DE102021204751A1

DE102021204751A1 - Vorkammerzündkerze mit verbessertem Wärmemanagement

Info

Publication number: DE102021204751A1
Application number: DE102021204751.3A
Authority: DE
Inventors: Stephan Kaske; Matthias Blankmeister
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-05-11
Filing date: 2021-05-11
Publication date: 2022-11-17
Also published as: JP2024517887A; CN117296220A; WO2022238105A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorkammerzündkerze, umfassend eine Mittelelektrode (2) und wenigstens eine Masseelektrode (3), ein Gehäuse (4), einen Isolator (5), welcher die Mittelelektrode (2) gegenüber dem Gehäuse (4) elektrisch isoliert, eine Kappe (6) mit wenigstens einem Kappenloch (60), und eine Vorkammer (7) mit einem definierten Gasvolumen (V), wobei der Isolator (5) einen Fußbereich (50) aufweist, welcher über eine Fußlänge (L) in Axialrichtung (X-X) in die Vorkammer (7) vorsteht und in Kontakt mit dem Gasvolumen (V) ist, und wobei ein Verhältnis (R) des Gasvolumens (V) zur Fußlänge (L) in einem Bereich ist von: R = 40 bis 300 mm2.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorkammerzündkerze mit einer Wärmeoptimierung im Bereich der Vorkammer, insbesondere für mobile Brennkraftmaschinen.
Vorkammerzündkerzen sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Im Stand der Technik werden Vorkammerzündkerzen bisher hauptsächlich bei stationären Gasmotoren eingesetzt, welche in der Regel in nur einem einzigen Betriebspunkt mit relativ hoher Last laufen. Für diesen Betriebspunkt werden dann die jeweiligen Vorkammerzündkerzen ausgelegt. Derartige Vorkammerzündkerzen für stationäre Gasmotoren können jedoch nicht unmittelbar für mobile Brennkraftmaschinen, beispielsweise bei Kraftfahrzeugen, übernommen werden, da bei Anwendungen im mobilen Bereich die Brennkraftmaschinen im Betrieb in unterschiedlichen Lastbereichen, insbesondere auch in Teillastbereichen, betrieben werden. Durch den mobilen Betrieb mit unterschiedlichen Lastbereichen kann es nun zu einem unerwünschten Wärmestau an der Kappe oder in den Wandbereichen der Vorkammer der Vorkammerzündkerze kommen, was zu ungewollten Glühzündungen führen kann. Derartige ungewollte Glühzündungen können jedoch Schäden an der Brennkraftmaschine verursachen sowie sich in negativer Weise auf einen Kraftstoffverbrauch und ein Emissionsverhalten der Brennkraftmaschine auswirken.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorkammerzündkerze mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass ungewollte Glühzündungen beim Betrieb der Vorkammerzündkerze vermieden werden können. Dadurch wird eine Gefahr von Beschädigungen der Brennkraftmaschine durch derartige ungewollte Glühzündungen vermieden. Ferner kann der Zündzeitpunkt insbesondere für mobile Brennkraftmaschine individuell gewählt und auch im Betrieb geändert werden, ohne dass hierdurch Wärmeprobleme an der Zündkerze auftreten. Somit kann ein unerwünschter Wärmestau an der Kappe oder im Bereich der Vorkammer der Vorkammerzündkerze vermieden werden, so dass die Vorkammerzündkerze insbesondere für einen Betrieb in mobilen Brennkraftmaschinen eingerichtet ist. Dabei kann die Vorkammerzündkerze trotzdem einfach aufgebaut sein und insbesondere für eine Massenfertigung geeignet sein, wodurch die Herstellkosten signifikant reduziert werden können. