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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Zündkerze gemäß des Anspruchs 1. Insbesondere ist die erfindungsgemäße Zündkerze für die Anwendung bei thermisch hoch belasteten Motoren, beispielsweise einem mit Wasserstoff betriebenen Motor, geeignet.
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Zündkerzen unterliegen im motorischen Betrieb spezifischen thermischen Belastungen. Traditionell ist der von der Masseelektrode und der Mittelelektrode gebildete Zündspalt außerhalb des Zündkerzengehäuses angeordnet. Für diese Zündkerzen gibt es viele verschiedene Masseelektrodenkonzepte, bei denen beispielsweise die Masseelektrode als Dachelektrode oder längere Seitenelektrode ausgeführt ist. Allerdings unterliegen diese Zündkerzen aufgrund der notwendigen Länge der Masseelektrode einer hohen thermischen Belastung, die die Grenzen für den Einsatz solcher Zündkerzen in thermisch hochbelasteten Motoren setzen.
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Offenbarung der Erfindung
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Bei der zunehmenden geplanten Verwendung von Wasserstoff als Kraftstoff im Verbrennungsmotor entsteht die Notwendigkeit die Zündkerze thermisch belastbarer auszulegen. Wasserstoff-betriebene Verbrennungsmotoren werden in der Regel mit einem sehr mageres Luft-Kraftstoff-Gemisch (Lambda > 1,8) betrieben, um die gesetzliche Emission-Vorgaben zu erfüllen. Um den niedrigen Gemisch-Heizwert von Wasserstoff zu kompensieren, werden höhere Ladungsdichten realisiert und entsprechend auch höhere Drücke zum Zündzeitpunkt. Weitere Besonderheiten bei der Wasserstoffverbrennung in einem Verbrennungsmotor ist das Zusammenspiel zwischen Selbstzündungstemperatur und minimal benötigter Zündenergie. Daraus ergibt sich, dass für die Anwendung bei einem Wasserstoff betriebenen Verbrennungsmotor eine „kalte Zündkerze“ benötigt wird, d.h. man benötigt eine Zündkerze mit einem sehr niedrigen Wärmewert, bzw. niedrigen Bauteiltemperaturen.
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Entsprechend ist es Aufgabe der Erfindung eine Zündkerze bereit zu stellen, die die Anforderungen an eine Zündkerze für die Anwendung bei thermisch hoch belasteten Motoren, beispielsweise einem mit Wasserstoff betriebenen Motor, erfüllt.
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Diese Aufgabe wird bei der erfindungsgemäßen Zündkerze der eingangs genannter Art dadurch gelöst, dass das Gehäuse an seiner Stirnseite eine Ausnehmung aufweist und die Masseelektrode in dieser Ausnehmung angeordnet ist, sowie dass die Masseelektrode und die Mittelelektrode so angeordnet sind, dass ein Zündspalt innerhalb des Gehäuses ausgebildet ist.
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Die erfindungsgemäße Zündkerze mit einer Längsachse weist ein Gehäuse mit einer Bohrung entlang der Zündkerzen-Längsachse und einer brennraumseitigen Stirnseite,-wobei das Gehäuse an seiner Stirnseite eine Ausnehmung aufweist, einen innerhalb des Gehäuses angeordneten Isolator, eine innerhalb des Isolators angeordnete Mittelelektrode, und eine Masseelektrode auf, die in der an der Gehäuse-Stirnseite ausgebildeten Ausnehmung angeordnet ist, wobei die Masseelektrode und die Mittelelektrode so angeordnet sind, dass ein Zündspalt innerhalb des Gehäuses ausgebildet ist.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Gehäuse an seiner Stirnseite eine Ausnehmung aufweist und die Masseelektrode in dieser Ausnehmung angeordnet ist sowie dass die Masseelektrode und die Mittelelektrode so angeordnet sind, dass ein Zündspalt innerhalb des Gehäuses ausgebildet ist. Dies hat den Vorteil, dass die Masseelektrode und der Zündspalt nicht in den Brennraum hineinragen. Des Weiteren können die Masseelektrode und die Mittelelektrode kürzer ausgebildet werden, wodurch diese weniger weit in den Brennraum hineinragen und einerseits weniger Wärme aus dem Brennraum aufnehmen und andererseits durch die kürzeren Elektroden die Wärmeabfuhr aus den Elektroden über das Gehäuse in einen Zylinderkopf, in den die erfindungsgemäß Zündkerze montiert ist, effektiver ist als bei einer Zündkerze mit längeren Elektroden. Durch die Anordnung der Masseelektrode in der Ausnehmung der Gehäuse-Stirnseite verbessert weiter die Wärmeabfuhr aus der Masseelektrode ins Gehäuse.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Zündkerze ist die Ausnehmung eine Kerbe ist, insbesondere eine rechteckige Kerbe ist. Kerben können sich leicht in die brennraumseitige Stirnseite ausgebildet werden, beispielsweise durch Stanzen oder Fräsen.
