DE112010003410B4

DE112010003410B4 - Vorkammerzündkerze und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE112010003410B4
Application number: DE112010003410.9T
Authority: DE
Inventors: Luigi P. Tozzi
Original assignee: Woodward Inc
Current assignee: Woodward Inc
Priority date: 2009-08-25
Filing date: 2010-08-24
Publication date: 2018-10-04
Anticipated expiration: 2030-08-25
Also published as: JP2013503447A; DE112010003410T5; WO2011031449A3; WO2011031449A2; US7922551B2; US20090309475A1; DE112010003410T8

Abstract

Vorkammerzündkerze (230) umfassend:- einen Metallmantel (202);- Elektroden (208) innerhalb des Metallmantels (202) in einer divergenten Konfiguration, wobei die Elektroden (208) im Bezug auf eine Mittelelektrode (206) divergent sind, so dass ein Volumen hinter einem Spalt (212) der Elektroden (208) für Verbrennungsprodukte von einem vorhergehenden Zündungstakt ausgebildet wird;- eine Endkappe (232) mit mehreren Einlasslöchern (236,240), wobei die Endkappe (232) an dem Metallmantel (202) so angeordnet ist, dass die Endkappe (232) und der Metallmantel (202) die Vorbrennkammer (218) ausbilden; wobei jedes der Einlasslöcher (236,240) der Endkappe (232) eine jeweilige Lochachse (242,244,246,248) aufweist, welche in einer Ebene liegen, die senkrecht zu einer Längsachse (234) der Vorkammerzündkerze (230) ist.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft Vorkammerzündkerzen und spezieller Vorkammerzündkerzen für Magermotoren, sowie ein zugehöriges Herstellungsverfahren.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Motoren, die mit gasförmigen Kraftstoffen wie etwa Erdgas betrieben werden, werden gewöhnlich mit einem mageren Kraftstoffgemisch versorgt, welches ein Gemisch von Luft und Kraftstoff ist, das ein relativ hohes Verhältnis von Luft zu Kraftstoff aufweist. Das magere Kraftstoffgemisch führt oft zu Fehlzündungen, Klopfen, unvollständiger Verbrennung und schlechter Kraftstoffwirtschaftlichkeit. Ein Faktor, welcher zu solchen Ereignissen führen kann, ist die geringe Fähigkeit herkömmlicher Zündkerzen, ein mageres Kraftstoffgemisch im Zylinder des laufenden Motors effizient zu zünden. Eine effizientere Verbrennung von mageren Kraftstoffgemischen kann bei Verwendung einer Vorbrennkammer erreicht werden.
Vorkammerzündkerzen (d. h. Vorbrennkammer-Zündkerzen) werden in der Vorbrennkammer verwendet und werden typischerweise verwendet, um die unteren („mageren“) Entflammbarkeitsgrenzen in Magermotoren wie etwa Erdgas-Magermotoren zu verbessern. Bei bekannten Vorkammerzündkerzen, wie etwa der Vorkammerzündkerze, die in der US-Patentschrift US 5 554 908 A offenbart ist, ist die Funkenstrecke in einen Hohlraum mit einem Volumen eingeschlossen, welches typischerweise kleiner als drei Prozent des Motorzylinderhubraums ist. Der obere Abschnitt des Hohlraums ist als eine Kuppel ausgebildet und weist verschiedene tangentiale Einlass-/Auslasslöcher auf. Während des Betriebs, wenn sich der Motorkolben während des Verdichtungstaktes nach oben bewegt, wird Luft/Kraftstoff durch die Einlasslöcher in die Vorkammer gepresst. Die Ausrichtung der Löcher erzeugt eine Wirbelbewegung im Inneren des Vorkammerraums.