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Vorkammerzündkerze eine Mittelelektrode und wenigstens eine Masseelektrode aufweist. Ferner umfasst die Vorkammerzündkerze ein Gehäuse, einen Isolator, welcher die Mittelelektrode gegenüber dem Gehäuse elektrisch isoliert und eine Kappe mit wenigstens einem Kappenloch. Eine Vorkammer der Vorkammerzündkerze liegt dabei im Inneren der Kappe und einem Teilbereich des Gehäuses. Die Vorkammer weist dabei ein Gasvolumen V auf, welches mit Gas gefüllt ist. Ferner weist der Isolator einen Fußbereich auf, welcher in die Vorkammer vorsteht und eine Fußlänge L in Axialrichtung X-X aufweist, an welcher der Außenwandbereich des Isolators einen Wandbereich der Vorkammer bildet. Der Fußbereich des Isolators ist somit in Kontakt mit dem Gasvolumen V. Dabei liegt ein Verhältnis R des Gasvolumens V zur axialen Fußlänge L des Fußbereichs in einem Bereich von R = V : L = 40 bis 300 mm². Wenn das Verhältnis R in diesem Bereich liegt, kann sichergestellt werden, dass kein Wärmestau im Betrieb der Vorkammerzündkerze auftritt, auch wenn die Brennkraftmaschine nicht in einem konstanten Lastbereich, sondern in unterschiedlichen Lastbereichen und insbesondere auch in Teillastbereichen betrieben wird.
Das Gasvolumen V der Vorkammer ist dabei definiert als das Volumen, welches mit Gas gefüllt ist. Hierbei wird das Gasvolumen insbesondere auch durch eine Anzahl und Größe der Masseelektroden sowie der geometrischen Ausgestaltung der Mittelelektrode und der Masseelektrode beeinflusst. Ein Volumen der Kappenlöcher zählt nicht zum Gasvolumen V der Vorkammer.
Somit kann eine sichere und verbesserte Verbrennung durch die Vorkammerzündkerze erreicht werden, da Fehlzündungen, verursacht durch ungewollte Glühzündungen aufgrund eines Wärmestaus im Bereich der Kappe oder der Vorkammer vermieden werden können. Somit kann ein Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine und die Abgasemissionen der Brennkraftmaschine signifikant verbessert werden.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Vorzugsweise liegt das Verhältnis R des Gasvolumens V zur Fußlänge L des Fußbereichs in einem Bereich von R = 80 bis 200 mm² und weiter bevorzugt in einem Bereich von R = 85 bis 135 mm².
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist bei einer Fußlänge L des Fußbereichs in einem Bereich von 3 bis 4 mm und einem Gasvolumen V zwischen 350 bis 400 mm³ R in einem Bereich von 87,5 bis 133,3. Besonders bevorzugt liegt der Bereich R dabei in einem Bereich von 100 mm² ± 10 mm².
Weiter bevorzugt wird die Fußlänge L des Fußbereichs des Isolators durch die Summe einer Spaltlänge L1 und einer Vorkammerlänge L2 gebildet. Die Spaltlänge L1 ist dabei in einem Bereich zwischen dem Isolator und dem Gehäuse vorgesehen, in welchem ein kleiner Radialspalt ausgebildet ist. Die Vorkammerlänge L2 ist dabei die restliche Länge des Fußbereichs, welche in die Vorkammer vorsteht und einen größeren radialen Abstand als im Bereich des Spaltes zwischen Isolator und Gehäuse aufweist.
Besonders bevorzugt ist die Vorkammerlänge L2 größer als die Spaltlänge L1. Vorzugsweise beträgt die Spaltlänge L1 ungefähr 1/3 der Fußlänge L.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine mobile Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Vorkammerzündkerze. Die mobile Brennkraftmaschine wird besonders bevorzugt mit Benzin oder einem gasförmigen Brennstoff, beispielsweise Erdgas oder Wasserstoff, betrieben. Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorkammerzündkerze können ein Wirkungsgrad und auch ein Emissionsverhalten der Brennkraftmaschine in unterschiedlichen Lastzuständen, insbesondere in verschiedenen Teillastzuständen, signifikant verbessert werden.
