DE102021115963A1

DE102021115963A1 - Vorkammerzündkerze für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102021115963A1
Application number: DE102021115963.6A
Authority: DE
Inventors: Simon Malcher; Lukas Mur; Gordon Röttger
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2021-06-21
Filing date: 2021-06-21
Publication date: 2022-06-23

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorkammerzündkerze (1) für eine Brennkraftmaschine, mit einer über mindestens eine Übertrittsausnehmung (12) strömungstechnisch an eine Außenumgebung (13) der Vorkammerzündkerze (1) angebundenen Vorkammer (2), in der eine bereichsweise in einem Isolator (5) eingebettete Zündelektrode (3) und wenigstens eine Masseelektrode (4) angeordnet sind, zwischen welchen ein Zündraum (7) vorliegt. Dabei ist eine Druckspeicherkammer (14) vorgesehen, die über zumindest eine in axialer Richtung bezüglich einer Längsmittelachse (6) der Vorkammerzündkerze (2) von dem Zündraum (7) beabstandete Überströmausnehmung (15) strömungstechnisch an die Vorkammer (2) angeschlossen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorkammerzündkerze für eine Brennkraftmaschine, mit einer über mindestens eine Übertrittsausnehmung strömungstechnisch an eine Außenumgebung der Vorkammerzündkerze angebundenen Vorkammer, in der eine bereichsweise in einem Isolator eingebettete Zündelektrode und wenigstens eine Masseelektrode angeordnet sind, zwischen welchen ein Zündraum vorliegt.
Aus dem Stand der Technik ist beispielsweise die Druckschrift DE 10 2018 130 539 A1 bekannt. Diese beschreibt eine Isolatoranordnung für eine Zündkerzenanordnung, insbesondere für eine Vorkammerzündkerze, mit einem länglichen Grundkörper, der eine Isolatoranordnungs-Längsbohrung zur Aufnahme einer Mittelelektrodenanordnung und ein vorderes Ende aufweist, wobei an einem Außenumfangsabschnitt des Grundkörpers eine Abdichtungsschulter ausgebildet ist, wobei zwischen der Abdichtungsschulter und dem vorderen Ende des Grundkörpers ein axialer Übergangsabschnitt ausgebildet ist, und wobei das vordere Ende des Grundkörpers so ausgebildet ist, dass ein darauf in einer ersten Richtung auftreffender Gasstrom zu wenigstens 50 % in eine der ersten Richtung entgegengesetzte Richtung umgelenkt wird.
Weiterhin offenbart die Druckschrift DE 10 2011 053 530 B4 eine Vorkammerzündkerze, umfassend: eine Hülse, eine an der Hülse angebrachte Endkappe, einen in der Hülse angeordneten Isolator, eine Mittelelektrode, die einen ersten Abschnitt, der vom Isolator umgeben ist, und einen zweiten Abschnitt hat, der sich vom Isolator in eine Vorkammer erstreckt, wobei die Vorkammer in eine hintere Kammer und eine vordere Kammer unterteilt ist und von der Hülse und der Endkappe definiert wird, und eine an der Hülse angebrachte Masseelektrode, wobei die Masseelektrode folgendes aufweist: einen rohrförmigen inneren Ring, der in umgebender Beziehung zur Mittelelektrode beabstandet ist, einen an der Hülse angebrachten äußeren Ring und eine Vielzahl von Speichen, die den inneren und den äußeren Ring miteinander verbinden, wobei sich vom inneren Ring ein rohrförmiger innerer Ring oder Geschwindigkeitsregelungskragen in die vordere Kammer erstreckt.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorkammerzündkerze für eine Brennkraftmaschine vorzuschlagen, welche gegenüber bekannten Vorkammerzündkerzen Vorteile aufweist, insbesondere einen effizienten Betrieb der Brennkraftmaschine über einen weiteren Betriebspunktbereich hinweg ermöglicht.
Dies wird erfindungsgemäß mit einer Vorkammerzündkerze für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Dabei liegt eine Druckspeicherkammer vor, die über zumindest eine in axialer Richtung bezüglich einer Längsmittelachse der Vorkammerzündkerze von dem Zündraum beabstandete Überströmausnehmung strömungstechnisch an die Vorkammer angeschlossen ist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Vorkammerzündkerze bildet bevorzugt einen Bestandteil der Brennkraftmaschine, kann jedoch auch separat von dieser vorliegen. In ersterem Fall ist die Vorkammerzündkerze in einem Brennraum eines Zylinders der Brennkraftmaschine angeordnet beziehungsweise ragt in diesen hinein. Die Vorkammerzündkerze ist hierbei derart angeordnet und ausgestaltet, dass die wenigstens eine Übertrittsausnehmung strömungstechnisch an den Brennraum angebunden ist, sodass der Brennraum über die mindestens eine Übertrittsausnehmung mit der Vorkammer der Vorkammerzündkerze zumindest zeitweise, vorzugsweise permanent, in Strömungsverbindung steht. Die Brennkraftmaschine liegt als fremdgezündete Brennkraftmaschine, bevorzugt als Otto-Brennkraftmaschine vor.
Die Brennkraftmaschine weist zumindest einen Zylinder auf, in dem der Brennraum vorliegt. Der Brennraum wird von einem verlagerbar in dem Zylinder angeordneten Kolben, einer Zylinderwand und einem Zylinderdach begrenzt. Die Zylinderwand ist beispielsweise Teil eines Zylinderkurbelgehäuses, das Zylinderdach Teil eines Zylinderkopfs. Die Vorkammerzündkerze ist strömungstechnisch an den Brennraum angebunden, insbesondere ragt sie in ihn hinein, vorzugsweise durch das Zylinderdach. Während eines Betriebs der Brennkraftmaschine wird ihr Frischgas und Kraftstoff zugeführt, sodass in dem Brennraum ein Frischgas-Kraftstoff-Gemisch vorliegt. Das Gemisch wird verdichtet und anschließend gezündet. Das Frischgas enthält Frischluft und/oder Abgas, zu beliebigen Anteilen. Es kann also auch vorgesehen sein, dass das Frischgas ausschließlich Frischluft enthält.
