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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorkammerzündkerze mit einem verbesserten Aufheizverhalten insbesondere von Kappen der Vorkammerzündkerzen.
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Vorkammerzündkerzen sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Ein Haupteinsatzgebiet von Vorkammerzündkerzen ist dabei in stationären Gasmotoren, welche üblicherweise in einem Betriebspunkt mit hoher Last laufen. Bei derartigen stationären Gasmotoren ergibt sich manchmal eine zu starke Erhitzung, welche zu ungewollten Glühzündungen der Vorkammerzündkerze führen können. Daher wurde in der
DE 10 2018 221 919 A1 eine Vorkammerzündkerze vorgeschlagen, welche verstärkte Materialansammlungen an einem Kappenboden aufweist. Bei der Verwendung einer Vorkammerzündkerze in einer mobilen Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs ergeben sich jedoch anders gelagerte Probleme. Insbesondere besteht das Problem nach einem Kaltstart und in einem Teillastbereich der Brennkraftmaschinen derart, dass die Vorkammerzündkerze keine hohe Temperatur im Bereich der Kappe aufweist, um einen stabilen Verbrennungsverlauf und eine sichere Zündung innerhalb der Vorkammer der Vorkammerzündkerze zu garantieren. Dadurch kann sich ein unerwünschtes Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine des Fahrzeugs ergeben. Es wäre daher wünschenswert, eine verbesserte Vorkammerzündkerze für eine Verwendung in einer mobilen Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs zu haben.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Vorkammerzündkerze mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass ein stabiler Verbrennungsverlauf auch nach einem Kaltstart einer mobilen Brennkraftmaschine oder in einem Teillastbetrieb der mobilen Brennkraftmaschine erreichbar ist. Insbesondere kann ein vorteilhaftes Aufheizverhalten einer Kappe der Vorkammerzündkerze erreicht werden. Dies ermöglicht einen betriebssicheren Einsatz von Vorkammerzündkerzen in mobilen Brennkraftmaschinen, beispielsweise von Fahrzeugen. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Vorkammerzündkerze ein Gehäuse, eine Vorkammer und eine Kappe umfasst. Die Kappe schließt die Vorkammer am Gehäuse ab und weist mehrere Durchgangsöffnungen auf. Eine Zündeinrichtung ist in der Vorkammer angeordnet. Weiterhin weist die Kappe einen Kappenboden und einen Kappenmantel auf. Der Kappenmantel und eine Gehäuseinnenwand des Gehäuses definieren eine Vorkammerinnenwand, wobei die Vorkammer dann durch Vorkammerinnenwand und den Kappenboden definiert ist. Hierbei ist im Bereich der Vorkammerinnenwand wenigstens eine, in die Vorkammer vorstehende Rippe oder dergleichen ausgebildet. Mittels der in der in die Vorkammer vorstehenden Rippen ist es möglich, dass eine Temperatur in der Vorkammer erhöht wird, sodass auch eine sichere Zündung bei einem Kaltstart einer Brennkraftmaschine und im Teillastbereich, wie sie beispielsweise bei Fahrzeugen auftreten, möglich ist. Vorzugsweise wird die Temperatur dabei über einer Temperaturschwelle von 500 ° C gehalten. Die nach innen vorstehende Rippe ermöglicht eine Vergrößerung einer Oberfläche sowie eines Volumens der die Vorkammer definierenden Bauteile. Die Rippen bilden dabei einen zusätzlichen Wärmespeicher, sodass die Brennkraftmaschine ein sicheres Kaltstartverhalten und einen Teillastbetrieb ohne Zündaussetzer ermöglicht.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Vorzugsweise ist die Rippe am Kappenmantel angeordnet. Hierdurch ist es möglich, dass eine Temperatur in der Vorkammer erhöht wird beziehungsweise auf einem hohen Niveau verbleibt. Dadurch kann ein Gas, welches über die Durchgangsöffnungen in die Vorkammer einströmt zusätzlich und schneller erwärmt werden, wodurch eine Zündwilligkeit verbessert wird. Alternativ ist die Rippe am Gehäuse der Vorkammerzündkerze an der Gehäuseinnenwand angeordnet. Auch dadurch kann eine Temperatur im Inneren der Vorkammer und die Temperatur eines einströmenden Gases erhöht werden, wodurch aufgrund des fehlenden Kontaktes der Rippe zur Kappe eine Kappentemperatur nicht erhöht wird. Hierdurch kann eine besonders robuste und langlebige Vorkammerzündkerze bereitgestellt werden.
