse 6 geht eine Masseelektrode 34 aus, wobei aufgrund der elektrischen Spannung zwischen der Mittelelektrode 31 und der Masseelektrode 34 eine Zündfunkenstrecke erzeugt werden kann. Die Zündkerze 8 ist in der Zündkerzenhülse 6 über eine Bördelung 35 fixiert.
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In der 3 ist die Zündkerzenhülse 6 in ihrem Zustand nach der Herstellung durch ein 3D-Druckverfahren dargestellt. Eine Anzahl entsprechender Zündkerzenhülsen 6 kann dabei mittels Laserstrahlschmelzen im Pulverbett hergestellt werden. Diese einzelnen Bauteile werden jeweils über ihre extrudierte Randgeometrie der oberen Stirnseite der Zündkerzenhülse 6, die im Anschluss daran, wie 2 zeigt, als Bördelung 35 verwendet wird, auf einer Bauplattform positioniert. In einer einzigen Charge können dabei auf der Bauplattform insgesamt 100 Zündkerzenhülsen 6 im 3D-Verfahren hergestellt werden. Nach diesem Druck werden alle Bauteile parallel, d.h. mit einem Schnitt, mittels Drahterodierung von der vorgenannten Bauplattform getrennt. Diesem Verfahren ist eine Wärmebehandlung nachgelagert, durch die das gedruckte Bauteil um ca. 0,1 % schrumpft. Zusätzlich werden durch die Wärmebehandlung Eigenspannungen abgebaut und die Härte sowie Festigkeit erhöht.
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Gemäß der 4 ist im nächsten Schritt des Herstellverfahrens die Zündkerze 8 mit ihrem aus Keramik hergestellten Isolatorkörper 7 in die gestufte Aufnahme 15 eingesetzt. Dabei wird die Zündkerze 8 mittels der Bördelung 35 in der Zündkerzenhülse 6 fixiert. Das Einfügen der Zündkerze 8 in die Aufnahme 15 erfolgt vorzugsweise im Anschluss an die Wärmebehandlung der Zündkerzenhülse 6, wobei sich diese noch im erwärmten Zustand befindet. Das materialspezifische Schrumpfen der Zündkerzenhülse 6 wird im Rahmen der Fertigungsstrategie gezielt genutzt, um einen zusätzlichen Kraftschluss zwischen der Bördelung 35 und der Zündkerze 8 zu erzeugen. Dies ist notwendig, um eine Abdichtung zwischen der Bördelung und dem Isolatorkörper 7 zu erzielen.
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Bei einer in der 5 dargestellten Zünd- und Einblasvorrichtung 36 mit einer Zündkerzenhülse 37, in der ein Brennstoffkanal 38 verläuft, ist eine einen Isolatorkörper 39 aufweisende Zündkerze 40 beispielhaft als Gleitfunkenkerze 41 ausgebildet. Bei dieser Gleitfunkenkerze 41 springt der Zündfunke nicht, wie bei dem Ausführungsbeispiel nach der 2, direkt als Luftfunke über von der Mittelelektrode auf die an der Zündkerzenhülse bügelartig ausgebildete Masseelektrode. Es handelt sich stattdessen um einen Gleitfunken, der, ausgehend von einer Mittelelektrode 42, entlang eines Endes des am Isolatorkörper 39 ausgebildeten Isolatorfußes 43 zur Masseelektrode 44 fließt. Diese Gleitfunkenstrecke legt der Funken zurück, indem er über die Oberfläche des Isolatorfußes 43 gleitet und dann auf die Masseelektrode 44 überspringt.