Figurenliste
Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:

1 eine schematische Teilschnittansicht einer Vorkammerzündkerze gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 1 eine Vorkammerzündkerze 1 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst die Vorkammerzündkerze 1 ein Gehäuse 4 und eine Kappe 6, welche eine Vorkammer 7 definieren. Die Kappe 6 ist beispielsweise mittels einer Schweißverbindung mit dem Gehäuse 4 verbunden.
Die Vorkammerzündkerze 1 umfasst ferner eine Mittelelektrode 2 sowie mehrere Masseelektroden 3. Die Masseelektroden 3 sind in Öffnungen 40 im Gehäuse 4 fixiert. Die Anzahl der Masseelektroden liegt dabei vorzugsweise zwischen 1 und 4.
In der Kappe 6 sind ferner mehrere Kappenlöcher 60 vorgesehen, welche einen Gasaustausch zwischen der Vorkammer 7 und einem Brennraum 8 einer Brennkraftmaschine ermöglichen. Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise eine mobile Brennkraftmaschine, welche in unterschiedlichen Lastzuständen, d.h., in Volllast und verschiedenen Teillastzuständen, betrieben wird.
Wie weiter aus 1 ersichtlich ist, weist die Vorkammer 7 ein Gasvolumen V auf. Das Gasvolumen V ist dabei das Volumen der Vorkammer 7, welches mit Gas gefüllt ist. Dieses Gasvolumen V der Vorkammer 7 wird durch die Kappenlöcher 60 mit einem Kraftstoff-Luft-Gemisch gefüllt und kann daher je nach Größe des Gasvolumens V mehr oder weniger Energie aufnehmen. Ein Volumen der Kappenlöcher 60 zählt nicht zum Gasvolumen V.
Der Isolator 5, welcher die Mittelelektrode 2 elektrisch vom Gehäuse 4 isoliert, weist dabei einen Fußbereich 50 auf, welcher in die Vorkammer 7 in Axialrichtung X-X der Vorkammerzündkerze 1 vorsteht. Der Fußbereich 50 des Isolators 5 ist dabei der Bereich, dessen Außenwand sich mit dem sich in der Vorkammer 7 befindlichen Gas in Kontakt befindet.
Wie aus 1 ersichtlich ist, weist der Fußbereich 50 dabei eine Fußlänge L in Axialrichtung X-X der Vorkammerzündkerze auf, an welcher sich der Fußbereich 50 in Kontakt mit dem Gasvolumen V der Vorkammer befindet.
Wie aus 1 weiter ersichtlich ist, ist zwischen dem Isolator 5 und dem Gehäuse 4 hierbei ein Spalt 9 vorgesehen, welcher als Ringspalt ausgebildet ist. Der Spalt 9 weist dabei eine Spaltlänge L1 in Axialrichtung X-X auf. Die restliche Fußlänge L wird dabei durch eine Vorkammerlänge L2 des Fußbereichs 50 des Isolators 5 gebildet. Die Spaltlänge L1 beträgt dabei vorzugsweise ungefähr 1/3 der Fußlänge L.
Es wurde nun überraschenderweise festgestellt, dass ein Verhältnis R des Gasvolumens V zur Fußlänge L (R = V : L) ein extrem wichtiger Indikator für einen Wärmehaushalt der Vorkammer 7 ist. Hierbei spielt es insbesondere eine Rolle, dass der Isolator 5, der mit seinem Fußbereich 50 in die Vorkammer 7 vorragt, aufgrund seiner thermischen Eigenschaften einen anderen Wärmeleitwert aufweist, als das üblicherweise aus Metall hergestellte Gehäuse 4. Dadurch beeinflusst die Fußlänge L in signifikanter Weise den Wärmehaushalt der Vorkammer 7. Insbesondere kann gezielt Wärme aus der Vorkammer 7 in Axialrichtung X-X mittels des Isolators 5 abgeführt werden.