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Besonders bevorzugt ist die Durchgangsöffnung derart in der Kappe angeordnet, dass eine Gasströmung von einströmendem Gas, welches aus einem Brennraum durch die Durchgangsöffnung in die Vorkammer strömt, auf die Rippe gerichtet ist. Dadurch kann das einströmende Gas Wärme an der Rippe aufnehmen, wodurch die Zündeigenschaften im nachfolgenden Zündvorgang der Vorkammerzündkerze signifikant verbessert werden können.
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Die Rippe ist vorzugsweise nicht parallel zu einer Mittelachse der Vorkammerzündkerze ausgerichtet. D.h. eine Längsachse der Rippe verläuft nicht parallel zur Mittelachse der Vorkammerzündkerze. Dadurch kann insbesondere eine Umlenkung des einströmenden Gases entsprechend der vorhandenen Geometrie in der Vorkammer erreicht werden, sodass immer sichergestellt werden kann, dass ein zündfähiges Gemisch im Bereich der Zündeinrichtung der Vorkammerzündkerze vorhanden ist. Die Rippe weist somit auch eine Gasleitfunktion auf.
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Die Höhe der Rippe ist vorzugsweise größer als 0,5 mm. Eine Breite der Rippe ist vorzugsweise größer als 0,5 mm und eine Länge der Rippe ist vorzugsweise größer als 1 mm.
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Vorzugsweise weist die Rippe eine Abschrägung in einem Bereich auf, an welchem die Gasströmung des einströmenden Gases aus der Durchgangsöffnung beim Einströmen auf die Rippe trifft. Durch diese Abschrägung kann eine zusätzliche Umlenkung und/oder Vermischung von Gasen innerhalb der Vorkammer erreicht werden.
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Besonders bevorzugt sind zwischen der Rippe und der Vorkammerinnenwand ein oder mehrere Zwischenräume vorgesehen. Vorzugsweise kann die Rippe nur an einem Punkt oder einem kurzen Bereich an der Vorkammerinnenwand fixiert sein und zwischen der Vorkammerinnenwand und dem restlichen Bereich der Rippe ist ein Zwischenraum vorhanden. Hierdurch ist es möglich, dass eine Temperatur der Rippe gezielt hochgehalten werden kann und durch den nur kleinen Kontaktbereich mit der Vorkammerinnenwand möglichst wenig Wärmeverlust an der Rippe durch Wärmeleitung entsteht. Weiterhin kann dadurch beispielsweise eine Wärmeleitung auf die Vorkammerinnenwand und insbesondere auf den Kappenmantel verhindert werden, sodass die Rippe eine erhöhte Temperatur aufweist, die Kappe jedoch nicht.
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Weiter bevorzugt ist die Rippe aus einem anderen Material als die Kappe und aus einem anderen Material als das Gehäuse hergestellt. Die Rippe ist vorzugsweise aus einer nickelhaltigen Legierung hergestellt.
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Besonders bevorzugt ist eine Vielzahl von Rippen an der Vorkammerinnenwand vorgesehen. Die Rippen sind weiter bevorzugt geradlinig ausgebildet oder bogenförmig. Vorzugsweise ist ein Querschnitt der Rippen konstant.
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Um einen Wärmeaustausch zwischen der Rippe und der Vorkammerinnenwand zu minimieren, weist die Rippe vorzugsweise an einem Rippenfuß, an welchem die Rippe an der Vorkammerinnenwand fixiert ist, eine reduzierte Breite auf.
