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Stand der Technik
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Aus den Stand der Technik,
DE 10 2017 221 517 A1 , ist bereits eine Vorkammer-Zündkerze bekannt. Sie weist ein Gehäuse auf sowie eine Kappe, die am brennraumseitigen Ende des Gehäuses am Gehäuse angeordnet ist. Die Kappe und das Gehäuse bilden zusammen eine Vorkammer aus. In der Kappe sind Bohrungen vorgesehen, um einen Gaseintritt in die Vorkammer und einen Gasaustritt aus der Vorkammer zu ermöglichen. Innerhalb des Gehäuses ist ein Isolator angeordnet, in dem eine Mittelelektrode angeordnet ist. Es ist ferner eine Masseelektrode vorgesehen, die zusammen mit der Mittelelektrode einen Zündspalt ausbildet.
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Wird die Vorkammer-Zündkerze im Brennraum einer Brennkraftmaschine betrieben, so strömt während dem Verdichtungstakt Frischgemisch in die Vorkammer hinein. Es ist erforderlich, dass die Frischluft in den zwischen den Elektroden ausgebildeten Zündspalt gelangt, in dem während der Zündung ein Funke entsteht. Durch die starke Volumenvergrößerung verdichteter Brenngase kommt es nach der Entflammung in der Vorkammer zu einem starken Druckanstieg, der wiederum die heißen Brenngase in Form von Fackeln mit hoher Geschwindigkeit aus den Bohrungen der Vorkammer austreten lässt. Hierdurch können weite Teile des Brennraums quasi zeitgleich gezündet werden. Indem dies zu einem optimalen Zeitpunkt erfolgt, kann der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine seinem thermodynamischen Optimum angenähert werden.
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Eine Voraussetzung dafür ist, dass in ausreichendem Maße zündfähiges Frischgemisch in die Vorkammer einströmt und in den Bereich des Zündspalts gelangt.
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Ferner ist es erforderlich, dass während des Ladungswechsels der Brennkraftmaschine die in der Vorkammer verbliebenen verbrannten Brenngase aus der Vorkammer ausströmen, um Volumen für Frischgemisch freizugeben.
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Vorteil der Erfindung/ Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung beruht zunächst auf der Erkenntnis, dass für einen effizienten Zutritt von Frischgas zu dem Zündspalt und für ein effizientes Ausströmen von verbrannten Brenngasen aus der Vorkammer sowie für eine Homogenisierung des in der Vorkammer befindlichen Gases hinsichtlich seines Kraftstoff-Luft-Verhältnisses die Geometrie der Masseelektrode eine wichtige Rolle spielt.
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Die Erfindung basiert weiterhin auf der Erkenntnis, dass die aus dem Stand der Technik bekannte zylindrische Masseelektrode mit Hinblick auf die genannten Kriterien lediglich suboptimal ist und durch eine erfindungsgemäße Geometrie verbessert werden kann, indem die Masseelektrode eine Form aufweist, die von einer zylindrischen Form abweicht, um eine Gasströmung innerhalb der Vorkammer gezielt zu beeinflussen.
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Mit „Zylinder“ und „zylindrisch“ wird im Rahmen der Anmeldung grundsätzlich lediglich auf einen senkrechten Kreiszylinder Bezug genommen. Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, von einem „Zylinder“ in einem weiten mathematischen Sinn auszugehen, also als einem Körper, der als das bei gradliniger Verschiebung einer ebenen Grundfläche überstrichene Raumgebiet definiert ist.
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Die Masseelektrode kann eine Längsrichtung aufweisen. Es kann sich bei der Längsrichtung um die Richtung handeln, entlang der die Masseelektrode in eine Befestigungsbohrung des Gehäuses eingesteckt ist. Es kann sich bei der Längsrichtung auch um die Richtung handeln, in die diejenige Hauptachse der Masseelektrode weist, in der sie ihre größte Erstreckung aufweist.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Masseelektrode in die Befestigungsbohrung des Gehäuses eingesteckt und überdies in der Befestigungsbohrung auch verschraubt, verpresst und/oder verschweißt ist.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Masseelektrode senkrecht zur Längsrichtung Querschnitte aufweist, von denen zumindest ein Querschnitt von einer Kreisform abweicht, beispielsweise die Form einer Ellipse, eines Längsquerschnitts eines Tropfens, einer Leitschaufel eines Turboverdichters oder ein NACA-Profil hat.
