DE102021214629A1

DE102021214629A1 - Zündkerze mit Element zur Strömungslenkung an brennraumseitiger Gehäusestirnseite

Info

Publication number: DE102021214629A1
Application number: DE102021214629.5A
Authority: DE
Inventors: Sergej Subkow; Ulrich Stockmeier
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-12-17
Filing date: 2021-12-17
Publication date: 2023-06-22
Also published as: WO2023110320A1

Abstract

Zündkerze (1) mit einer Längsachse aufweisend• ein Gehäuse (2) mit einer Bohrung entlang der Zündkerzen-Längsachse und einer brennraumseitigen Stirnseite (20),• einen innerhalb des Gehäuses (2) angeordneten Isolator (3),• eine innerhalb des Isolators (3) angeordnete Mittelelektrode (4), und• einer Masseelektrode (5), die am Gehäuse angeordnet ist,• wobei die Masseelektrode (5) und die Mittelelektrode (4) so angeordnet sind, dass ein Zündspalt innerhalb des Gehäuses (2) ausgebildet ist, wobei die brennraumseitige Stirnseite (20) einen ersten Abschnitt (21) aufweist, dessen brennraumseitiges Ende in einer ersten Ebene (21E) liegt, die sich senkrecht zur Längsachse aufspannt, und das die brennraumseitige Stirnseite (20) einen zweiten Abschnitt (22) aufweist, dessen brennraumseitiges Ende in einer zweiten Ebene (22E) liegt, die sich senkrecht zur Längsachse aufspannt, wobei sich durch den ersten Abschnitt (21) und den zweiten Abschnitt (22) sowie Übergänge (212) zwischen den ersten und dem zweiten Abschnitt (21, 22) eine Kontur der brennraumseitigen Stirnseite (20) des Gehäuses (2) ergibt, durch die sich ein strömungslenkendes Element (25) an der brennraumseitigen Stirnseite (20) des Gehäuses (2) ausbildet.

Description

Stand der Technik
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. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch einen Verbrennungsmotor gemäß des Anspruchs 12 mit einer erfindungsgemäßen Zündkerze.
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 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.
Offenbarung der Erfindung
Bei der geplanten Verwendung von Wasserstoff als Kraftstoff im Verbrennungsmotor entsteht die Notwendigkeit die Zündkerze thermisch belastbarer auszulegen. Wasserstoffbetriebene Verbrennungsmotoren werden in der Regel mit einem sehr mageren 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, daraus resultieren 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. Eine Möglichkeit zur Realisierung einer kalten Zündkerze ist es, die Zündkerze und ihre Komponenten soweit wie möglich aus dem Brennraum zurück zu ziehen.
Allerdings ergeben sich für kalte Zündkerzen neue Herausforderungen bei der Zündfähigkeit der Zündkerze.
Entsprechend ist es Aufgabe der Erfindung eine Zündkerze bereit zu stellen, die kalte Zündkerzen-Bauteiltemperaturen und somit die Anforderungen an eine Zündkerze für die Anwendung bei thermisch hoch belasteten Motoren, beispielsweise einem mit Wasserstoff betriebenen Motor, erfüllt und die gleichzeitig eine gute Zündfähigkeit aufweist.
Diese Aufgabe wird bei der erfindungsgemäßen Zündkerze der eingangs genannter Art dadurch gelöst, dass der Zündspalt innerhalb des Gehäuses ist und dass die brennraumseitige Stirnseite einen ersten Abschnitt aufweist, dessen brennraumseitiges Ende in einer ersten Ebene liegt, die sich senkrecht zur Längsachse X aufspannt, und das die brennraumseitige Stirnseite einen zweiten Abschnitt aufweist, dessen brennraumseitiges Ende in einer zweiten Ebene liegt, die sich senkrecht zur Längsachse X aufspannt, wobei sich durch den ersten Abschnitt und den zweiten Abschnitt sowie Übergänge zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt eine Kontur der brennraumseitigen Stirnseite des Gehäuses ergibt, durch die sich ein strömungslenkendes Element an der brennraumseitigen Stirnseite des Gehäuses ausbildet.