Der Dichteunterschied zwischen der Luft und dem Kraftstoff verursacht in Verbindung mit der Wirbelbewegung eine Schichtenbildung des Kraftstoffs innerhalb des Vorkammerraums. Bei richtiger Anordnung der Funkenstrecke kann eine effiziente Zündung in einem kraftstoffreichen Bereich erreicht werden. Die schnelle Verbrennung von Kraftstoff in dem Vorkammerraum kann tief in die Brennkammer des Motors eindringende Stichflammen zur Folge haben. Diese Stichflammen ermöglichen es, eine schnellere und reproduzierbare Flammenausbreitung in der Brennkammer des Motors bei magereren Luft-Kraftstoff-Gemischen zu erreichen.
Die DE 38 21 688 A1 schlägt ein Verfahren und zwei verschiedene Vorrichtungen zur Herstellung von Funkenelektroden in einer Zündkerze mit einer vorderen Kammer sowie einer verengten unteren Teilkammer mit einem Strömungsverhalten in Form von Wirbeln vor. In den dort beschriebenen Vorrichtungen wird dem erosiven und korrosiven Verschleiß der Funkenelektroden durch den besonders sparsamen Einsatz von Edelmetalldrähten aus Metallen oder Metalllegierungen aus der Platingruppe entgegengewirkt.
Die DE 29 16 285 A1 beschreibt ein Verfahren zur Entflammung magerer Kraftstoff/Luftgemische.
Die DE 198 49 317 A1 beschreibt eine Zündkerze, die eine Erderelektrode und eine Mittelelektrode aufweist, die einen Abstand von dieser aufweist, so dass ein Elektrodenspalt entsteht. Die darin beschriebene Zündkerze hat eine untere Verbrennungskammer, die die Erd- und Mittelelektroden sowie eine ringförmige Wand enthält, die den Elektrodenspalt umgibt und mehrere Entladungslöcher aufweist, die seitlich neben dem Spalt angeordnet sind.
Die US 2007 / 0 069 617 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Maximierung der Lebensdauer von Zündkerzen in Vorkammerzündkerzen, die mit ultramagerem Gemisch und/oder erhöhtem Motor-BMEP (Brake Mean Effective Pressure, BMEP) arbeiten.
Ein Problem, welchem der Stand der Technik nicht Rechnung trägt, ist der Betrieb von Zündkerzen mit ultramageren Luft-Kraftstoff- Gemischen (Lambda > 1,75) und hohem effektivem Mitteldruck (Brake Mean Effective Pressure, BMEP) (> 18 bar). Unter solchen Betriebsbedingungen ist die Lebensdauer von Zündkerzen tendenziell sehr kurz. Infolgedessen ist die Vermarktung von Ottokraftstoffmotoren mit hohem Wirkungsgrad und hoher Leistungsdichte praktisch nicht durchführbar.
Im Stand der Technik nicht beschrieben sind die Merkmale und Konfigurationen, die für den Vorkammerraum, die Einlass-/Auslasslöcher, die Form und Position der Elektroden, welche die Elektrodenerosion minimieren und die Lebensdauer von Zündkerzen maximieren, erforderlich sind, insbesondere bei ultramageren Luft-Kraftstoff-Gemischen und hohem BMEP. Der Stand der Technik betrachtet auch nicht das Problem der Wasserkondensation im Inneren der Zündkerzenvorkammer und zwischen den Elektroden, welche Kurzschlüsse und Fehlzündungen verursacht. Außerdem betrachtet der Stand der Technik nicht das Problem, das Flächen einer Zündkerze sich überhitzen und eine Frühzündung verursachen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht also darin, eine Vorkammerzündkerze bereitzustellen, die eine erhöhte Lebensdauer bei Betrieb mit ultramageren Luft-Kraftstoff-Gemischen und hohem BMEP aufweist.
Diese Aufgabe wird durch die Vorkammerzündkerze gemäß des Anspruchs 1 und dem zugehörigen Herstellungsverfahren gemäß des Anspruchs 9 gelöst.