Die Vorkammerzündkerze weist die Vorkammer auf, an welche die wenigstens eine Übertrittsausnehmung strömungstechnisch angebunden ist. Über die wenigstens eine Übertrittsausnehmung ist die Vorkammer strömungstechnisch an die Außenumgebung der Vorkammerzündkerze beziehungsweise den Brennraum der Brennkraftmaschine angebunden. Die Vorkammerzündkerze kann lediglich genau eine Übertrittsausnehmung aufweisen. Besonders bevorzugt verfügt sie jedoch über mehrere Übertrittsausnehmungen, welche beabstandet voneinander an der Vorkammerzündkerze ausgebildet sind und insbesondere beabstandet voneinander in die Außenumgebung einmünden. Sofern im Rahmen dieser Beschreibung von der Übertrittsausnehmung beziehungsweise der wenigstens einen Übertrittsausnehmung die Rede ist, so ist hierunter stets die Gesamtheit aller Übertrittsausnehmungen der Vorkammerzündkerze zu verstehen, unabhängig davon, ob diese lediglich eine einzige Übertrittsausnehmung oder mehrere Übertrittsausnehmungen umfasst.
In der Vorkammer sind die Zündelektrode und die wenigstens eine Masseelektrode angeordnet. Die Zündelektrode und die wenigstens eine Masseelektrode wirken zumindest zeitweise zusammen, um einen Zündfunken zu erzeugen. Hierzu werden die Zündelektrode und die Masseelektrode mit einem elektrischen Potential beaufschlagt, welches hinreichend groß ist, um die Erzeugung des Zündfunkens zu bewirken. Die Zündelektrode ist bereichsweise in dem Isolator eingebettet. Der Isolator isoliert die Zündelektrode elektrisch von weiteren Bereichen der Vorkammerzündkerze, insbesondere zumindest zeitweise von der Masseelektrode. Der Isolator ist vorzugsweise derart ausgestaltet, dass er die Zündelektrode und die Masseelektrode abseits des Zündraums elektrisch voneinander isoliert, sodass die Zündelektrode und die Masseelektrode lediglich während der Erzeugung des Zündfunkens über den Zündraum elektrisch zusammenwirken. Der Isolator ist bevorzugt als Keramikisolator ausgestaltet, besteht also zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, aus einem keramischen Material.
Die Zündelektrode steht bevorzugt über den Isolator in Richtung der Masseelektrode über. Die Zündelektrode und die Masseelektrode sind jedoch in jedem Fall voneinander beabstandet angeordnet, sodass zwischen ihnen der Zündraum vorliegt, in welchem mittels der Zündelektrode und der höchstens einen Masseelektrode der Zündfunken erzeugt wird. Der Zündraum ist insoweit einerseits von der Zündelektrode und andererseits von der Masseelektrode begrenzt, beispielsweise von der Zündelektrode in radialer Richtung bezüglich der Längsmittelachse der Vorkammerzündkerze nach innen und von der Masseelektrode in radialer Richtung nach außen.
Die Vorkammerzündkerze kann lediglich eine einzige Masseelektrode oder - bevorzugt - mehrere Masseelektroden aufweisen. Sofern im Rahmen dieser Beschreibung von der Masseelektrode oder der wenigstens einen Masseelektrode die Rede ist, so ist darunter stets die Gesamtheit der Masseelektroden der Vorkammerzündkerze zu verstehen, unabhängig davon, ob diese lediglich eine einzige Masseelektrode oder mehreren Masseelektroden umfasst. Verfügt die Vorkammerzündkerze über mehrere Masseelektroden, so sind diese bevorzugt um die Zündelektrode herum verteilt angeordnet, insbesondere gleichmäßig verteilt angeordnet. Insoweit kann der Zündraum bevorzugt als Ringraum angesehen werden, der die Zündelektrode in Umfangsrichtung vollständig umgreift und in radialer Richtung nach außen von den mehreren Masseelektroden begrenzt ist. Es kann vorgesehen sein, dass Längsmittelachsen der mehreren Masseelektroden in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind. In diesem Fall liegt bevorzugt ein freies Ende der Zündelektrode ebenfalls in dieser Ebene.
Eine Vorkammerzündkerze, welche über eine Vorkammer verfügt, zeichnet sich durch einen hohen Wirkungsgrad aus, da eine rasche Verbrennung des der Brennkraftmaschine zugeführtem Kraftstoffs erzielt wird. Dies ist insbesondere bei hohen Lasten der Fall. Herausfordernd sind jedoch Betriebspunkte der Brennkraftmaschine mit späten Zündzeitpunkten. Diese Betriebspunkte liegen beispielsweise nach einem Start der Brennkraftmaschine vor, um eine Abgasnachbehandlungseinrichtung der Brennkraftmaschine, insbesondere einen Fahrzeugkatalysator, aufzuheizen. Die Betriebspunkte können jedoch auch bei Teillast und Vorhaltung einer Momentenreserve auftreten, beispielsweise beim Anfahren eines Kraftfahrzeugs, welches mittels der Brennkraftmaschine angetrieben wird.
In der Vorkammer einer üblichen Vorkammerzündkerze ergibt sich durch die Bewegung des den Brennraum begrenzenden Kolbens im Bereich des oberen Totpunkts sehr wenig Luftbewegung und eine starke Restgasdurchmischung. Dies ist für ein Losbrennen des Kraftstoff-Luft-Gemischs nachteilig. Es könnte daher vorgesehen sein, den Zündort, also die Stelle in der Vorkammer, in welcher der Zündfunken erzeugt wird, möglichst tief in der Vorkammer anzuordnen, damit in der Vorkammer vorliegendes Restgas nach oben gedrückt wird und während der Expansion einen nur geringen negativen Einfluss hat. Hierdurch ergeben sich jedoch Einschränkungen bei höheren Lasten. Das bedeutet, dass die übliche Vorkammerzündkerze lediglich über einen geringen Betriebspunktbereich gewinnbringend eingesetzt werden kann und bei außerhalb des Betriebspunktbereichs liegenden Betriebspunkte hinsichtlich der Effizienz der Brennkraftmaschine nachteilig ist.