Wenn das Verhältnis R dabei in einem Bereich von 40 bis 300 mm² liegt, kann sicher verhindert werden, dass es zu einem temporären Wärmestau innerhalb der Vorkammer 7 kommt. Dadurch können sog. Wärmenester im Bereich der Vorkammer 7 verhindert werden und damit ungewollte Glühzündungen unterbunden werden. Dadurch kann die Brennkraftmaschine vor Beschädigungen geschützt werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn R = V/L = 85 bis 135 mm² ist.
Insbesondere kann die Brennkraftmaschine, wenn diese als mobile Brennkraftmaschine eingerichtet ist, in verschiedenen Lastzuständen betrieben werden, ohne dass hierdurch in signifikanter Weise der Wärmehaushalt der Vorkammerzündkerze im Bereich der Kappe 6 und der Vorkammer 7 negativ beeinflusst wird.
Auf überraschende Weise kann somit durch das Verhältnis R zwischen dem Gasvolumen V und der Fußlänge L der Wärmehaushalt der Vorkammer 7 in positiver Weise beeinflusst werden.
Für mobile Brennkraftmaschinen wird dabei besonders bevorzugt eine Fußlänge L des Fußbereichs 50 in einem Bereich von 3 bis 4 mm Länge gewählt und ein Gasvolumen V der Vorkammer 7 dazu in einen Bereich von 350 bis 400 mm³ gewählt.
Somit kann eine mobile Brennkraftmaschine in ihrem kompletten Motorkennfeld zuverlässig arbeiten, so dass die Vorkammerzündkerze gemäß der Erfindung besonders geeignet für Automotive-Anwendungen ist. Insbesondere kann durch die erfindungsgemäße überraschende Vorschrift in jedem Lastbereich der mobilen Brennkraftmaschine eine sichere Zündung erreicht werden.

Claims

Vorkammerzündkerze, umfassend: - eine Mittelelektrode (2) und wenigstens eine Masseelektrode (3), - ein Gehäuse (4), - einen Isolator (5), welcher die Mittelelektrode (2) gegenüber dem Gehäuse (4) elektrisch isoliert, - eine Kappe (6) mit wenigstens einem Kappenloch (60), und - eine Vorkammer (7) mit einem definierten Gasvolumen (V), - wobei der Isolator (5) einen Fußbereich (50) aufweist, welcher über eine Fußlänge (L) in Axialrichtung (X-X) in die Vorkammer (7) vorsteht und in Kontakt mit dem Gasvolumen (V) ist, und - wobei ein Verhältnis R des Gasvolumens (V) zur Fußlänge (L) in einem Bereich ist von: R = 40 bis 300 mm².
Vorkammerzündkerze nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis R in einem Bereich von 80 bis 200 mm² liegt, insbesondere in einem Bereich von 85 bis 135 mm² liegt.
Vorkammerzündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei einer Länge der Fußlänge (L) in einem Bereich von 3 bis 4 mm und einem Gasvolumen (V) in einem Bereich zwischen 350 bis 400 mm³ das Verhältnis R in einem Bereich von 87,5 bis 133,3 mm² liegt und insbesondere in einem Bereich von 100 mm² ± 10 mm² liegt.
Vorkammerzündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die Fußlänge (L) des Fußbereichs (50) des Isolators (5) durch die Summe einer Spaltlänge (L1) eines Spaltes (9) und einer Vorkammerlänge (L2) des Fußbereichs zusammensetzt, wobei der Spalt (9) zwischen dem Isolator (5) und dem Gehäuse (4) ausgebildet ist.
Vorkammerzündkerze nach Anspruch 4, wobei die Vorkammerlänge (L2) größer ist als die Spaltlänge (L1).
Vorkammerzündkerze nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Spaltlänge (L1) ungefähr 1/3 der Fußlänge (L) beträgt.
Brennkraftmaschine umfassend eine Vorkammerzündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, wobei die Brennkraftmaschine eine mobile Brennkraftmaschine ist.