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Stand der Technik
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Vorkammer-Zündkerzen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Sie umfassen eine Mittelelektrode und eine Masseelektrode, die zwischen sich einen Zündspalt definieren, der sich in der Vorkammer befindet, sodass dort ein Luft-Brennstoffgemisch entzündet werden kann. Das entzündete Luft-Brennstoffgemisch gelangt in Folge durch Öffnungen einer Kappe der Vorkammer-Zündkerze in Form von Zündfackeln in den Brennraum einer Brennkraftmaschine und bewirkt eine nahezu gleichzeitige Entzündung des dort vorhandenen Luft-Brennstoffgemischs. Durch diese Raumzündung ist ein hinsichtlich des Wirkungsgrads optimierter Betrieb (z.B. nahe 0° Kurbelwinkel) der Brennkraftmaschine möglich.
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Es sind bereits Kappen aus Legierungen bekannt, deren Hauptbestandteile Nickel, Chrom und Eisen sind. Diese weisen zwar eine hohe Oxidationsbeständigkeit auf, jedoch ist ihre Wärmeleitfähigkeit eher gering. Anderseits sind Kappen bekannt, die aus zwei Materialien bestehen, nämlich einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit im Innern der Kappe und einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit aber hoher Oxidationsbeständigkeit an der Außenfläche der Kappe.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Vorkammer-Zündkerze gemäß Anspruch 1 betrifft eine Vorkammer-Zündkerze mit einer Kappe, die aus einem Material besteht, welches optimiert ist.
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Die Erfindung beruht auf der Überlegung der Erfinder, dass es im Betrieb der Vorkammerkerze von Vorteil ist, wenn die Kappe eine bestimmte Temperatur halten kann. Einerseits darf diese Temperatur nicht zu gering sein, damit ein Freibrennen von Verbrennungsrückständen, die an der Kappe anhaften, ermöglicht ist sowie eine Kondensation von Medien an der Kappe ausgeschlossen werden kann. Zudem ist eine hohe Temperatur der Kappe bzw. eine Tendenz der Kappe, sich langsam abzukühlen, vorteilhaft für die Effizienz und Laufstabilität des Brennverfahrens ist. Dabei hat eine hohe Wärmeleitfähigkeit des Materials der Kappe zur Folge, dass die von der Kappe aufgenommene Wärme mit geringem Widerstand von der Kappe zu dem Gehäuse gelangt. Dies führt zu einer geringeren Maximaltemperatur an der Kappenspitze und zu einer gleichmäßigen Temperatur innerhalb der Kappe. Bei einer zu hohen Wärmeleitfähigkeit der Nickelbasislegierung der Kappe ist jedoch die Temperatur an der Verbindungsstelle (z.B. Schweißnaht) zwischen Kappe und Gehäuse erhöht, was zu einer thermischen Überbelastung führen kann bzw. die Dauerstabilität der Verbindung (z.B. Schweißnaht) reduziert. Ist die Wärmeleitfähigkeit der Nickelbasislegierung der Kappe andererseits zu niedrig, erhöht sich die Temperatur der Kappenspitze bei gleichzeitig sinkender Temperatur der Kappe in einem zum Gehäuse weisenden Bereich der Kappe. Es entsteht also ein hoher Temperaturgradient innerhalb der Kappe von Kappenspitze in Richtung des Gehäuses. Auch dieser hohe Gradient kann das Kappenmaterial thermisch überlasten und zu einer verstärkten Oxidation der Nickelbasislegierung der Kappe führen. Oxidreste an der Kappe können unter Umständen Glühzündungen im Brennraum verursachen und so den Betrieb der Brennkraftmaschine stören.
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Die Erfinder haben abgeleitet, dass die Kappe zur Vermeidung der oben geschilderten Nachteile aus einer Nickelbasislegierung bestehen muss, die bei 400°C eine Wärmeleitfähigkeit zwischen 20 und 90 W/mK aufweist und die bei 800°C eine Wärmeleitfähigkeit zwischen 30 und 100 W/mK aufweist.
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Insofern ist es besonders vorteilhaft, wenn die Nickelbasislegierung bei 400°C eine Wärmeleitfähigkeit zwischen 30 und 70 W/mK aufweist und bei 800°C eine Wärmeleitfähigkeit zwischen 40 und 80 W/mK aufweist.