Aus diesem Grund ist gemäß der Erfindung die Druckspeicherkammer vorgesehen, die von der Vorkammer verschieden ist und über die zumindest eine Überströmausnehmung an die Vorkammer strömungstechnisch angebunden ist. Die zumindest eine Überströmausnehmung ist hierbei in axialer Richtung bezüglich der Längsmittelachse der Vorkammerzündkerze von dem Zündraum beabstandet angeordnet. Die Druckspeicherkammer ist also gerade kein allein mittels der Zündelektrode und der mindestens einen Masseelektrode von der Vorkammer abgetrennte Kammer, sondern ist tatsächlich vollständig von der Vorkammer separat ausgestaltet.
Die Druckspeicherkammer kann in axialer Richtung neben der Vorkammer angeordnet oder von ihr beabstandet sein. Alternativ ist die Druckspeicherkammer in radialer Richtung benachbart zu der Druckspeicherkammer angeordnet oder von ihr beabstandet. Beispielsweise ist es vorgesehen, insbesondere in letzterem Fall, dass die Druckspeicherkammer mittels einer Wand von der Vorkammer abgetrennt ist. Die Druckspeicherkammer liegt hierbei bevorzugt als Ringkammer vor, die wenigstens einen Teil der Vorkammer und/oder des Zündraums umgreift, insbesondere in Umfangsrichtung durchgehend. In jedem Fall ist jedoch die Überströmausnehmung in axialer Richtung von dem Zündraum beabstandet angeordnet. Insbesondere ist eine Mündungsöffnung, über welche die Überströmausnehmung in die Vorkammer einmündet, von dem Zündraum beabstandet, nämlich wiederum in axialer Richtung. Zusätzlich kann ein Abstand in radialer Richtung vorliegen.
Es kann vorgesehen sein, dass die Vorkammerzündkerze lediglich eine einzige Überströmausnehmung aufweist. Besonders bevorzugt liegen jedoch mehrere Überströmausnehmungen vor, welche in Umfangsrichtung bezüglich der Längsmittelachse der Vorkammerzündkerze verteilt angeordnet sind, insbesondere gleichmäßig verteilt. Soweit im Rahmen dieser Beschreibung von der Überströmausnehmung oder der zumindest einen Überströmausnehmung die Rede ist, so ist hierunter stets die Gesamtheit der Überströmausnehmungen zu verstehen, unabhängig davon, ob diese lediglich eine einzige Überströmausnehmung oder mehrere Überströmausnehmungen umfasst.
Die Druckspeicherkammer dient während des Betriebs der Brennkraftmaschine als Druckspeicher. Das das bedeutet, dass während eines Kompressionstakts der Brennkraftmaschine in der Vorkammer vorliegendes Fluid über die Überströmausnehmung in die Druckspeicherkammer gedrängt wird, sodass sich der dort vorliegende Druck erhöht. Während eines Expansionstakts der Brennkraftmaschine strömt das Fluid aus der Druckspeicherkammer zurück in die Vorkammer, nämlich über die Überströmausnehmung. Hierdurch wird in der Vorkammer Turbulenz generiert, insbesondere in dem Zündraum, sodass eine deutliche Verbesserung der Zündbedingungen erzielt wird. Der Kompressionstakt liegt hierbei vor einem Erreichen des oberen Totpunkts durch den Kolben des jeweiligen Zylinders und der Expansionstakt nach dem Erreichen des oberen Totpunkts durch den Kolben vor.
Mithilfe der beschriebenen Ausgestaltung der Vorkammerzündkerze wird also nicht lediglich ein Hin- und Herströmen des Fluid zwischen der Vorkammer und der Druckspeicherkammer erzielt, sondern aufgrund der axialen Beabstandung der Überströmausnehmung von dem Zündraum wird in dem Zündraum zumindest zeitweise eine die Zündung unterstützende Turbulenz erzeugt. Insgesamt ergibt sich somit eine deutlich verbesserte Effizienz der Brennkraftmaschine und dies über einen weiten Betriebspunktbereich hinweg, insbesondere über den gesamten Betriebspunktbereich der Brennkraftmaschine, der während eines bestimmungsgemäßen Betriebs der Brennkraftmaschine auftritt.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Vorkammer in axialer Richtung einerseits von einer ersten Vorkammerwand und andererseits von einer zweiten Vorkammerwand begrenzt ist, wobei die erste Vorkammerwand zumindest eine Durchtrittsausnehmung aufweist, über welche die Vorkammer strömungstechnisch an die wenigstens eine Übertrittsausnehmung angeschlossen ist, und die zweite Vorkammerwand von der zumindest einen Überströmausnehmung unter Ausbildung einer Überströmmündungsöffnung durchgriffen ist. Die Vorkammer liegt also in axialer Richtung bezüglich der Längsmittelachse der Vorkammerzündkerze zwischen der ersten Vorkammerwand und der zweiten Vorkammerwand vor.
Die erste Vorkammerwand ist von der Durchtrittsausnehmung durchgriffen, welche insoweit in die Vorkammer einmündet. Über die Durchtrittsausnehmung ist die Vorkammer strömungstechnisch an die wenigstens eine Übertrittsausnehmung angeschlossen beziehungsweise mit ihr strömungstechnisch verbunden. Die Durchtrittsausnehmung kann der Übertrittsausnehmung entsprechen oder zumindest einen Teil von ihr ausbilden. Vorzugsweise weist die Durchtrittsausnehmung eine kleinere Durchströmungsquerschnittsfläche auf als die Vorkammer auf ihrer der Durchtrittsausnehmung zugewandten Seite.