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Weiter bevorzugt ist am Kappenboden keine Rippe angeordnet. Durch den rippenfreien Kappenboden kann somit verhindert werden, dass der im Betrieb üblicherweise thermisch sehr hoch belastete Kappenboden zusätzlich durch die Rippe eine thermische Belastung erfährt.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine mobile Brennkraftmaschine, insbesondere für ein Fahrzeug, mit einer erfindungsgemäßen Vorkammerzündkerze.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 eine schematische Schnittansicht einer Vorkammerzündkerze gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2 eine schematische Schnittansicht eines Vorkammerbereichs der Vorkammerzündkerze von 1,
- 3 eine schematische Schnittansicht eines Vorkammerbereichs, einer Vorkammerzündkerze gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 4 eine schematische Schnittansicht eines Vorkammerbereichs, einer Vorkammerzündkerze gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 5 eine schematische Schnittansicht eines Vorkammerbereichs, einer Vorkammerzündkerze gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel,
- 6 eine schematische Schnittansicht eines Vorkammerbereichs, einer Vorkammerzündkerze gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 7 eine schematische Schnittansicht eines Vorkammerbereichs, einer Vorkammerzündkerze gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 8 eine schematische Schnittansicht eines Vorkammerbereichs, einer Vorkammerzündkerze gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel, und
- 9 eine schematische Schnittansicht eines Vorkammerbereichs, einer Vorkammerzündkerze gemäß einem achten Ausführungsbeispiel
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 und 2 eine Vorkammerzündkerze gemäß einem bevorzugten ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst die Vorkammerzündkerze 1 eine Kappe 2, welche mit einem Gehäuse 4 eine Vorkammer 3 an einem zu einem Brennraum 8 gerichteten Ende der Vorkammerzündkerze bildet. Die Vorkammerzündkerze 1 ist in 1 schematisch dargestellt und umfasst fernen einen Isolator 5 und einen elektrischen Anschluss 7. Eine Zündeinrichtung 6 mit einer Mittelelektrode und einer Masseelektrode ist in der Vorkammer 3 angeordnet.
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Wie weiter aus 1 ersichtlich ist, ist die Vorkammerzündkerze 1 in einem Zylinderkopf 9 eingeschraubt, derart, dass die Kappe 2 in einen Brennraum 8 vorsteht. Dadurch ist die Kappe 2 hohen Temperaturen im Brennraum direkt ausgesetzt.
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Die Kappe 2 ist im Detail aus 2 ersichtlich. Die Kappe 2 weist im Schnitt einen im Wesentlichen topfförmigen Aufbau auf und umfasst einen Kappenboden 20 sowie einen zylindrischen Kappenmantel 21. Mehrere Durchgangsöffnungen 10 sind im Kappenboden 20 ausgebildet. In 2 ist dabei nur eine Durchgangsöffnung 10 dargestellt.
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Im Betrieb ergibt sich durch die Durchgangsöffnungen 10 eine Gasströmung 13 in die Vorkammer 3, mit welcher ein zündfähiges Gemisch in die Vorkammer 3 zugeführt wird.
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Der Kappenmantel 21 und eine Gehäuseinnenwand 40 definieren eine Vorkammerinnenwand. Die Vorkammer 3 wird dann durch die Vorkammerinnenwand und den Kappenboden 20 definiert.
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Wie insbesondere aus 2 ersichtlich ist, ist an der Innenseite des Kappenmantels 21 eine längliche Rippe 11 ausgebildet, welche in die Vorkammer 3 vorsteht. Die Rippe 11 weist dabei eine Abschrägung 12 an einem zum Kappenboden 20 gerichteten Ende auf. Der Kappenboden 20 ist rippenfrei und weist eine konstante Dicke auf.
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Die Rippe 11 ist ein längliches Bauteil mit einer Längsausdehnung, die größer ist als eine Höhe, d. h. der Bereich der Rippe, der in die Vorkammer 3 vorsteht, und eine Breite der Rippe. Die Höhe und Breite der Rippe ist vorzugsweise gleich.
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Die Rippe 11 ist an ihrem gesamten Rippenfuß, welcher einen Fixierbereich 14 der Rippe bildet, mit dem Kappenmantel 21 z.B. durch Schweißen, verbunden.