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Wenn die Wärmeleitfähigkeit, die die Nickelbasislegierung bei 400°C aufweist, kleiner ist als die Wärmeleitfähigkeit, die sie bei 800°C aufweist, so hat dies die erwünschte Wirkung, dass sie sich bei eher geringen Temperaturen aufgrund der dann geringen Wärmeleitfähigkeit weiter aufheizt, während bei eher hohen Temperaturen eine Kühlung der Kappe durch die dann hohe Wärmeleitfähigkeit resultiert, die Temperatur der Kappe also in Summe in einem gewünschten Bereich verbleibt, selbst wenn sich die Temperatur im Brennraum, denen die Zündkerze und die Kappe ausgesetzt sind, in weiten Grenzen schwankt, wie es für einen Betrieb einer Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug eher die Regel als die Ausnahme ist.
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Es ist besonders vorteilhaft, wenn sich die Wärmeleitfähigkeit der Nickelbasislegierung als Funktion der Temperatur im Bereich zwischen 400°C und 800°C mit konstanter oder im Wesentlichen konstanter Rate ändert, beispielsweise um 0,020 W/mK2 ändert; oder um eine Rate ändert, die in dem Temperaturintervall stets 0,010 W/mK2 bis 0,030 W/mK2 beträgt.
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Die Kappe besteht erfindungsgemäß aus einer Nickelbasislegierung, das heißt die gesamte Kappe, die am brennraumseitigen Ende des Gehäuses am Gehäuse angeordnet, insbesondere angeschweißt ist, weist makroskopisch homogen die Zusammensetzung der Nickelbasislegierung auf. Die Zusammensetzung der Nickelbasislegierung weist als Hauptbestandteil Nickel auf, ist aber nicht mit Nickel identisch.
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Vorzugsweise handelt es sich bei dem Material um eine Nickelbasislegierung, die mindestens 94 Masse-% Nickel aufweist.
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Vorzugsweise handelt es sich bei dem Material um eine Nickelbasislegierung, die Silizium aufweist, vorzugsweise bis zu 5 Masse-%, vorzugsweise mindestens 0,5 Masse-%.
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Zusätzlich oder alternativ kann es sich bei dem Material um eine Nickelbasislegierung handeln, die Aluminium aufweist, vorzugsweise bis zu 5 Masse-%, vorzugsweise mindestens 0,5 Masse-%.
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Zusätzlich oder alternativ kann es sich bei dem Material um eine Nickelbasislegierung handeln, die Kupfer aufweist, vorzugsweise bis zu 5 Masse-%, vorzugsweise mindestens 0,5 Masse-%.
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Zusätzlich oder alternativ kann es sich bei dem Material um eine Nickelbasislegierung handeln, die Yttrium aufweist, vorzugsweise bis zu 0,5 Masse-%, vorzugsweise mindestens 0,005 Masse-%.
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Durch die angegebene Untergrenze wird jeweils bewirkt, dass die Oxidationsbeständigkeit der Nickelbasislegierung im Vergleich zu einem Material ohne diese Anteile bzw. mit nur geringeren Anteilen wesentlich verbessert ist.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Summe weiterer Anteile (Verunreinigungen) in der Nickelbasislegierung nur gering ist. Beispielsweise weist die Nickelbasislegierung dann Nickel, Aluminium, Silizium, Kupfer, Yttrium in Summe zu mindestens 99,5 Masse-% auf, wobei nicht notwendigerweise alle diese Stoffe in der Nickelbasislegierung enthalten sind. Mit anderen Worten beträgt in der Nickelbasislegierung die Summe der Materialien, die nicht Nickel, nicht Aluminium, nicht Silizium, nicht Kupfer und nicht Yttrium sind, in Summe maximal 0,5 Masse-%.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 zeigt beispielhaft eine Vorkammer-Zündkerze gemäß einer ersten Ausführungsform in einer teilgeschnittenen Ansicht,
- 2 für zwei erfindungsgemäße Materialien eine Darstellung der Wärmeleitfähigkeit λ als Funktion der Temperatur T.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt in einer halb geschnittenen Ansicht eine Vorkammer-Zündkerze 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform. 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 Zündkerze 1 fallen zusammen. In den Isolator 3 ist eine Mittelelektrode 4 eingesetzt.