Beispielsweise ist die Durchtrittsausnehmung bezüglich der Längsmittelachse der Vorkammerzündkerze mittig angeordnet. Zusätzlich oder alternativ weist sie eine zylindrische Gestalt auf, insbesondere eine kreiszylindrische Gestalt. Besonders bevorzugt weist die Durchtrittsausnehmung eine Erstreckung in axialer Richtung auf, welche mindestens 50 %, mindestens 75 % oder mindestens 100 % der Erstreckung der Vorkammer in derselben Richtung entspricht.
Auf der der Vorkammer abgewandten Seite der Durchtrittsausnehmung mündet die wenigstens eine Übertrittsausnehmung in die Durchtrittsausnehmung ein. Liegen mehrere Übertrittsausnehmung vor, so münden diese vorzugsweise beabstandet voneinander in die Durchtrittsausnehmung ein. Insbesondere erstrecken sich die Übertrittsausnehmungen ausgehend von der Durchtrittsausnehmung in radialer Richtung nach außen. Hierbei sind sie weiter bevorzugt gegenüber der Längsmittelachse angewinkelt und schließen mit dieser bevorzugt einen Winkel ein, welcher größer als 0° und kleiner als 90° ist. Beispielsweise beträgt der Winkel mindestens 30° und höchstens 60°.
Die zweite Vorkammerwand liegt in axialer Richtung bezüglich der Längsmittelachse der Vorkammerzündkerze gesehen zwischen der Vorkammer und der Druckspeicherkammer vor. Sie wird von der Überströmausnehmung durchgriffen, die hierbei seitens der Vorkammer die Überströmmündungsöffnung ausbildet. Liegen mehrere Überströmausnehmungen vor, so wird von jeder dieser Überströmausnehmungen eine separate Überströmmündungsöffnung ausgebildet. Diese mehreren Überströmmündungsöffnung sind beabstandet voneinander an der zweiten Vorkammerwand auf ihrer der Vorkammer zugewandten Seite angeordnet.
Bezogen auf einen Abstand zwischen der ersten Vorkammerwand und der zweiten Vorkammerwand in axialer Richtung erstreckt sich die Zündelektrode bevorzugt zu mindestens 10 %, mindestens 20 % oder mindestens 30 % in die Vorkammer hinein, nämlich über die erste Vorkammerwand überstehend. Ein der zweiten Vorkammerwand zugewandtes Ende der Zündelektrode weist insoweit von der ersten Vorkammerwand einen Abstand auf, welcher mindestens 10 %, mindestens 20 % oder mindestens 30 % des Abstands der beiden Vorkammerwände in axialer Richtung entspricht. Die beschriebene Ausgestaltung der Vorkammerzündkerze stellt eine besonders effektive Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemischs in der Vorkammer sicher.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Zündelektrode als bezüglich der Längsmittelachse zentriert angeordnete Mittelelektrode vorliegt und aus dem Isolator in die Vorkammer ragt. Unter der Mittelelektrode ist die bezüglich der Längsmittelachse der Vorkammerzündkerze zentrierte Zündelektrode zu verstehen. Das bedeutet, dass eine Längsmittelachse der Zündelektrode mit der Längsmittelachse der Vorkammerzündkerze zusammenfällt. Die Zündelektrode ist bereichsweise in dem Isolator eingebettet und erstreckt sich aus diesem heraus, nämlich derart, dass sie in die Vorkammer hineinragt.
Beispielsweise ragt zusätzlich der Isolator in die Vorkammer hinein. Besonders bevorzugt ist es jedoch vorgesehen, dass der Isolator in axialer Richtung bezüglich der Längsmittelachse der Vorkammerzündkerze gesehen auf der der ersten Vorkammerwand abgewandten Seite der zweiten Vorkammerwand endet. Von dort ausgehend erstreckt sich die Zündelektrode bis in die Vorkammer hinein, also bis in den in axialer Richtung zwischen den beiden Vorkammerwänden liegenden Bereich. Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass auch der Isolator bezüglich der Längsmittelachse der Vorkammerzündkerze zentriert angeordnet ist. Beispielsweise liegt der Isolator als um eine Rotationsachse herum ausgebildeter Rotationskörper vor, wobei die Rotationsachse mit der Längsmittelachse zusammenfällt. Eine derartige Ausgestaltung der Vorkammerzündkerze ermöglicht eine besonders effektive Zündung des in der Vorkammer vorliegenden Kraftstoff-Luft-Gemischs.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Vorkammer in radialer Richtung nach außen von einer Vorkammeraußenwand begrenzt ist, von welcher ausgehend sich die wenigstens eine Masseelektrode beabstandet von der ersten Vorkammerwand und der zweiten Vorkammerwand in radialer Richtung nach innen erstreckt, sodass der Zündraum in radialer Richtung nach innen von der Zündelektrode und in radialer Richtung nach außen von der Masseelektrode begrenzt ist. Schlussendlich wird also die Vorkammer in axialer Richtung auf gegenüberliegenden Seiten von den beiden Vorkammerwänden und in radialer Richtung nach außen von der Vorkammeraußenwand begrenzt.