Die erfindungsgemäße Zündkerze mit einer Längsachse X weist ein Gehäuse mit einer Bohrung entlang der Zündkerzen-Längsachse X und einer brennraumseitigen Stirnseite, einen innerhalb des Gehäuses angeordneten Isolator, eine innerhalb des Isolators angeordnete Mittelelektrode, und eine Masseelektrode, die am Gehäuse angeordnet ist, wobei die Masseelektrode und die Mittelelektrode so angeordnet sind, dass ein Zündspalt innerhalb des Gehäuses ausgebildet ist.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die brennraumseitige Stirnseite einen ersten Abschnitt aufweist, dessen brennraumseitiges Ende in einer ersten Ebene liegt, die sich senkrecht zur Längsachse X aufspannt, und das die brennraumseitige Stirnseite einen zweiten Abschnitt aufweist, dessen brennraumseitiges Ende in einer zweiten Ebene liegt, die sich senkrecht zur Längsachse X aufspannt. Dabei ergibt sich durch den ersten Abschnitt und den zweiten Abschnitt sowie Übergänge zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt eine Kontur der brennraumseitigen Stirnseite des Gehäuses, durch die sich ein strömungslenkendes Element an der brennraumseitigen Stirnseite des Gehäuses ausbildet. Dies hat den Vorteil, dass durch das strömungslenkende Element an der brennraumseitigen Stirnseite des Gehäuses das Kraftstoff-Luft-Gemisch gezielt in den Atmungsraum des Gehäuses gelenkt wird. Innerhalb des Gehäuses und innerhalb des Atmungsraums ist der Zündspalt ausgebildet. Durch die gezielte Lenkung der Kraftstoff-Luft-Gemisch-Strömung in den Atmungsraum des Gehäuses und in den Zündspalt wird die Zündfähigkeit der Zündkerze verbessert. Durch die Ausbildung des Zündspalts innerhalb des Gehäuses, sprich innerhalb des Atmungsraum des Gehäuses, ergibt sich der 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 bzw. nicht 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. Allerdings ergibt sich auch die Herausforderung, dass ein innerhalb des Gehäuses angeordneter Zündspalt vom Kraftstoff-Luft-Gemisch schlechter angeströmt werden kann, da das Gehäuse den Zündspalt etwas abschirmt. Diese Herausforderung wird durch das erfindungsgemäße strömungslenkende Element an der brennraumseitigen Stirnseite des Gehäuses gelöst, da das strömungslenkende Element so ausgebildet ist, dass es das Kraftstoff-Luft-Gemisch gezielt in den Atmungsraum des Gehäuses und in den Zündspalt lenkt. Durch die Kombination der Merkmale kann eine kalte Zündkerze mit guter Zündfähigkeit realisiert werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei einer Weiterentwicklung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Ebene und die zweite Ebene einen Abstand H voneinander haben und H = 0,1 mm oder größer und/oder H = 10 mm oder kleiner ist. Mit dem Abstand H für die erste und zweite Ebene ist auch der Höhenunterschied zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt der brennraumseitigen Stirnseite des Gehäuses beschrieben. Mit H = 0,1 mm oder größer ergibt sich eine untere Grenze für den Abstand. Damit ist sichergestellt, dass das strömungslenkende Element ausreichend hoch ist, um einen ausreichenden Lenkungseffekt auf die Strömung des Kraftstoff-Luft-Gemisch zu haben. Mit der oberen Grenze von H = 10 mm oder kleiner ist sichergestellt, dass das strömungslenkende Element nicht zu weit in den Brennraum hineinragt und dadurch wieder mehr Wärme aus dem Brennraum in die Zündkerze einbringt, wodurch das Ziel einer kalten Zündkerze unterlaufen würde.
Bei einer zusätzlichen oder alternativen Weiterentwicklung ist vorgesehen, dass die erste Ebene näher am brennraumseitigen Ende der Zündkerze ist als die zweite Ebene, und dass die Zündkerze so ausgelegt ist, dass bei einer Montage der Zündkerze in einen Zylinderkopf der zweite Abschnitt der brennraumseitigen Stirnseite bündig mit einem Brennraumdach des Zylinderkopfes ist und die erste Ebene und der erste Abschnitt sowie das strömungslenkende Element in den Brennraum hineinragen. Dadurch ergibt sich, dass die Zündkerze nur mit dem ersten Abschnitt der brennraumseitigen Stirnseite des Gehäuses und den Übergängen zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt in den Brennraum hineinragen, so dass die restlichen Komponenten der Zündkerze innerhalb des kühleren Zylinderkopfes angeordnet sind. Beispielsweise reicht ein an der Außenseite des Gehäuses ausgebildetes Gewinde nur bis zur zweiten Ebene, d.h. dass an der Außenseite des strömungslenkenden Elements kein Gewinde ausgebildet ist. Der Abstand H ist damit auch ein Maß dafür wie weit das strömungslenkende Element in den Brennraum hineinragt.