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Des Weiteren erstreckt sich in den Isolator 3 eine elektrische Kontaktierung, über die die Zündkerze 1 mit einer Spannungsquelle elektrisch kontaktiert wird. Die elektrische Kontaktierung bildet das brennraumabgewandte also das anschlussseitige Ende der Zündkerze 1. Die elektrische Kontaktierung kann aus 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 brennraumseitige 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 und hat zumeist 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 anschlussseitigen Ende des Isolatorkörpers 32 an diesen an und bildet das anschlussseitige 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. dem Isolatorsitz 35 auf dem Gehäuse-Sitz 25 auf. Zwischen dem Isolatorsitz 35 und dem Gehäuse-Sitz 25 ist eine Innendichtung 10 angeordnet. Am Gehäuse 2 ist auf dessen brennraumseitiger Stirnfläche eine Kappe 80 angeordnet. Die Kappe 80 ist mit dem Gehäuse 2 durch eine Verbindung 82, insbesondere eine Lötverbindung oder eine Schweißverbindung, verbunden. Die Kappe 80 weist Durchgangsbohrungen 83 auf, von denen in der 1 drei Durchgangsbohrungen sichtbar sind. Das Gehäuse 2 und die Kappe 80 bilden zusammen eine Vorkammer 81 mit einem Vorkammervolumen. Die Vorkammer 81 erstreckt sich von der Kappe 80 bis ins Gehäuse 2 hinein. Der Zwischenraum zwischen Gehäuse 2 und Isolator 3 ist an der Stelle des Gehäuse-Sitzes 25, an dem der Isolator 3 mit seiner Schulter 35 aufliegt, mittels der Innendichtung 10 gasdicht abgedichtet.
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Zwischen der Mittelelektrode 4 und dem Anschlussbolzen 8 befindet sich im Isolator 3 ein Widerstandselement 7, das die Mittelelektrode 4 mit dem Anschlussbolzen 8 elektrisch verbindet.
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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, der sich in der Vorkammer 81 befindet.
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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 Zündkerze 1 in eine Brennkraftmaschine. Dies ist durch den die Vorkammer-Zündkerze 1 umgebenden Zylinderkopf 100 angedeutet, in den die Vorkammer-Zündkerze 1 mittels des Gewindes 22 eingeschraubt ist. 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 gewünschtem Verwendungszweck der Vorkammer-Zündkerze 1 kann die Position der Bohrung im Bereich des Gewindes 22 und der Masseelektrode 5 auf der Innenseite 23 des Gehäuses 2 gewählt werden. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Masseelektrode direkt im Anschluss an die Kappe 80 angeordnet.
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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 51 kleiner als der Kerndurchmesser des Gewindes 22.
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Die Wärmeleitfähigkeit λ der Nickelbasislegierung der Kappe 80 ist in der 2 für zwei erfindungsgemäße Materialien als Funktion der Temperatur T der Nickelbasislegierung bzw. der Kappe 80 beispielhaft dargestellt.
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Die Nickelbasislegierung NiAI2Si2Y ist in der 2 durch eine gestrichelte Linie repräsentiert. Sie weist bei T = 400°C eine Wärmeleitfähigkeit λ von ca. 43 W/mK auf und es weist bei T = 800°C eine Wärmeleitfähigkeit λ von ca. 51 W/mK auf. In dem Intervall zwischen 400°C und 800°C ändert sich die Wärmeleitfähigkeit um 0,02 W/mK2.
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Eine andere Nickelbasislegierung, die 95% Masse-% Nickel aufweist, ist in der 2 durch eine durchgezogene Linie repräsentiert. Sie weist bei T = 400°C eine Wärmeleitfähigkeit λ von ca. 50 W/mK auf und es weist bei T = 800°C eine Wärmeleitfähigkeit λ von ca. 58 W/mK auf. In dem Intervall zwischen 400°C und 800°C ändert sich die Wärmeleitfähigkeit um 0,02 W/mK2.