Die Vorkammeraußenwand liegt vorzugsweise als Hohlzylinder, insbesondere als Hohlkreiszylinder, vor. Die Masseelektrode ist vorzugsweise an der Vorkammeraußenwand befestigt und erstreckt sich ausgehend von dieser in radialer Richtung nach innen, nämlich in Richtung der Zündelektrode. Dies erfolgt derart, dass der Zündraum zwischen der Zündelektrode und der Masseelektrode ausgebildet ist und insoweit in radialer Richtung auf gegenüberliegenden Seiten von der Zündelektrode und der Masseelektrode begrenzt wird. Liegen mehrere Masseelektrode vor, so gilt das Beschriebene bevorzugt für jede dieser mehreren Masseelektroden. Mit der beschriebenen Ausgestaltung der Vorkammerzündkerze wird ein besonders effizienter Betrieb der Brennkraftmaschine erzielt.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Isolator die Druckspeicherkammer durchgreift, sodass die Druckspeicherkammer als Ringkammer ausgebildet ist. Bevorzugt durchgreift der Isolator die Druckspeicherkammer in axialer Richtung bezüglich der Längsmittelachse der Vorkammerzündkerze vollständig. Beispielsweise ist es hierbei vorgesehen, dass der Isolator die Druckspeicherkammer in axialer Richtung einerseits begrenzt, nämlich insbesondere auf ihrer der Vorkammer in axialer Richtung abgewandten Seite. Aufgrund des Durchgreifens der Druckspeicherkammer durch den Isolator liegt die Druckspeicherkammer als Ringkammer vor. Vorzugsweise ist die Druckspeicherkammer dabei in radialer Richtung nach innen von dem Isolator und in radialer Richtung nach außen von einer Wand, insbesondere eines Gehäuses der Vorkammerzündkerze, begrenzt. Hierdurch ist die Druckspeicherkammer mit geringem konstruktiven Aufwand realisiert.
Alternativ kann es selbstverständlich auch vorgesehen sein, dass die Druckspeicherkammer sowohl in radialer Richtung nach innen als auch in radialer Richtung nach außen von der Wand beziehungsweise Wänden, insbesondere des Gehäuses der Vorkammerzündkerze, begrenzt ist. In diesem Fall liegt also die Wand beziehungsweise eine der Wände in radialer Richtung zwischen dem Isolator und der Druckspeicherkammer vor. Besonders bevorzugt ist die Druckspeicherkammer abseits der Überströmausnehmung durchgehend von der Wand beziehungsweise den Wänden begrenzt. Hierdurch werden eine besonders gute Dichtheit und eine hohe Druckfestigkeit der Druckspeicherkammer erzielt.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Vorkammer und die Druckspeicherkammer durch die zweite Vorkammerwand in axialer Richtung voneinander separiert sind, wobei von der zweiten Vorkammerwand ein in die Druckspeicherkammer hineinragender Ringkragen ausgeht. Die zweite Vorkammerwand liegt in axialer Richtung bezüglich der Längsmittelachse der Vorkammerzündkerze zwischen der Vorkammer und der Druckspeicherkammer vor. Von der zweiten Vorkammerwand geht der Ringkragen aus, welcher sich in axialer Richtung jedoch lediglich teilweise durch die Druckspeicherkammer hindurch erstreckt. Der Ringkragen begrenzt einen Durchbruch für den Isolator, durch welchen hindurch der Isolator sich in Richtung der Vorkammer erstreckt. Der Isolator ist insoweit in dem Durchbruch angeordnet und durchgreift diesen in axialer Richtung zumindest teilweise.
Der Isolator liegt vorzugsweise an dem Ringkragen an, insbesondere in Umfangsrichtung durchgehend und ununterbrochen. Hierdurch ist mittels des Isolators der Durchbruch verschlossen, sodass die strömungstechnische Verbindung zwischen der Vorkammer und der Druckspeicherkammer ausschließlich über die zumindest eine Überströmausnehmung vorliegt. Insbesondere ist ein dichtendes oder zumindest nahezu dichtendes Anliegen des Isolators an dem Ringkragen realisiert. Es kann vorgesehen sein, dass der Isolator unmittelbar an dem Ringkragen anliegt. Bevorzugt liegt er jedoch lediglich mittelbar über eine Dichtung an diesem an, um eine besonders gute Dichtwirkung zu erzielen. Alternativ kann es vorgesehen sein, dass der Isolator und der Ringkragen derart zueinander angeordnet sind, dass sie eine Labyrinthdichtung miteinander ausbilden. Zwischen dem Isolator und dem Ringkragen liegt insoweit ein Spalt vor, welcher jedoch derart kleine Abmessungen aufweist, dass ein Überströmen von Fluid aus der Druckspeicherkammer in die Vorkammer und umgekehrt weitgehend oder sogar vollständig vermieden wird. Die beschriebene Ausgestaltung ermöglicht wiederum die Realisierung der Druckspeicherkammer mit geringem konstruktiven Aufwand.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass eine seitens der Überströmmündungsöffnung vorliegende Längsmittelachse der zumindest einen Überströmausnehmung bezüglich der Längsmittelachse der Vorkammerzündkerze angewinkelt ist. Allgemein ausgedrückt ist die Überströmausnehmung auf ihrer der Vorkammer zugewandten Seite gegenüber der Längsmittelachse der Vorkammerzündkerze angewinkelt. Konkret ist die Längsmittelachse der Überströmausnehmung gegenüber der Längsmittelachse der Vorkammerzündkerze angewinkelt. Die Längsmittelachse der Überströmausnehmung liegt hierbei auf der Seite der Vorkammer vor und verläuft insoweit mittig durch die Überströmmündungsöffnung.
Besonders bevorzugt ist die Überströmausnehmung durchgehend gerade, sodass die mittig durch die Überströmmündungsöffnung verlaufende Längsmittelachse über die gesamte Erstreckung der Überströmausnehmung mittig in dieser verläuft. Falls hingegen eine gekrümmte oder geknickte Ausgestaltung der Überströmausnehmung vorgesehen ist, so liegt die Längsmittelachse auf der der Vorkammer zugewandten Seite der Überströmausnehmung mittig in dieser vor, sodass sie - wie bereits erläutert - mittig durch die Überströmmündungsöffnung verläuft.