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Die Zündkerzenhülse 37 ist mit einem Außengewinde 45 versehen, über das sie, wie in der 1 dargestellt, in den Zylinderkopf 1 nach 1 einschraubbar ist. Eine Aufnahme 46, die Stufen mit unterschiedlichem Durchmesser aufweist und exzentrisch zur Längsmittelachse der Zündkerzenhülse 37 verläuft, nimmt die Gleitfunkenkerze 41 auf. Innerhalb eines Wandabschnittes 47, der aufgrund der exzentrischen Gestaltung der Zündkerzenhülse 37 dickwandiger ausgeführt ist, verläuft der Brennstoffkanal 38. Dieser geht von einer oberen Stirnseite 48 der Zündkerzenhülse 37 aus, folgt deren Kontur und tritt schließlich über einen abgewinkelten Abschnitt 49 radial innerhalb eines Ringraumes 50 aus, der innen durch den Isolatorfuß 43 der Gleitfunkenkerze 41 und außen durch die Zündkerzenhülse 37 begrenzt ist.
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An der Stirnseite 48 der Zündkerzenhülse 37 ist in den Brennstoffkanal 38 ein Zuführrohr 51 eingesetzt, so dass eine im Inneren des Zuführrohres 51 verlaufende Brennstoffleitung 38a mit dem Brennstoffkanal 38 verbunden ist. Die Brennstoffleitung 38a weist an ihrem der Zündkerzenhülse 37 zugewandten Ende einen radial erweiterten Bohrungsabschnitt 52 auf. Dieser ist somit dem Eintritt des in der Zündkerzenhülse 37 verlaufenden Brennstoffkanals 38 zugewandt. Ein Rückschlagventil 53, das einen kugelförmigen Sperrkörper 54 und eine Ventilfeder 55 aufweist, ist von dem Ende her in den erweiterten Bohrungsabschnitt 52 eingesetzt. Ein Ventilsitz 56 des Rückschlagventils 53 ist am Übergang vom Bohrungsabschnitt 52 zum normalen Leitungsquerschnitt des Zuführrohres 51 unmittelbar in diesem ausgebildet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zylinderkopf
- 2
- Zylinderlaufbuchse
- 3
- Arbeitskolben
- 4
- Verbrennungsraum
- 5
- Zünd- und Einblasvorrichtung
- 6
- Zündkerzenhülse
- 6a
- Außengewinde von 6
- 7
- Isolatorkörper
- 8
- Zündkerze
- 9
- elektrischer Anschlussbolzen
- 10
- Zündkabel
- 11
- elektrische Zündanlage
- 12
- Tank für Wasserstoff
- 13
- Brennstoffleitung
- 14
- Brennstoffkanal
- 15
- gestufte Aufnahme
- 16
- Längsmittelachse
- 17
- Wandabschnitt
- 18
- obere Stirnseite
- 19
- untere Stirnseite
- 20
- Zuführrohr
- 21
- Durchmessererweiterung von 14
- 22
- Rückschlagventil
- 23
- Ventilsitz von 22
- 24
- Sperrkörper
- 25
- Ventilfeder
- 26
- Verschlusselement
- 27
- Verstemmung
- 28
- Raum
- 29
- Bohrung
- 30
- Ringraum
- 31
- Mittelelektrode
- 32
- Zündstift
- 33
- Entstörwiderstand
- 34
- Masselelektrode
- 35
- Bördelung
- 36
- Zünd-und Einblasvorrichtung
- 37
- Zündkerzenhülse
- 38
- Brennstoffkanal
- 38a
- Brennstoffleitung in 51
- 39
- Isolatorkörper von 41
- 40
- Zündkerze
- 41
- Gleitfunkenkerze
- 42
- Mittelelektrode von 41
- 43
- Isolatorfuß von 39
- 44
- Masseelektrode von 41
- 45
- Außengewinde von 37
- 46
- Aufnahme von 37
- 47
- Wandabschnitt von 37
- 48
- Stirnseite von 37
- 49
- abgewinkelter Abschnitt von 38
- 50
- Ringraum
- 51
- Zuführrohr
- 52
- Bohrungsabschnitt in 51
- 53
- Rückschlagventil
- 54
- kugelförmiger Sperrkörper von 53
- 55
- Ventilfeder von 53
- 56
- Ventilsitz von 53
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017130984 A1 [0006, 0013]
- DE 3828764 A1 [0007]