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Die Form und die Orientierung der Masseelektrode bzw. die Form und die Orientierung der von der Kreisform abweichenden Querschnitte, beispielsweise die Form und die Orientierung der Ellipse oder des Tropfens können bewirken, dass durch die Überströmbohrung in die Vorkammer einströmendes Gas gezielt zum Zündspalt geleitet wird und/oder dass Strömungswiderstände in der Vorkammer verringert werden und/oder dass durch die Überströmbohrung einströmendes Gas gezielt derart umgelenkt wird, dass eine Turbulenz in der Vorkammer entsteht.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Masseelektrode aus einem dem Gehäuse zugewandten Grundkörper und einem vom Gehäuse abgewandten Edelmetallpin besteht. Der Edelmetall besteht beispielsweise überwiegend aus Edelmetall (z.B. Platin), während der Grundkörper beispielsweise überwiegend aus unedlem Metall besteht.
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In Weiterbildung dazu kann vorgesehen sein, dass lediglich der Grundkörper eine von einem Zylinder abweichende Form aufweist und/oder dass der Edelmetallpin eine zylindrische Form aufweist.
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Figurenliste
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- Die 1 zeigt eine an sich bereits bekannte Vorkammer-Zündkerze.
- Die 2 und 3 zeigen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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1 zeigt in einer halb geschnittenen Ansicht eine Vorkammer-Zündkerze 1. Die Vorkammer-Zündkerze 1 umfasst ein Gehäuse 2. In das Gehäuse 2 ist ein Isolator 3 eingesetzt. Das Gehäuse 2 und der Isolator 3 weisen jeweils entlang ihrer Längsachse eine Bohrung auf. Das Gehäuse hat eine Außenseite 24 und eine Innenseite 23. Die Längsachse des Gehäuses 2, die Längsachse X des Isolators 3 und die Längsachse der Vorkammer-Zündkerze 1 fallen zusammen.
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In den Isolator 3 ist eine Mittelelektrode 4 eingesetzt. Des Weiteren erstreckt sich in den Isolator 3 eine elektrische Kontaktierung, über diese wird die Vorkammer-Zündkerze 1 mit einer Spannungsquelle elektrisch kontaktiert. Die elektrische Kontaktierung bildet das Brennraum-abgewandte Ende der Vorkammer-Zündkerze 1. Die elektrische Kontaktierung kann einstückig oder auch wie in diesem Beispiel aus mehreren Komponenten, wie beispielsweise einem Anschlussbolzen 8 und einer Anschlussmutter 9, ausgebildet sein.
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Der Isolator 3 wird typischerweise in drei Bereiche unterteilt: Isolatorfuß 31, Isolatorkörper 32 und Isolatorkopf 33. Die drei Bereiche unterscheiden sich beispielsweise durch unterschiedliche Durchmesser. Der Isolatorfuß 31 ist das dem Brennraum zugewandte Ende des Isolators 3. Innerhalb des Isolatorfußes 31 ist die Mittelelektrode 4 angeordnet. Der Isolatorfuß 31 ist in der Regel vollständig innerhalb des Gehäuses 2 angeordnet. In der Regel hat der Isolatorfuß 31 den kleinsten Außendurchmesser am Isolator 3.
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Angrenzend an den Isolatorfuß 31 ist der Isolatorkörper 32 angeordnet, der in der Regel vollständig vom Gehäuse 2 umfasst ist. Der Isolatorkörper 32 hat einen größeren Außendurchmesser als der Isolatorfuß 31. Der Übergang zwischen Isolatorfuß 31 und Isolatorkörper 32 ist als Schulter oder Kehle ausgebildet. Dieser Übergang wird auch als Fußkehle oder Isolatorsitz 35 bezeichnet.
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Der Isolatorkopf 33 grenzt am dem Brennraum abgewandten Ende des Isolatorkörpers 32 an diesem an und bildet das dem Brennraum abgewandte Ende des Isolators 3. Der Isolatorkopf 33 ragt aus dem Gehäuse 2 heraus. Der Außendurchmesser des Isolatorkopfs 33 liegt zwischen den Außendurchmessern von Isolatorfuß 31 und Isolatorkörper 32, wobei die Bereiche typischerweise über ihre Länge keinen konstanten Außendurchmesser haben, sondern der Außendurchmesser variieren kann.