Bei einer Weiterentwicklung der erfindungsgemäßen Zündkerze ist vorgesehen, dass die brennraumseitige Stirnseite mindestens einen dritten Abschnitt aufweist, dessen brennraumseitiges Ende in einer dritten Ebene liegt, die sich senkrecht zur Längsachse X aufspannt und einen größeren Abstand zum brennraumseitigen Ende der Zündkerze als die zweite Ebene hat, insbesondere dass der mindestens dritte Abschnitt im Bereich des zweiten Abschnitts ausgebildet ist und insbesondere eine Ausnehmung ist. Beispielsweise kann die Masseelektrode auf Höhe der dritten Ebene angeordnet sein und insbesondere kann die Masseelektrode im dritten Abschnitt angeordnet sein. Beispielsweise kann die Masseelektrode in einem dritten Abschnitt, der als Ausnehmung ausgebildet ist, angeordnet sein. Dies hat den Vorteil, dass die Masseelektrode einfach am Gehäuse montierbar ist und so auf einfache Weise der Zündspalt innerhalb des Gehäuses ausbildbar ist. Beispielsweise kann das an der Außenseite des Gehäuses ausgebildete Gewinde nur bis zur dritten Ebene reichen.
Bei einer Weiterentwicklung ist vorgesehen, dass die zweite und dritte Ebene einen Abstand T haben und der Abstand T = 0,1 mm oder größer und/oder T = 15 mm oder kleiner ist. Dies bedeutet, dass der zweite Abschnitt und der dritte Abschnitt einen Höhenunterschied vom Abstand T haben. Insbesondere wenn die Masseelektrode im dritten Abschnitt angeordnet ist, entspricht der Abstand T in auch ungefähr dem Abstand des durch die Masseelektrode und Mittelelektrode ausgebildeten Zündspalt zum zweiten Abschnitt der brennraumseitigen Stirnseite des Gehäuses. Durch den Abstand T ergibt sich, dass die Elektroden und der Zündspalt innerhalb des Gehäuses ausgebildet sind, so dass die Elektroden weniger Wärme aus dem Brennraum aufnehmen. Die Zündkerze hat eine negative Funkenlage.
Bei einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Zündkerze ist vorgesehen, dass der erste Abschnitt der brennraumseitigen Stirnseite entlang des Umfangs der brennraumseitigen Stirnseite eine Länge hat, die kleiner als 40% der Gesamtumfangslänge der brennraumseitigen Stirnseite ist. Dies bedeutet, dass in Summe die Länge der Übergänge und des zweiten Abschnitts und eines oder mehrerer dritten Abschnittes, wenn es diesen dritten Abschnitt gibt, größer als 50% der Gesamtlänge des Umfangs der brennraumseitigen Stirnseite des Gehäuses ist. Dadurch wird sichergestellt, dass das strömungslenkende Element eine nicht zu große Länge entlang des Umfangs hat, damit es zum einen nicht zu viel Wärme aus dem Brennraum aufnimmt und zum anderen der nicht vom zweiten Abschnitt eingenommene Raumwinkel an der brennraumseitigen Stirnseite des Gehäuses ausreichend groß ist, damit die Strömung des Kraftstoff-Luft-Gemisches das strömungslenkende Element gut anströmen kann und durch dieses in den Atmungsraum des Gehäuses gelenkt werden kann.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Zündkerze ist die Kontur der brennraumseitigen Stirnseite eine Wellenkontur, bei der ein Scheitelpunkt eines Wellenbergs in der ersten Ebene liegt und dieser Wellenberg das strömungslenkende Element ist. Dies hat den Vorteil, dass es keine scharfen Kanten in der Kontur der brennraumseitigen Stirnseite gibt.
Bei einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Zündkerze ist vorgesehen, dass der Übergang bzw. die Übergänge vom ersten zum zweiten Abschnitt der brennraumseitigen Stirnseite des Gehäuses eine Stufe, eine Schräge, bogenförmig oder gekrümmt ist.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Breite des Zündspalts nicht größer als 0,5 mm, insbesondere nicht größer als 0,2 mm ist, und mindestens 0,05 mm ist, insbesondere nicht kleiner als 0,1 mm ist. Je kleiner der Zündspalt umso geringer ist der Spannungsbedarf für die Erzeugung eines Zündfunkens.
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.
Die erfindungsgemäße Zündkerze und ihre Weiterentwicklung sind Wasserstoff-Zündkerze, die dazu eingerichtet sind 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.