Der Winkel zwischen der Überströmausnehmung beziehungsweise ihrer Längsmittelachse und der Längsmittelachse der Vorkammerzündkerze ist zum einen größer als 0° und zum anderen kleiner als 180° oder kleiner als 90°. Bevorzugt beträgt der Winkel mindestens 30° und höchstens 60°, mindestens 35° und höchstens 55°, höchstens 40° und höchstens 50° oder in etwa oder genau 45°. Durch die angewinkelte Ausrichtung der Überströmausnehmung wird eine besonders effektive Turbulenzerzeugung in der Vorkammer und damit ein besonders effizienter Betrieb der Brennkraftmaschine erzielt.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Längsmittelachse der zumindest einen Überströmausnehmung durch den Zündraum verläuft. In anderen Worten schneidet die Längsmittelachse den Zündraum. Liegen mehrere Überströmausnehmungen vor, so schneiden die Längsmittelachsen der Überströmausnehmung vorzugsweise die Längsmittelachse der Vorkammerzündkerze, insbesondere in axialer Richtung in Überdeckung mit der Masseelektrode und/oder einem freien Ende der Zündelektrode. Es kann alternativ jedoch vorgesehen sein, dass die Längsmittelachse der Überströmausnehmung beabstandet von der Längsmittelachse der Vorkammerzündkerze verläuft, also windschief zu dieser angeordnet ist. Hierdurch strömt das Fluid aus der Druckspeicherkammer mit einem Drall in Umfangsrichtung bezüglich der Längsmittelachse der Vorkammerzündkerze in die Vorkammer ein, sodass der Turbulenzgrad weiter erhöht wird. Insgesamt wird mit der beschriebenen Ausgestaltung der Vorkammerzündkerze eine besonders hohe Effizienz erzielt.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die wenigstens eine Überströmausnehmung eine kleinere Durchströmungsquerschnittsfläche aufweist als die zumindest eine Übertrittsausnehmung. Unter der wenigstens einen Überströmausnehmung ist hierbei die Gesamtheit aller Überströmausnehmungen und unter der zumindest einen Übertrittsausnehmung die Gesamtheit aller Übertrittsausnehmungen zu verstehen. Aufgrund der kleineren Durchströmungsquerschnittsfläche der Überströmausnehmung im Vergleich mit der Übertrittsausnehmung wird zum einen eine Drosselwirkung und zum anderen eine besonders hohe Strömungsgeschwindigkeit erzielt. Dies ist wiederum einem hohen Turbulenzgrad in der Vorkammer zuträglich, sodass schlussendlich die Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemischs mit hoher Effizienz erfolgt.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die wenigstens eine Übertrittsausnehmung sich ausgehend von der Durchtrittsausnehmung in radialer Richtung nach außen erstreckt. Die Durchtrittsausnehmung schließt sich wie bereits erläutert an die Vorkammer an und verbindet diese mit der wenigstens einen Übertrittsausnehmung. Die Übertrittsausnehmung verläuft bevorzugt durchgehend gerade. Eine Längsmittelachse der Übertrittsausnehmung schneidet bevorzugt die Längsmittelachse der Vorkammerzündkerze, sodass das die Übertrittsausnehmung durchströmende Fluid keine Hauptgeschwindigkeitskomponente in Umfangsrichtung aufweist. Alternativ ist eine angewinkelte oder windschiefe Anordnung der Übertrittsausnehmung bezüglich der Längsmittelachse der Vorkammerzündkerze realisiert, sodass das die Übertrittsausnehmung durchströmende Fluid eine Hauptgeschwindigkeitskomponente in Umfangsrichtung aufgeprägt bekommt.
Vorzugsweise verfügt die Übertrittsausnehmung über eine Erstreckung in ihrer axialen Richtung, welche mindestens 50 %, mindestens 75 % oder mindestens 100 % der Erstreckung der Durchtrittsausnehmung in axialer Richtung bezüglich der Längsmittelachse der Vorkammerzündkerze entspricht. Zusätzlich oder alternativ erstreckt sich die Übertrittsausnehmung in radialer Richtung ausgehend von der Durchtrittsausnehmung zumindest bis zu der Vorkammeraußenwand, insbesondere über diese hinaus, sodass die Übertrittsausnehmung in radialer Richtung weiter außen liegend endet als die Vorkammer. Wiederum wird mit der beschriebenen Ausgestaltung der Vorkammerzündkerze eine besonders effektive Zündung und ein entsprechend effizienter Betrieb der Brennkraftmaschine realisiert.
Die Erfindung betrifft selbstverständlich auch eine Brennkraftmaschine mit einer Vorkammerzündkerze, insbesondere einer Vorkammerzündkerze gemäß den Ausführungen im Rahmen dieser Beschreibung. Die Vorkammerzündkerze weist eine über wenigstens eine Übertrittsausnehmung strömungstechnisch an eine Außenumgebung der Vorkammerzündkerze angebundene Vorkammer auf, in der eine bereichsweise in einem Isolator eingebettete Zündelektrode und wenigstens eine Masseelektrode angeordnet sind, zwischen welchen ein Zündraum vorliegt. Die Brennkraftmaschine zeichnet sich durch eine Druckspeicherkammer der Vorkammerzündkerze aus, die über zumindest eine in axialer Richtung bezüglich einer Längsmittelachse der Vorkammerzündkerze von dem Zündraum beabstandete Überströmausnehmung strömungstechnisch an die Vorkammer angeschlossen ist.
Auf die Vorteile einer derartigen Ausgestaltung der Vorkammerzündkerze beziehungsweise der Brennkraftmaschine wurde bereits hingewiesen. Sowohl die Brennkraftmaschine als auch die Vorkammerzündkerze können gemäß den Aussagen im Rahmen dieser Beschreibung weitergebildet sein, sodass insoweit auf diese verwiesen wird.
Die Brennkraftmaschine weist wenigstens einen Zylinder auf, in welchem ein Kolben verlagerbar angeordnet ist. Der Kolben begrenzt gemeinsam mit einer Zylinderwand und einem Zylinderdach einen Brennraum der Brennkraftmaschine beziehungsweise des Zylinders. Mit dem Brennraum ist die Vorkammerzündkerze strömungstechnisch verbunden, insbesondere ragt hierzu die Vorkammerzündkerze in den Brennraum hinein. Vorzugsweise durchgreift die Vorkammerzündkerze das Zylinderdach, insbesondere ist sie hierzu an einem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine befestigt.