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Im Betrieb wird nun eine Gasströmung 13 aus dem Brennraum 8 durch die Durchgangsöffnung 10 in Richtung auf die Rippe 11 zugeführt. Die Gasströmung 13 ist dabei ein zündfähiges Gemisch, welches möglichst nahe in den Bereich der Zündeinrichtung 6 gelangen soll. Wie aus 2 ersichtlich ist, trifft die Gasströmung 13 dabei direkt auf die Abschrägung 12. Dadurch ergibt sich eine Umlenkung 13 der Gasströmung in Richtung zur Zündeinrichtung 6. Dadurch kann sichergestellt werden, dass das zündfähige Gemisch möglichst nahe im Bereich der Zündeinrichtung 6 vorhanden ist, um eine sichere Zündung in der Vorkammer 3 zu ermöglichen.
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Weiterhin vergrößert die Rippe 11 eine Kappenoberfläche der Vorkammer 3 sowie ein Kappenvolumen. Eine aus dem Verbrennungsvorgang resultierende Wärme der Kappe 2 wird daher auch über den Kappenmantel 21 auf die Rippe 11 übertragen. Dadurch wird eine Temperatur an der Rippe 11 erhöht. Die höheren Temperaturen an der Rippe 11 führen dabei zu einem Wärmeeintrag in die einströmende Gasströmung 13, was zu einer stabileren Verbrennung in der Vorkammer 3 und dadurch zu einer verbesserten Zündung in der Brennkammer 8 führt.
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Zusätzlich kann dabei durch die Anordnung der Rippe 3 ein Strömungsweg der Gasströmung 13 beeinflusst werden, wodurch eine optimierte Restgasspülung und auch eine Frischgasauffüllung der Vorkammer 3 verbessert wird.
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In diesem Ausführungsbeispiel verläuft die Rippe 11 parallel zu einer Mittelachse der Vorkammerzündkerze 1. Die Rippe 11 ist dabei vorzugsweise aus einem Werkstoff hergestellt, welcher eine schlechtere Wärmeleitung als der Werkstoff der Kappe 2 aufweist. Dadurch kann die Rippe 11 auf einer relativ hohen Temperatur im Vergleich zur Kappe 2 gehalten werden.
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Somit kann durch die erfindungsgemäße Vorkammerzündkerze ein Aufheizverhalten einer in die Vorkammer 3 einströmenden Gasströmung 13 signifikant verbessert werden. Dadurch ist die Vorkammerzündkerze 1 insbesondere für einen Einsatz in mobilen Brennkraftmaschinen, beispielsweise bei Fahrzeugen, eingerichtet und weist insbesondere Vorteile bei einem Kaltstart und im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine auf.
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Nachfolgend werden weitere bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die 3 bis 9 im Detail beschrieben. Gleiche beziehungsweise nahgleiche Teile sind dabei in den nachfolgend beschriebenen Figuren wie im ersten Ausführungsbeispiel bezeichnet.
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3 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Vorkammerzündkerze 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Wie aus 3 ersichtlich ist, sind beim zweiten Ausführungsbeispiel mehrere Rippen 11 entlang des Innenumfangs des Kappenmantels 21 angeordnet. Die Rippen 11 verlaufen dabei parallel zur Mittelachse. An der Innenseite des Kappenbodens 20 ist keine Rippe oder andersartige Erhöhung vorgesehen.
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4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches im Wesentlichem dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel entspricht. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel von 3 sind beim 3. Ausführungsbeispiel die Rippen 11 nicht parallel zur Mittelachse X-X der Vorkammerzündkerze ausgerichtet. Ferner sind die geradlinig verlaufenden Rippen auch ohne eine Abschrägung 12 ausgebildet. Die Durchgangsöffnung 10 ist dabei vorzugsweise parallel zu den Rippen ausgebildet. Die Rippen 11 stellen dabei eine Stabilisierung der Strömung in der Vorkammer 3 sicher.
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Das in 5 gezeigte vierte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichem dem dritten Ausführungsbeispiel, wobei im Unterschied dazu die Rippen 11 bogenförmig ausgebildet sind. Dadurch ist es möglich, dass die Gasströmung 13 eine Umlenkung an den Rippen 11 erfährt, um beispielsweise einen Drall auf die Gasströmung im Inneren der Vorkammer 3 auszuüben.