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Das Gehäuse 2 weist an seiner Innenseite einen Sitz 25 auf. Der Isolator liegt mit seiner Schulter bzw. Isolatorsitz 35 auf dem Gehäuse-Sitz 25 auf. Zwischen dem Isolatorsitz 35 und dem Gehäuse-Sitz 25 ist eine Innendichtung 10 angeordnet.
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Zwischen der Mittelelektrode 4 und dem Anschlussbolzen 8 befindet sich im Isolator 3 ein Widerstandselement 7, das auch Panat oder CCM genannt wird. Das Widerstandselement 7 verbindet die Mittelelektrode 4 elektrisch leitend mit dem Anschlussbolzen 8. Das Widerstandselement 7 ist beispielsweise als Schichtsystem aus einem ersten Kontaktpanat/-CCM, einem Widerstandspanal/- CCM und einem zweiten Kontaktpanat/-CCM aufgebaut. Die Schichten des Widerstandselements unterscheiden sich durch ihre Materialzusammensetzung und dem daraus resultierenden elektrischen Widerstand.
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An der Innenseite 23 des Gehäuses 2 ist die Masseelektrode 5 in einer Bohrung 52 angeordnet, so dass die Masseelektrode 5 radial von der Gehäuse-Innenseite 23 in die Bohrung entlang der Längsachse X des Gehäuses 2 hineinragt. Die Masseelektrode 5 und die Mittelelektrode 4 bilden zusammen einen Zündspalt aus. Die Bohrung 52 erstreckt sich von der Außenseite 24 durch die Gehäusewand bis zur Innenseite 23 des Gehäuses 2.
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Das Gehäuse 2 weist einen Schaft auf. An diesem Schaft sind ein Mehrkant 21, ein Schrumpfeinstich und ein Gewinde 22 ausgebildet. Das Gewinde 22 dient zum Einschrauben der Vorkammer-Zündkerze 1 in eine Brennkraftmaschine. Zwischen dem Gewinde 22 und dem Mehrkant 21 ist ein äußeres Dichtelement 6 angeordnet. Das äußere Dichtelement 6 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Faltdichtung ausgestaltet.
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Die Bohrung 52 in der Gehäusewand ist im Bereich des Gewindes 22 ausgebildet. Dabei kann die Bohrung 52 für die Masseelektrode 5 und damit auch die Masseelektrode 5 auf jeder beliebigen Höhe im Bereich des Gewindes 22 angeordnet sein. Je nach der Position der Masseelektrode 5 im Bereich des Gewindes 22 ragt entsprechend die Mittelelektrode 4 und mit ihr auch der Isolatorfuß 31 mehr oder weniger weit in die Vorkammer 81 hinein. Je nach gewünschten Verwendungszweck der Vorkammer-Zündkerze kann die Position der Bohrung 52 im Bereich des Gewindes 22 und der Masseelektrode 5 auf der Innenseite 23 des Gehäuses 2 gewählt werden.
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Die Bohrung 52 ist in einer Vertiefung 51, wie beispielsweise einer konischen oder einer runden Nut, angeordnet. Dabei ist der Außendurchmesser des Gehäuses 2 in der Vertiefung kleiner als der Kerndurchmesser des Gewindes 22.
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Die Vertiefung 51 kann beispielsweise durch ein Stanzen des Gehäuses 2 bei der Herstellung der Vorkammer-Zündkerze 1 entstehen. Dabei wird nicht nur der Außendurchmesser des Gehäuses 2 im Bereich der Vertiefung 51 reduziert, sondern auch der Innendurchmesser des Gehäuses 2 im Bereich der Vertiefung 51.