Die in der Beschreibung beschriebenen Merkmale und Merkmalskombinationen, insbesondere die in der nachfolgenden Figurenbeschreibung beschriebenen und/oder in den Figuren 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. Es sind somit auch Ausführungsformen als von der Erfindung umfasst anzusehen, die in der Beschreibung und/oder den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch aus den erläuterten Ausführungsformen hervorgehen oder aus ihnen ableitbar sind.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dass eine Beschränkung der Erfindung erfolgt. Dabei zeigt die einzige

1 eine schematische Teilschnittdarstellung einer Vorkammerzündkerze für eine Brennkraftmaschine.

Die 1 zeigt eine schematische Teilschnittdarstellung einer Vorkammerzündkerze 1 für eine Brennkraftmaschine. Die Vorkammerzündkerze 1 verfügt über eine Vorkammer 2, in welcher eine Zündelektrode 3 und wenigstens eine Masseelektrode 4, in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel mehrere Masseelektroden 4, angeordnet sind. Die Zündelektrode 3 ist in einen Isolator 5 eingebettet, welchen sie in axialer Richtung wenigstens teilweise durchgreift. In jedem Fall ragt sie in Richtung der Vorkammer 2 aus dem Isolator 5 heraus und erstreckt sich bis in die Vorkammer 2 hinein.
Ein freies Ende der Zündelektrode 3 ist in axialer Richtung bezüglich einer Längsmittelachse 6 der Vorkammerzündkerze 1 in Überdeckung mit den Masseelektroden 4, insbesondere mit freien Enden der Masseelektroden 4, angeordnet. Das bedeutet, dass die Zündelektrode 3 zwischen den Masseelektroden 4 endet, sodass zwischen der Zündelektrode 3 und den Masseelektroden 4 ein Zündraum 7 gebildet ist, der in radialer Richtung nach innen von der Zündelektrode 3 und in radialer Richtung nach außen von den Masseelektroden 4 begrenzt ist. Es ist erkennbar, dass die Zündelektrode 3 als Mittelelektrode vorliegt und entsprechend bezüglich der Längsmittelachse 6 zentriert ist.
Die Vorkammer 2 wird in axialer Richtung bezüglich der Längsmittelachse 6 einerseits von einer ersten Vorkammerwand 8 und andererseits von einer zweiten Vorkammerwand 9 begrenzt. Das freie Ende der Zündelektrode 3 liegt hierbei in axialer Richtung gesehen beabstandet von beiden Vorkammerwänden 8 und 9 vor, beispielsweise weist es von der zweiten Vorkammerwand 9 einen Abstand auf, welcher bezogen auf den Abstand zwischen den beiden Vorkammerwänden 8 und 9 mindestens 10 % und höchstens 50 %, mindestens 20 % und höchstens 40 % oder in etwa oder genau 30 % entspricht. In radialer Richtung nach außen ist die Vorkammer 2 von einer Vorkammeraußenwand 10 begrenzt, von welcher ausgehend sich die Masseelektroden 4 in radialer Richtung nach innen hin zu der Zündelektrode 3 erstrecken.
Die erste Vorkammerwand 8 ist von einer Durchtrittsausnehmung 11 durchgriffen, welche zylindrisch, insbesondere kreiszylindrisch, ausgestaltet ist. In axialer Richtung bezüglich der Längsmittelachse 6 weist die Durchtrittsausnehmung 11 vorzugsweise eine Erstreckung auf, welche mindestens 50 %, mindestens 75 % oder mindestens 100 % des Abstands zwischen den Vorkammerwänden 8 und 9 entspricht. Auf ihrer der Vorkammer 2 abgewandten Seite mündet in die Durchtrittsausnehmung 11 wenigstens eine Übertrittsausnehmung 12, in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel mehrere Übertrittsausnehmungen 12, ein. Die Übertrittsausnehmungen 12 verlaufen ausgehend von der Durchtrittsausnehmung 11 in radialer Richtung nach außen und sind in axialer Richtung von der Vorkammer 2 fortgeneigt. Mit zunehmendem Abstand von der Durchtrittsausnehmung 11 nimmt also der Abstand der Übertrittsausnehmungen 12 von der Vorkammer 2 zu. Über die Übertrittsausnehmungen 12 ist die Vorkammer 2 an eine Außenumgebung 13 der Vorkammerzündkerze 1 strömungstechnisch angebunden.
Die Vorkammerzündkerze 1 zeichnet sich insbesondere durch eine Druckspeicherkammer 14 aus, die auf der den Übertrittsausnehmungen 12 in axialer Richtung abgewandten Seite der Vorkammer 2 angeordnet ist. Die Druckspeicherkammer 14 ist über zumindest eine Überströmausnehmung 15, in dem hier dargestellten Ausgangsbeispiel über mehrere Überströmausnehmungen 15, strömungstechnisch an die Vorkammer 2 angebunden. Die Überströmausnehmungen 15 sind bezüglich der Längsmittelachse 6 angewinkelt, nämlich derart, dass sie in Richtung des Zündraums 7 weisen. Anders ausgedrückt sind die Überströmausnehmung in 15 in Richtung des Zündraums 7 ausgerichtet. Sie durchgreifen hierbei die zweite Vorkammerwand 9 unter Ausbildung von Überströmmündungsöffnungen 16, von welchen hier lediglich eine erkennbar ist. Vorzugsweise verlaufen die Überströmausnehmungen 15 durchgehend gerade.