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Bei einer alternativen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Zündkerze hat die Stirnseite des Gehäuses eine Wellenkontur hat, wobei ein Wellental die Ausnehmung ist, in der die Masseelektrode angeordnet ist. Aufgrund der Wellenkontur gibt es keine scharfen Kanten am Übergang von der brennraumseitigen Gehäuse-Stirnseite zu der Ausnehmung. Diese scharfen Kanten könnten die Strömung des Kraftstoff-Gemisches ungünstig beeinflussen.
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Bei einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Zündkerze hat die Ausnehmung eine Tiefe T mit T= 0,1 mm oder größer und/oder T=15 mm oder kleiner. Die Tiefe T erstreckt sich von einer ersten Ebene, die durch das brennraumseitige Ende der brennraumseitigen Stirnfläche des Gehäuses aufgespannt wird, bis zu einer zweiten Ebene, die durch den tiefsten Punkt der Ausnehmung aufgespannt wird. Die erste Ebene und die zweite Ebene erstrecken sich immer senkrecht zu der Längsachse der Zündkerze. Die Masseelektrode liegt am tiefsten Punkt der Ausnehmung, in der zweiten Ebene, auf. Dadurch ergibt sich, dass der Zündspalt innerhalb des Gehäuses angeordnet ist. Durch diese negative Funkenlage ergibt sich die Möglichkeit die Mittelelektrode und den Isolator kürzer als üblich auszugestalten, so dass die Mittelelektrode und der Isolator einerseits nicht so weit in den Brennraum hineinragen und der Weg für die Wärmeabfuhr kürzer und somit die Wärmeabfuhr effektiver ist.
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Bei einer vorteilhaften Weiterentwicklung der erfindungsgemäßen Zündkerze ist vorgesehen, dass die brennraumseitige Stirnseite des Gehäuses zwei oder mehr Ausnehmungen aufweist, wobei in einer Ausnehmung die Masseelektrode angeordnet ist.
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Beispielsweise können zwei Ausnehmungen an der brennraumseitigen Stirnseite des Gehäuses sich gegenüberliegend angeordnet sein. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn die Masseelektrode als Dachelektrode ausgebildet ist, dadurch ist es möglich den Abstand der Elektroden zu kontrollieren und bei Bedarf einzustellen. Bei einer alternativen Ausgestaltung sind zwei Ausnehmungen in einem Winkel, vorzugsweise in einem Winkel von 80°-100°, insbesondere von 90°, zueinander an der brennraumseitigen Stirnseite angeordnet. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn die Masseelektrode als Seitenelektrode ausgebildet ist, dadurch ist es möglich den Abstand der Elektroden zu kontrollieren und bei Bedarf einzustellen.
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Beispielsweise kann die Zündkerze auch mehrere Masseelektroden aufweisen, wobei jede Masseelektrode in einer Ausnehmung angeordnet ist. Vorteilhafterweise gibt es mindestens eine Ausnehmung mehr als Masseelektroden, damit die oben beschriebenen Vorteile sich ergeben.
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Bei einer Weiterentwicklung ist die Masseelektrode einmal als Dachelektrode ausgebildet und bildet mit der Mittelelektrode einen axialen Zündspalt aus und ein anderes Mal als Seitenelektrode ausgebildet und bildet mit der Mittelelektrode einen radialen Zündspalt aus.