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Am Gehäuse 2 ist auf dessen brennraumseitigen Stirnfläche eine Kappe 80 angeordnet. Das Gehäuse 2 und die Kappe 80 bilden zusammen eine Vorkammer 81 mit einem Vorkammervolumen. Die Vorkammer 81 erstreckt sich von der Kappe bis ins Gehäuse 2 hinein und innerhalb des Gehäuses 2 bis zum Gehäuse-Sitz 25, an dem der Isolator 3 mit seiner Schulter 35 aufliegt. Der Zwischenraum zwischen Gehäuse 2 und Isolator 3 ist an dieser Stelle mittels einer Innendichtung 10 gasdicht abgedichtet. Die Vorkammer 81 und ihr Volumen lassen sich in eine vordere Vorkammer 81a und eine hintere Vorkammer 81b unterteilen. Die Grenze zwischen der vorderen Vorkammer 81a und hinteren Vorkammer 81b wird durch die Position der Masseelektrode bestimmt, d.h. die vordere Vorkammer 81a erstreckt sich von der Kappe bis zu einer Ebene, die auf Höhe der Masseelektrode senkrecht zur der Längsachse X des Gehäuses verläuft. Entsprechend erstreckt sich die hintere Vorkammer 81b von dieser Ebene bis zum Gehäuse-Sitz 25, auf dem der Isolator 3 und die Innendichtung 10 aufliegen.
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Von der bekannten Vorkammer-Zündkerze 1 unterscheiden sich die nachfolgend mit Bezug auf die 2 beschriebenen Ausführbeispiele der Erfindung dadurch, dass die Masseelektrode 5 eine Form aufweist, die von einer zylindrischen Form abweicht, um eine Gasströmung innerhalb der Vorkammer 81 gezielt zu beeinflussen.
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Die in der 2 ausschnittsweise und beispielhaft gezeigte Vorkammer-Zündkerze 1 weist insofern eine Masseelektrode 5 auf, die eine Längsrichtung y aufweist und vorzugsweise entlang der Längsrichtung y in eine Befestigungsbohrung 52 des Gehäuses 2 eingesteckt ist. Dabei weist die Masseelektrode 5 einen dem Gehäuse 2 zugewandten Grundkörper 5a und einen vom Gehäuse 2 abgewandten Edelmetallpin 5b auf. Der Grundkörper 5a weist eine von einem Zylinder abweichende Form auf, während der Edelmetallpin 5b eine zylindrische Form aufweist.
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Senkrecht zu der Längsrichtung y der Masseelektrode 5, im Bereich des Grundkörpers 5a, weist die Mittelelektrode 5 Querschnitte auf, die der Querschnittsfläche entlang der Längsrichtung eines Tropfens entsprechen.
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Insgesamt ist so eine als eine als Tropfen profilierte Masseelektrode 5 ausgebildet. Das von einer gedachten zylindrischen Form länglich abstehende Ende des Tropfens kann dabei beispielsweise in die Richtung zur Kappe 80 zeigen oder in die Richtung einer Überströmbohrung 82 der Kappe 80 zeigen.
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Vergrößert und in Aufsicht, entlang ihrer Längsachse y mit Blickrichtung aus der Vorkammer 81 heraus ist die Masseelektrode 5 in der 3 gezeigt.
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Als eine aerodynamische Form mit besonders geringem Umströmungswiderstand kann die als Tropfen profilierte Masseelektrode 5 auf diese Weise das Einströmen oder das Ausströmen von Gas substantiell verbessern.
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Alternativ (nicht gezeichnet) kann auch vorgesehen sein, dass die Mittelelektrode 5 Querschnitte aufweist, die die Form einer Ellipse aufweisen. Insgesamt ist so beispielsweise eine als Ellipsoid oder Halbellipsoid profilierte Masseelektrode 5 ausgebildet. Eines der beiden von einer gedachten zylindrischen Form länglich abstehende Enden des Ellipsoids kann dabei beispielsweise in die Richtung zur Kappe 80 zeigen oder in die Richtung einer Überströmbohrung 82 der Kappe 80 zeigen. Als eine aerodynamische Form mit besonders geringem Umströmungswiderstand kann die so profilierte Masseelektrode 5 auf diese Weise das Einströmen oder das Ausströmen von Gas substantiell verbessern.
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Wiederum alternativ (nicht gezeichnet) kann die Mittelelektrode 5 auch andersartig exzentrisch geformt sein oder mit andersartig exzentrischen Querschnitten ausgebildet sein. Bevorzugt ist die größte dabei auftretende Exzentrizität 5c in die Richtung zur Kappe 80 oder in die Richtung zu einer Überströmbohrung 82 der Kappe 80 orientiert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017221517 A1 [0001]