Die Druckspeicherkammer 14 liegt in Form einer Ringkammer vor. Zur Ausbildung der Ringkammer wird sie von dem Isolator 5 durchgriffen, bevorzugt in axialer Richtung vollständig. Um eine strömungstechnische Abdichtung zwischen der Vorkammer 2 und der Druckspeicherkammer 14 zu erzielen, geht von der zweiten Vorkammerwand 9 ein Ringkragen 17 aus, mit welchem der Isolator 5 dichtend zusammenwirkt, sodass eine Strömungsverbindung zwischen der Vorkammer 2 und der Druckspeicherkammer 14 ausschließlich oder zumindest nahezu ausschließlich über die Überströmausnehmungen 15 vorliegt. Das dichtende Zusammenwirken von Isolator 5 und Ringkragen 17 kann durch ein unmittelbares Anliegen des Isolators 5 an dem Ringkragen 17 oder durch ein Zusammenwirken zum Ausbilden einer Labyrinthdichtung erfolgen. Es kann vorgesehen sein, dass die Überströmausnehmungen 15 zumindest teilweise durch den Ringkragen 17 in die Druckspeicherkammer 14 einmünden, dass also Mündungsöffnungen der Überströmausnehmungen 15 auf Seiten der Druckspeicherkammer 14 zumindest bereichsweise oder sogar vollständig in einer Mantelfläche des Ringkragens 17 vorliegen.
Vorzugsweise liegen weniger Überströmausnehmungen 15 als Übertrittsausnehmungen 12 vor. Zusätzlich oder alternativ ist eine Durchströmungsquerschnittsfläche jeder der Überströmausnehmung 15 kleiner als eine Durchströmungsquerschnittsfläche jeder der Übertrittsausnehmungen 12. Besonders bevorzugt ist insoweit die Vorkammer 2 an die Druckspeicherkammer 14 mit einer kleineren Durchströmungsquerschnittsfläche angebunden als an die Au-ßenumgebung 13. Hierdurch wird eine besonders effektive Turbulenzerzeugung im Bereich der Zündelektrode 3 mittels die Überströmausnehmungen 15 in Richtung der Vorkammer 2 durchströmendem Fluid erzielt. Dies führt wiederum zu einem besonders effizienten Betrieb der Brennkraftmaschine.
Bezugszeichenliste

1: Vorkammerzündkerze
2: Vorkammer
3: Zündelektrode
4: Masseelektrode
5: Isolator
6: Längsmittelachse
7: Zündraum
8: 1. Vorkammerwand
9: 2. Vorkammerwand
10: Vorkammeraußenwand
11: Durchtrittsausnehmung
12: Übertrittsausnehmung
13: Außenumgebung
14: Druckspeicherkammer
15: Überströmausnehmung
16: Überströmmündungsöffnung
17: Ringkragen

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

DE 102018130539 A1 [0002]
DE 102011053530 B4 [0003]

Claims

Vorkammerzündkerze (1) für eine Brennkraftmaschine, mit einer über mindestens eine Übertrittsausnehmung (12) strömungstechnisch an eine Au-ßenumgebung (13) der Vorkammerzündkerze (1) angebundenen Vorkammer (2), in der eine bereichsweise in einem Isolator (5) eingebettete Zündelektrode (3) und wenigstens eine Masseelektrode (4) angeordnet sind, zwischen welchen ein Zündraum (7) vorliegt, gekennzeichnet durch eine Druckspeicherkammer (14), die über zumindest eine in axialer Richtung bezüglich einer Längsmittelachse (6) der Vorkammerzündkerze (2) von dem Zündraum (7) beabstandete Überströmausnehmung (15) strömungstechnisch an die Vorkammer (2) angeschlossen ist.
Vorkammerzündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorkammer (2) in axialer Richtung einerseits von einer ersten Vorkammerwand (8) und andererseits von einer zweiten Vorkammerwand (9) begrenzt ist, wobei die erste Vorkammerwand (8) zumindest eine Durchtrittsausnehmung (11) aufweist, über welche die Vorkammer (2) strömungstechnisch an die wenigstens eine Übertrittsausnehmung (12) angeschlossen ist, und die zweite Vorkammerwand (9) von der zumisst einen Überströmausnehmung (15) unter Ausbildung einer Überströmmündungsöffnung (16) durchgriffen ist.
Vorkammerzündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündelektrode (3) als bezüglich der Längsmittelachse (6) zentriert angeordnete Mittelelektrode vorliegt und aus dem Isolator (5) in die Vorkammer (2) ragt.
Vorkammerzündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorkammer (2) in radialer Richtung nach außen von einer Vorkammeraußenwand (10) begrenztes, von welcher ausgehend sich die wenigstens eine Masseelektrode (4) beabstandet von der ersten Vorkammerwand (8) und der zweiten Vorkammerwand (9) in radialer Richtung nach innen erstreckt, sodass der Zündraum (7) in radialer Richtung nach innen von der Zündelektrode (3) und und in radialer Richtung nach außen von der Masseelektrode (4) begrenztes.
Vorkammerzündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolator (5) die Druckspeicherkammer (14) durchgreift, sodass die Druckspeicherkammer (14) als Ringkammer ausgebildet ist.
Vorkammerzündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorkammer (2) und die Druckspeicherkammer (14) durch die zweite Vorkammerwand (9) in axialer Richtung voneinander separiert sind, wobei von der zweiten Vorkammerwand (9) ein in die Druckspeicherkammer (14) hineinragender Ringkragen (17) ausgeht.
Vorkammerzündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine seitens der Überströmmündungsöffnung (16) vorliegende Längsmittelachse der zumindest einen Überströmausnehmung (15) bezüglich der Längsmittelachse (6) der Vorkammerzündkerze (1) angewinkelt ist.
Vorkammerzündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsmittelachse der zumindest einen Überströmausnehmung (15) durch den Zündraum (7) verläuft.
Vorkammerzündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigsten seine Überströmausnehmung (15) eine kleinere Durchdringungsquerschnittsfläche aufweist als die zumindest eine Übertrittsausnehmung (12).
Vorkammerzündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigsten seine Übertrittsausnehmung (12) sich ausgehend von der Durchtrittsausnehmung (11) in radialer Richtung nach außen erstreckt.