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.
Die Erfindung betrifft auch ein Verbrennungsmotor mit einem Zylinder und einer erfindungsgemäßen Zündkerze. Der Zylinder weist einen Zylinderkopf und einem Brennraum auf, wobei die Zündkerze im Zylinderkopf montiert ist. Dabei ist die Zündkerze so montiert, dass das strömungslenkende Element an der brennraumseitigen Stirnseite des Gehäuses in den Brennraum hineinragt.
Des Weiteren ist vorgesehen, dass der Zündspalt der Zündkerze außerhalb vom Brennraum angeordnet ist. Beispielsweise ist die Zündkerze so im Zylinderkopf montiert, dass der innerhalb des Gehäuses ausgebildeten Zündspalt im Zylinderkopf angeordnet ist.
Zusätzlich oder alternativ ist vorgesehen, dass die Zündkerze so im Zylinderkopf montiert ist, dass der zweite Abschnitt der brennraumseitigen Stirnseite des Gehäuses bündig mit einem Brennraumdach des Zylinderkopfes ist.
Figurenliste

1 zeigt ein erstes Beispiel für die Kontur des brennraumseitigen Endes einer erfindungsgemäßen Zündkerze aus drei Perspektiven
2 zeigt ein zweites Beispiel für die Kontur des brennraumseitigen Endes der erfindungsgemäßen Zündkerze aus zwei Perspektiven
3 zeigt ein drittes und ein viertes Beispiel für die Kontur des brennraumseitigen Endes der erfindungsgemäßen Zündkerze
4 zeigt weitere Beispiele für verschiedene Konturen des brennraumseitigen Endes der erfindungsgemäßen Zündkerze.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Für die Übersichtlichkeit werden nicht alle Komponenten einer Zündkerze, wie beispielsweise Mittelelektrode 4 oder Isolator, in allen Figuren dargestellt. Gleiche und funktional gleiche Komponenten haben in allen Figuren das gleiche Bezugszeichen.
In 1 ist schematisch das brennraumseitige Ende der erfindungsgemäßen Zündkerze mit einer ersten möglichen Kontur aus drei Perspektiven dargestellt: a) vereinfachte 3D-Ansicht, b) 2D Seitenansicht, c) 2D Draufsicht.
Die Zündkerze weist ein Gehäuse 2, eine Masseelektrode 5 und eine Mittelelektrode 4 auf. Das Gehäuse 2 hat eine brennraumseitige Stirnseite 20, die einen ersten Abschnitt 21, einen zweiten Abschnitt 22 und einen optionalen dritten Abschnitt 23 sowie Übergängen 212 zwischen den Abschnitten aufweist. Das brennraumseitige Ende des ersten Abschnitts 21 liegt in einer ersten Ebene 21E, die senkrecht zur Längsachse X der Zündkerze sich erstreckt. Das brennraumseitige Ende des zweiten Abschnitts 22 liegt in einer zweiten Ebene 22E, die senkrecht zur Längsachse X der Zündkerze sich erstreckt. Das brennraumseitige Ende des optional dritten Abschnitts 23 liegt in einer dritten Ebene 23E, die senkrecht zur Längsachse X der Zündkerze sich erstreckt. Beispielsweise ist der dritte Abschnitt 23 im Bereich des zweiten Abschnitts 22 angeordnet und unterteilt den zweiten Abschnitt 22 in Teilabschnitte.
Die erste Ebene 21E und die zweite Ebene 22E und die optionale dritte Ebene 23E sind voneinander beabstandet. Die erste Ebene 21E und die zweite Ebene 22E haben den Abstand H zueinander. Die zweite Ebene 22E und die dritte Ebene 23E haben den Abstand T zueinander. Die ersten Ebene 21E liegt näher am Brennraum als die zweite Ebene 22E. Die zweite Ebene 22E liegt näher am Brennraum als die dritte Ebene 23E. Der erste Abschnitt 21, der zweite Abschnitt 22 und der optionale dritte Abschnitt 23 der brennraumseitigen Stirnseite 20 des Gehäuses 2 sind entsprechend der Abstände der Ebenen 21E, 22E, 23E zueinander in der Höhe beabstandet. Der axiale Abstand des ersten Abschnitts 21 und des zweiten Abschnitts 22 ist der Abstand H wie bei der ersten Ebene 21E und der zweiten Ebene 22E. Der Abstand H entspricht dem Höhenunterschied zwischen dem brennraumseitigen Ende des ersten Abschnitts 21 und dem brennraumseitigen Ende des zweiten Abschnitts 22. Entsprechendes gilt auch für den Abstand T der zweiten Ebene 22E und der optional dritten Ebene 23E sowie dem zweiten Abschnitt 22 und dem optional dritten Abschnitt 23.