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Vorteilhafterweise ist beispielsweise die Breite des Zündspalts nicht größer als 0,5 mm, insbesondere nicht größer als 0,15 mm. Je kleiner der Zündspalt umso geringer ist der Spannungsbedarf für die Erzeugung eines Zündfunkens.
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Es ist auch vorteilhaft, dass die Breite des Zündspalts mindestens 0,05 mm ist, insbesondere nicht kleiner als 0,1 mm ist. Damit ergibt sich, dass der Zündspalt nicht zu klein ist. Ein sehr kleiner Zündspalt stellt besondere Herausforderungen an die Genauigkeit bei der Zündkerzen-Produktion. Eine Abweichung von der möglichst parallelen Ausrichtung der Elektroden-Zündflächen hat bei einem kleinen Zündspalt größere Auswirkung, wie beispielsweise einen ungleichmäßigen Verschleiß der Zündfläche, als bei einem größeren Zündspalt. Die Untergrenze für die Breite des Zündspalts ist somit ein guter Kompromiss für einerseits einen kleinen Zündspalt zur Reduzierung des Zündspannungsbedarfes und des Verschleißes und anderseits einen vertretbaren Aufwand für eine gleichmäßige gute Qualität der Ausrichtung der Zündflächen zueinander bei der Zündkerzen-Produktion.
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Die erfindungsgemäße Zündkerze und ihre Weiterentwicklung sind eine Wasserstoff-Zündkerze, die dazu eingerichtet ist in einem mit Wasserstoff betriebenen Motor eingesetzt zu werden und das zündfähige Wasserstoff enthaltende Kraftstoff-Luft-Gemisch zu zünden. Der Kraftstoff kann bis zu 100% Wasserstoff enthalten, sprich der Kraftstoff kann Wasserstoff oder eine Wasserstoff-Gas-Gemisch sein.
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Allerdings ist die erfindungsgemäße Zündkerze nicht auf den Betrieb mit Wasserstoff beschränkt. Die erfindungsgemäße Zündkerze kann auch für Erdgas- oder Benzin-Verbrennungsmotoren verwendet werden. Allerdings ist die erfindungsgemäße Zündkerze auf den Betrieb mit Wasserstoff optimiert.
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Figurenliste
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- 1 zeigt das brennraumseitige Ende einer erfindungsgemäßen Zündkerze
- 2 zeigt die brennraumseitige Stirnseite des Gehäuses mit einem ersten Beispiel für die erste Ausnehmung
- 3 zeigt als Draufsicht die brennraumseitige Stirnseite des Gehäuses mit mindestens zwei Ausnehmungen, die in drei Beispielen unterschiedlich angeordnet sind
- 4 zeigt die brennraumseitige Stirnseite des Gehäuses mit einer Wellenkontur und zwei sich gegenüberliegenden Ausnehmungen als weiteres Beispiel.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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In 1 ist schematisch das brennraumseitige Ende der erfindungsgemäße Zündkerze 1 dargestellt. Die Zündkerze 1 weist ein Gehäuse 2, einen Isolator 3, eine im Isolator 3 angeordnete Mittelelektrode 4, von der in der 1 nur das brennraumseitige Ende zu sehen ist, und eine Masseelektrode 5 auf. Die Masseelektrode 5 ist in einer Ausnehmung 28 der brennraumseitigen Stirnseite 27 des Gehäuses 2 angeordnet ist. Die Masseelektrode 5 ist in diesem Beispiel als Dachelektrode für die Mittelelektrode ausgebildet. Es ergibt sich ein axialer Zündspalt 54. Alternative könnte die Masseelektrode 5 auch als Seitenelektrode für die Mittelelektrode 4 ausgebildet sein, dann ergibt sich ein radialer Zündspalt 54.
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Die Ausnehmung 28 erstreckt sich von der brennraumseitigen Stirnseite 27 des Gehäuses 2 in Richtung des brennraumabgewandte Gehäuse-Endes. Die Ausnehmung hat eine Tiefe T, die parallel zu Längsachse der Zündkerze 1 ausgehend von der brennraumseitigen Gehäuse-Stirnseite 27 bis zum tiefsten Punkt der Ausnehmung 28 gemessen wird. Die Masseelektrode 5 liegt am tiefsten Punkt der Ausnehmung 28 auf. Die Tiefe T der Ausnehmung 28 beeinflusst auch wie weit der Zündspalt 54 sich innerhalb des Gehäuses 2 befindet.