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6 zeigt eine Vorkammerzündkerze gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im Unterschied zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen ist beim fünften Ausführungsbeispiel eine Fixierung der Rippen 11 unterschiedlich. Wie in 6 gezeigt, ist die Rippe 11 nicht über ihre gesamte Länge, wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen, an dem Kappenmantel 21 fixiert, sondern weist einen kleineren Fixierbereich 14 auf. Dadurch ergibt sich im montierten Zustand, wie in 6 gezeigt, ein Zwischenraum 15 zwischen der Rippe 11 und dem Kappenmantel 21. Wie aus 6 ersichtlich ist, ist die Rippe 11 in diesem Ausführungsbeispiel an der Innenseite des Gehäuses 4 fixiert. Dabei verläuft die Rippe 11 in Richtung zum Kappenboden 20 parallel zur Mittelachse X-X. Dieses Ausführungsbeispiel ist insofern vorteilhaft, als dass durch die Rippe 11 keine Temperaturerhöhung direkt an der Kappe 2 erfolgt, da die Rippe 11 nur am Gehäuse 4 fixiert ist. Somit hat die Rippe 11 keine Auswirkung auf eine Temperatur der Kappe 2.
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7 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel, welches ähnlich zu dem in 6 gezeigten Ausführungsbeispiel ist. Die Rippe 11 weist ebenfalls einen kleinflächigen Fixierbereich 14 auf. Allerdings ist die Rippe 11 des sechsten Ausführungsbeispiels dabei an der Kappe 2, genauer am Kappenmantel 21 fixiert. Die verminderte Anbindung der Rippe 11 reduziert dabei eine Wärmeableitung an die Kappe. Ein Zwischenraum 15 ist dabei zwischen der Rippe 11 und dem Gehäuse 4 ausgebildet.
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8 zeigt ein siebtes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Wie aus 8 ersichtlich ist, ist die Rippe 11 beim siebten Ausführungsbeispiel an mehreren einzelnen kleinen Fixierbereichen 14 mit dem Kappenmantel 21 verbunden. Zwischen den einzelnen Fixierbereichen 14 sind jeweils Zwischenräume 15 vorgesehen. Die Fixierbereiche 14 können beispielsweise punktartige Verbindungen sein oder linienartige Verbindungen. Hierdurch kann ein Wärmeeintrag in die Kappe 2 weiter reduziert werden.
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9 zeigt eine Vorkammerzündkerze mit einer Rippe 11 gemäß einem achten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Wie aus 9 ersichtlich ist, weist die Rippe 11 eine erste Breite B1 an einem Hauptkörper der Rippe auf. Die Rippe 11 ist an einem Fixierbereich 14 mit dem Kappenmantel 21 verbunden. Wie in 9 gezeigt, weist die Rippe 11 am Fixierbereich 14 eine zweite Breite B2 auf, welche kleiner ist als die erste Breite B1. Dadurch wird eine Kontaktfläche zwischen der Rippe 11 und dem Kappenmantel 21 reduziert, sodass eine Wärmübertragung von der Rippe 11 auf die Kappe 2 reduziert ist. Dadurch können hohe Temperaturen der Kappe 2 aufgrund des Vorsehens der Rippen 11 verhindert werden.
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Zu allen beschriebenen Ausführungsbeispielen sei angemerkt, dass die beschriebenen, unterschiedlichen Rippen 11 jeweils entweder an der Kappe 2 oder am Gehäuse 4 fixiert sein können und in die Vorkammer 3 vorstehen. Auch ist es möglich, dass mehrere geometrisch unterschiedlich geformte Rippen 11 an einer Vorkammerzündkerze verwendet werden. Hierbei sind beliebige Kombinationen der in den Ausführungsbeispielen 1 bis 8 gezeigten unterschiedlichen Rippen 11 möglich. Zu allen Ausführungsbeispielen sei weiterhin angemerkt, dass die Rippen 11 vorzugsweise aus einem unterschiedlichen Material wie die Kappe 2 und das Gehäuse 4 hergestellt sind, vorzugsweise aus einer nickelenthaltenden Legierung. Die Rippen 11 können dabei an die Kappe 2 beziehungsweise das Gehäuse 4 angeschweißt oder angelötet werden oder mittels einer anderen Verbindungstechnik an diesen Bauteilen fixiert werden. Alternativ werden die Rippen 11 durch ein additives Herstellungsverfahren oder MIM-Herstellungsverfahren hergestellt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018221919 A1 [0002]