Durch den ersten Abschnitt 21 und den zweiten Abschnitt 22 der brennraumseitigen Stirnseite 20 des Gehäuses 2 hat die brennraumseitige Stirnseite 20 eine Kontur, die von der normalen in einer Ebene liegenden ringförmigen Kontur abweicht. Durch den Höhenunterschied zwischen dem ersten Abschnitt 21 und dem zweiten Abschnitt 22 entsteht ein strömungslenkendes Element 25 an der brennraumseitigen Stirnseite 20 des Gehäuses 2. Durch dieses strömungslenkende Element 25 wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Atmungsraum des Gehäuses 2 und dem im Atmungsraum und Gehäuse 2 angeordneten Zündspalt gelenkt, so dass trotz der negativen Funkenlage die Zündkerze eine gute Zündfähigkeit aufweist.
In diesem Beispiel haben der erste Abschnitt 21 und der zweite Abschnitt 22 der brennraumseitigen Stirnseite 20 des Gehäuses 2 einen stufenförmigen Übergang 212. Der Übergang 212 bzw. die Übergänge sind die Oberflächen der brennraumseitigen Stirnseite 20 des Gehäuses 2 zwischen dem ersten Abschnitt 21 und dem zweiten Abschnitt 22, die nicht in einer Ebene mit dem ersten Abschnitt 21 oder dem zweiten Abschnitt 22 liegen.
Des Weiteren ist in diesem Beispiel eine Ausnehmung 28 bzw. zwei Ausnehmungen an der brennraumseitigen Stirnseite 20 des Gehäuses 2 dargestellt. Die Ausnehmungen 28 sind dritte Abschnitte 23 der brennraumseitigen Stirnseite 20 des Gehäuses 2, die in einer dritten Ebene 23E angeordnet sind. Die Ausnehmungen 28 haben eine Tiefe T, die dem Abstand von der zweiten Ebenen 22E zu der dritten Ebene 23E entspricht. In einer Ausnehmung 28 kann die Masseelektrode 5 angeordnet sein, beispielsweise eingepresst oder angeschweißt sein. Dadurch ergibt sich, dass der Zündspalt, den die Masseelektrode 5 zusammen mit der Mittelelektrode 4 ausbildet, innerhalb des Gehäuses 2 ausgebildet ist, wodurch die thermische Belastung für die Zündkerze reduziert wird.
Die Ausnehmung 28 erstreckt sich von der brennraumseitigen Stirnseite 20 des Gehäuses 2 in Richtung des brennraumabgewandte Gehäuse-Endes. Die Ausnehmung hat eine Tiefe T, die parallel zu Längsachse X der Zündkerze ausgehend von der brennraumseitigen Gehäuse-Stirnseite 20 bis zum tiefsten Punkt der Ausnehmung 28, dem dritten Abschnitt 23, 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 sich innerhalb des Gehäuses 2 befindet.
Alternative zu der Anordnung in der Ausnehmung 28 kann die Masseelektrode auch in einer Bohrung angeordnet sein, wobei die Bohrung in der Gehäusewand ausgebildet ist. Die Bohrung hat dann vorzugsweise auch den Abstand T zum zweiten Abschnitt 22 der brennraumseitigen Stirnseite 20 des Gehäuses 2 und zur zweiten Ebene 22E.
Für ein gutes Zusammenspiel des strömungslenkenden Elements 25 und des Zündspalts ist es vorteilhaft, wenn eine Symmetrieachse des strömungslenkenden Elements 25 und der seitlichen am Gehäuse 2 angeordneten Masseelektrode 5 entlang des Umfangs der brennraumseitigen Stirnseite 20 des Gehäuses 2 in einem Winkel größer 45° zueinander angeordnet sind. Dadurch kann das strömungslenkende Element 25 das Kraftstoff-Luft-Gemisch ungehindert in den Zündspalt lenken. Bei einem radialen Zündspalt beträgt der Winkel beispielsweise 45° bis 135°, insbesondere ca. 90°. Bei einem axialen Zündspalt beträgt der Winkel beispielsweise 90°-180°.