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Für die Übersichtlichkeit wird auf die Darstellung von weiteren Komponenten, wie beispielsweise Mittelelektrode oder Isolator, in den weiteren Figuren verzichtet. Gleiche und funktional gleiche Komponenten haben das gleiche Bezugszeichen.
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In 2 ist das Gehäuse 2 mit zwei Ausnehmungen 28 und einer in einer Ausnehmung 28 angeordneten Masseelektrode 5 schematisch dargestellt. Die Ausnehmungen 28 sind sich gegenüberliegend angeordnet. Dadurch ist es beispielsweise möglich den Elektrodenabstand, der den Zündspalt 54 bildet, zu kontrollieren und einzustellen. Vorzugsweise haben die beiden Ausnehmungen 28 die gleiche Tiefe T.
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In 3 sind als Draufsicht drei Beispiele für die Anordnung und Anzahl der Ausnehmungen 28 an der brennraumseitigen Stirnseite 27 des Gehäuses 2 dargestellt. Zu sehen ist jeweils das Gehäuse 2 mit seiner brennraumseitigen Stirnseite 27, zwei oder drei Ausnehmungen 28, eine Masseelektrode 5 und eine Mittelelektrode 4. Die Masseelektrode 5 ist jeweils als Seitenelektrode dargestellt, kann aber auch als Dachelektrode ausgebildet sein.
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In 3 a) sind die Ausnehmungen 28a, 28b wie in 2 sich gegenüberliegend angeordnet. Der Winkel zwischen den Ausnehmungen 28a, 28b beträgt ca. 180°.
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In 3 b) sind zwei Ausnehmungen 28a, 28c an der brennraumseitigen Stirnseite 27, des Gehäuses 2 ausgebildet. Die Ausnehmungen 28a, 28c sind gewinkelt zueinander angeordnet. Der von den Ausnehmungen 28a, 28c eingeschlossenen Winkel α beträgt ca. 90°. In einer Ausnehmung 28a ist die Masselelektrode 5 angeordnet.
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In 3 c) sind drei Ausnehmungen 28a, 28b, 28c eingezeichnet. Zwei Ausnehmungen 28a, 28b sind sich gegenüberliegend angeordnet und eine Ausnehmung 28c ist im Winkel zu den anderen beiden Ausnehmungen 28a, 28b angeordnet. In einer Ausnehmung 28a ist die Masseelektrode 5 angeordnet. Der Elektrodenabstand kann aus zwei Perspektiven kontrolliert und eingestellt werden.
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Beispielsweise kann auch in der zur ersten Masseelektrode 5 gegenüberliegenden Ausnehmung 28b eine zweite Masseelektrode angeordnet sein. Durch die gewinkelte angeordnete Ausnehmung 28c kann der Elektrodenabstand für beide Masseelektroden 5 kontrolliert und eingestellt werden.
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In 4 kann die brennraumseitige Stirnseite 27 eine Wellenkontur. In diesem Beispiel hat die Welle zwei Wellentäler, die der Ausnehmung 28 entsprechen. In einem Wellental ist die Masseelektrode 5 angeordnet. Das gegenüberliegende Wellental kann zu Kontrolle und Einstellung des Elektrodenabstandes zwischen der Mittelelektrode 4 und der Masseelektrode 5 genutzt werden. Die Tiefe T der Ausnehmung 28 ergibt sich durch den Höhenunterschied zwischen dem Wellenberg und dem Wellental.
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Mehr als zwei Ausnehmungen 28 sind entsprechend realisierbar, indem die Wellenkontur mehr als zwei, beispielsweise vier Wellentäler, hat. Die Anzahl der möglichen Wellentäler hängt proportional vom Durchmesser des Gehäuses 2 ab. Je größer der Durchmesser ist umso mehr Wellentäler und Ausnehmungen 28 können an der brennraumseitigen Stirnseite 27 des Gehäuses 2 ausgebildet werden.
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Für alle Beispiele gilt, dass die Masseelektrode 5 in der Ausnehmung 28 eingepresst oder eingeschweißt ist.