Auf der Gehäuse-Außenseite ist ein Gewinde 27 ausgebildet, mit dem die Zündkerze einschraubbar in einen Zylinderkopf ist. Vorzugsweise ist das Gewinde 27 nur bis zur zweiten Ebene 22E an der Außenseite des Gehäuses 2 ausgebildet und nicht auf der über die zweite Ebene 22E hinaus bis zur ersten Ebene 21E ragenden Teil der Außenseite des Gehäuses 2, der das strömungslenkende Element 25 bildet. Beispielsweise kann das Gewinde 27 auch nur bis zur optionalen dritten Ebene 23E ausgebildet sein. Vorteilhafterweise ist das Gewinde 27 so an der Außenseite des Gehäuses 2 ausgebildet, dass die im Zylinderkopf montierte Zündkerze nur mit dem strömungslenkenden Element 25 in den Brennraum hineinragt. Idealerweise ist die Zündkerze so montiert, dass der zweite Abschnitt 22 der brennraumseitigen Stirnseite 20 des Gehäuses 2 bündig mit dem Brennraumdach ist.
In 1 c) kann man gut die Längen der einzelnen Abschnitte der brennraumseitigen Stirnseite 20 des Gehäuses 2 entlang des Umfangs sehen. Der erste Abschnitt 21 hat eine Länge entlang des Umfangs von ca. 25-35% der Gesamtlänge des Umfangs. Die Länge des zweiten Abschnitts 22, des optionalen dritten Abschnitts 23 sowie der Übergänge 212 zwischen den Abschnitten ist deutlich größer als 50% der Gesamtlänge des Umfangs.
In den nachfolgenden Figuren werden die Unterschiede der Ausführungsformen beschrieben. Merkmale, die gleich zu vorherigen Beispielen sind, werden nicht immer erneut erwähnt, um Wiederholungen zu vermeiden. Zur Erläuterung von in den Figuren gezeigten Merkmalen, die bei der einzelnen Figur nicht beschrieben sind, wird hiermit auf die Erläuterungen der anderen Figuren verwiesen.
In 2 ist schematisch das brennraumseitige Ende der erfindungsgemäßen Zündkerze mit einer zweiten möglichen Kontur aus zwei Perspektiven dargestellt: a) vereinfachte 3D-Ansicht, b) 2D Seitenansicht.
In diesem Beispiel hat die Zündkerze eine brennraumseitige Stirnseite 20 des Gehäuses 2, die eine Wellenkontur aufweist. Dabei gibt es einen Wellenberg, der höher ist als der andere Wellenberg. Der höhere Wellenberg hat die Funktion des strömungslenkenden Elements 25. Die Pfeile symbolisiert die Strömung des Kraftstoff-Luft-Gemisches, die durch das strömungslenkende Element 25 in den Atmungsraum des Gehäuses 2 geleitet wird.
Der Übergang 212 von dem ersten Abschnitt 21 zum dritten Abschnitt 23 bzw. zum zweiten Abschnitt 22 hat in diesem Fall aufgrund der Wellenkontur eine gebogene Kontur. Die Masseelektrode 5 ist beispielsweise in einem Wellental 28 angeordnet.
In 3 ist schematisch das brennraumseitige Ende der erfindungsgemäßen Zündkerze mit a) einer dritten möglichen Kontur und b) einer vierten möglichen Kontur jeweils als 2D Seitenansicht dargestellt.
In 3 a) ist der erste Abschnitt der brennraumseitigen Stirnseite 20 des Gehäuses 2 in radialer Richtung schmaler ausgebildet. Der Übergang 212 von dem ersten Abschnitt 21 zum zweiten Abschnitt 22 hat die Kontur einer geraden Schräge. Der optionale dritte Abschnitt 23 ist im Bereich des zweiten Abschnitts 22 ausgebildet und unterteilt den zweiten Abschnitt 22 ist Teilabschnitte.
In 3 b) ist der erste Abschnitt 21 der brennraumseitigen Stirnseite 20 des Gehäuses 2 in radialer Richtung schmaler ausgebildet. Der Übergang 212 von dem ersten Abschnitt 21 zum zweiten Abschnitt 22 hat die Kontur einer gekrümmten Schräge. Der optionale dritte Abschnitt 23 ist im Bereich des zweiten Abschnitts 22 ausgebildet und unterteilt den zweiten Abschnitt 22 ist Teilabschnitte.
In 4 sind verschiedene mögliche Konturen für die brennraumseitige Stirnseite 20 des Gehäuses 2 dargestellt. Alle Konturen für die brennraumseitige Stirnseite 20 des Gehäuses 2, auch die aus den obigen Ausführungsbeispielen, bei denen sich gemäß der Erfindung ein strömungslenkendes Element ausbildet, passen in einen Rahmen, der durch den Abstand H der ersten Ebene 21E zu der zweiten Ebene 22 E und dem Abstand T der zweiten Ebene 22E zu der optionalen dritten Ebene 23E und dem Außendurchmesser D des Gehäuses, aufgespannt wird. Der Außendurchmesser D ergibt sich durch die gängigen Kerzentypen, wie M8, M10, M12, M14, M16, M18. Der Abstand H ist nicht kleiner als 0,1 mm und nicht größer als 10 mm. Der Abstand T ist nicht kleiner als 0,1 mm und nicht größer als 15 mm.
Eine erste weitere mögliche Kontur ist mit einer fetten Linie dargestellt und hat einen ersten Abschnitt 21 und einen zweiten Abschnitt 22 der brennraumseitigen Stirnseite 20 des Gehäuses 2, die hier mit schmaler radialer Breite dargestellt sind. Der Übergang 212 von dem ersten Abschnitt 21 zum zweiten Abschnitt 22 erstreckt sich fast über die halbe Umfangslänge des Gehäuses 2 und ist eine Schräge. Der optional dritte Abschnitt 23 der brennraumseitigen Stirnseite 20 des Gehäuses 2 ist im Bereich dieses langen Übergangs 212 ausgebildet. In der durch den dritten Abschnitt 23 entstehende Ausnehmung 28 ist die Masseelektrode 5 angeordnet. Die Ausnehmung 28 hat eine größere Tiefe als den Abstand T zwischen der zweiten Ebene 22 E und der dritten Ebene 23E.
Eine zweite weitere mögliche Kontur ist mit einer gepunkteten Linie dargestellt und hat einen ersten Abschnitt 21 und einen zweiten Abschnitt 22 der brennraumseitigen Stirnseite 20 des Gehäuses 2, die hier mit schmaler radialer Breite dargestellt sind. Es gibt hier eine Zwischenebene 232E zwischen der zweiten Ebene 22E und der dritten Ebene 23E. Ein erster Übergang von der ersten Ebene 21E zu der Zwischenebene 232 E ist als Schräge ausgebildet. Ein zweiter Übergang von der Zwischenebene 232E zu der zweiten Ebene 22E ist ebenfalls als Schräge ausgebildet.
Eine dritte weitere mögliche Kontur ist mit einer gestrichelten Linie dargestellt und hat ersten Abschnitt 21 und einen zweiten Abschnitt 22 der brennraumseitigen Stirnseite 20 des Gehäuses 2, die hier mit schmaler radialer Breite dargestellt sind. Es gibt einen Übergang vom ersten Abschnitt 21 zum dritten Abschnitt 23 und einen Übergang vom dritten Abschnitt 23 zum zweiten Abschnitt 22. Beide Übergänge haben eine gebogene Kontur, so dass sich eine Wellenkontur ergibt.
Eine vierte weitere mögliche Kontur ist mit einer Strich-Punkt-Linie dargestellt und hat ersten Abschnitt 21 und einen zweiten Abschnitt 22 der brennraumseitigen Stirnseite 20 des Gehäuses 2, die hier mit schmaler radialer Breite dargestellt sind. Es gibt einen Übergang vom ersten Abschnitt 21 zum dritten Abschnitt 23 und einen Übergang vom dritten Abschnitt 23 zum zweiten Abschnitt 22. Beide Übergänge haben eine gekrümmte Kontur, so dass es sich zwischen dem ersten Abschnitt 21 und dem zweiten Abschnitt 22 einen Wannen-Kontur ergibt.

Claims

Zündkerze mit einer Längsachse X aufweisend • ein Gehäuse (2) mit einer Bohrung entlang der Zündkerzen-Längsachse X und einer brennraumseitigen Stirnseite (20), • einen innerhalb des Gehäuses (2) angeordneten Isolator (3), • eine innerhalb des Isolators (3) angeordnete Mittelelektrode (4), und • einer Masseelektrode (5), die am Gehäuse angeordnet ist, • wobei die Masseelektrode (5) und die Mittelelektrode (4) so angeordnet sind, dass ein Zündspalt innerhalb des Gehäuses (2) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die brennraumseitige Stirnseite (20) einen ersten Abschnitt (21) aufweist, dessen brennraumseitiges Ende in einer ersten Ebene (21E) liegt, die sich senkrecht zur Längsachse X aufspannt, und das die brennraumseitige Stirnseite (20) einen zweiten Abschnitt (22) aufweist, dessen brennraumseitiges Ende in einer zweiten Ebene (22E) liegt, die sich senkrecht zur Längsachse X aufspannt, wobei sich durch den ersten Abschnitt (21) und den zweiten Abschnitt (22) sowie Übergänge (212) zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt (21, 22) eine Kontur der brennraumseitigen Stirnseite (20) des Gehäuses (2) ergibt, durch die sich ein strömungslenkendes Element (25) an der brennraumseitigen Stirnseite (20) des Gehäuses (2) ausbildet.
Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ebene (21E) und die zweite Ebene (22E) einen Abstand H voneinander haben und H=0,1 mm oder größer und/oder H=10 mm oder kleiner ist.
Zündkerze nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ebene (21E) näher am brennraumseitigen Ende der Zündkerze ist als die zweite Ebene (22E), und dass die Zündkerze so ausgelegt ist, dass bei einer Montage der Zündkerze in einen Zylinderkopf der zweite Abschnitt (22) der brennraumseitigen Stirnseite (20) bündig mit einem Brennraumdach des Zylinderkopfes ist und die erste Ebene (21E) und der erste Abschnitt (21) sowie das strömungslenkende Element (25) in Brennraum rein ragen.
Zündkerze nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die brennraumseitige Stirnseite (20) mindestens einen dritten Abschnitt (23) aufweist, dessen brennraumseitiges Ende in einer dritten Ebene (23E) liegt, die sich senkrecht zur Längsachse X aufspannt und einen größeren Abstand zum brennraumseitigen Ende der Zündkerze als die zweite Ebene (22E) hat, insbesondere dass der mindestens dritte Abschnitt (23) im Bereich des zweiten Abschnitts (22) ausgebildet ist und insbesondere eine Ausnehmung (28) ist.
Zündkerze nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite und dritte Ebene (21E, 22E) einen Abstand T haben und der Abstand T=0,1 mm oder größer und/oder T=15 mm oder kleiner ist.
Zündkerze nach einem der vorherigen Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Masseelektrode (5) auf Höhe der dritten Ebene (23E) angeordnet ist, insbesondere, dass die Masseelektrode (5) im dritten Abschnitt (23) angeordnet ist. (die brennraumseitige Stirnseite (27) des Gehäuses (2) zwei oder mehr Ausnehmungen (28) aufweist, wobei in einer Ausnehmung (28) die Masseelektrode (2) angeordnet ist Zündspalt in der dritten Ebene, dritte Ebene innerhalb des Gehäuses).
Zündkerze nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abschnitt (21) der brennraumseitigen Stirnseite (20) entlang des Umfangs der brennraumseitigen Stirnseite (20) eine Länge hat, die kleiner als 40% der Gesamtumfangslänge der brennraumseitigen Stirnseite (20) ist.
Zündkerze nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur der brennraumseitigen Stirnseite (20) eine Wellenkontur ist, bei der ein Scheitelpunkt eines Wellenbergs in der ersten Ebene (21E) liegt und dieser Wellenberg das strömungslenkende Element (25) ist.
Zündkerze nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang bzw. die Übergänge (212) vom ersten zum zweiten Abschnitt (21, 22) der brennraumseitigen Stirnseite (20) des Gehäuses (2) eine Stufe, eine Schräge, bogenförmig oder gekrümmt ist.
Zündkerze nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des Zündspalts nicht größer als 0,5 mm, insbesondere nicht größer als 0,2 mm ist, und mindestens 0,05 mm ist, insbesondere nicht kleiner als 0,1 mm ist.
Zündkerze nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündkerze eine Wasserstoff-Zündkerze ist, die dazu eingerichtet ist in einem mit Wasserstoff betriebenen Motor eingesetzt zu werden und das zündfähige Wasserstoff enthaltende Kraftstoff-Luft-Gemisch zu zünden.
Verbrennungsmotor mit einem Zylinder und einer Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Zylinder einen Zylinderkopf und einem Brennraum aufweist und die Zündkerze im Zylinderkopf montiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das strömungslenkende Element (25) an der brennraumseitigen Stirnseite (20) des Gehäuses (2) in den Brennraum hineinragt.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Zündspalt der Zündkerze außerhalb vom Brennraum angeordnet ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündkerze so im Zylinderkopf montiert ist, dass der zweite Abschnitt (22) der brennraumseitigen Stirnseite (20) des Gehäuses (2) bündig mit einem Brennraumdach des Zylinderkopfes ist.