Diese und andere Vorteile der Erfindung sowie weitere erfinderische Merkmale werden aus der hier gegebenen Beschreibung der Erfindung ersichtlich.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung stellt Vorkammerzündkerzen und ein Verfahren zur Herstellung von Vorkammerzündkerzen bereit, die mit ultramageren Gemischen und/oder bei hohem BMEP des Motors eingesetzt werden. Die Elektrodenerosion wird verringert, indem die Entladungsenergie pro Flächeneinheit der Elektrodenoberfläche über einen größeren Bereich verteilt wird, die Kraftstoffkonzentration in der Funkenstrecke aufrechterhalten wird, der statische Druck des Gases zum Zeitpunkt der elektrischen Entladung gesteuert wird und die Elektrodentemperatur innerhalb ihres sicheren Betriebsbereiches gehalten wird.
Die Entladungsenergie wird über eine größere Oberfläche verteilt, indem ein Wirbelmuster in dem Luft-Kraftstoff-Gemisch erzeugt wird. Bei einer Ausführungsform wird das Wirbelmuster mit Umfangslöchern in der Endkappe der Zündkerze erzielt, welche unter einem Winkel in die Endkappe gebohrt sind. Der Verwirbelungseffekt hat eine Entladung mit geringerer spezifischer Energie an den Elektroden zur Folge, indem eine Strömungsfeld- Kraft erzeugt wird, die auf die Funkenentladung einwirkt und bewirkt, dass sich der Lichtbogen bewegt, wodurch die Geschwindigkeit der Elektrodenerosion verringert wird.
Die Zündkerzenelektroden sind in einer variablen Konfiguration angeordnet, indem die Masseelektrode und/oder die Mittelelektrode so geformt ist, dass eine variable Funkenstreckengröße erzeugt wird. Die variable Funkenstreckengröße hat eine Verringerung der Funkenspannung zur Folge, die für die Zündung bei hohen Betriebsdrücken erforderlich ist, wodurch sich die für die Zündung benötigte Energie verringert. Die variable Konfiguration hat außerdem eine zuverlässige Zündung bei Motoren zur Folge, die bei mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnissen arbeiten, da der minimale Spalt der Funkenstrecke von variabler Größe effektiv Kraftstoff in einem kleinen Spalt konzentriert.
Die Mittelelektrode der Vorkammerzündkerze ragt in den Vorkammerraum hinein. Infolgedessen ist die Mittelelektrode der Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemisches im Vorkammerraum und der resultierenden Temperaturerhöhung ausgesetzt. Die Keramikisolation für die Mittelelektrode ist dazu ausgebildet, einen wirksamen Wärmeübergangsweg bereitzustellen, um eine übermäßige Erwärmung der Mittelelektrode, welche eine Frühzündung verursachen kann, zu verhindern.
Das Volumen hinter der Masseelektrode stellt einen Raum für Verbrennungsprodukte von vorhergehenden Verbrennungstakten zur Verfügung und gewährleistet eine zuverlässigere Zündung, insbesondere bei sehr mageren Luft-Kraftstoff-Gemischen. Dieses Volumen ermöglicht, dass die Verbrennungsprodukte zurückgedrückt werden, wenn das Luft-Kraftstoff-Gemisch für einen weiteren Verbrennungstakt in die Vorbrennkammer angesaugt wird. Dieses Volumen ist so bemessen, dass eine effiziente Zündung mit sehr mageren Luft-Kraftstoff-Gemischen erreicht wird. Bei einer Ausführungsform ist das Verhältnis zwischen dem Volumen hinter der Funkenstrecke und dem Volumen der Zündkerzenvorkammer größer als das Verhältnis zwischen dem Volumen der Brennkammer des Motors und dem Motorhubraum.
Andere Aspekte, Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen noch klarer ersichtlich.
Figurenliste

1 ist ein Flussdiagramm, welches die Gesamtheit der Schritte zeigt, die zur Maximierung der Zündkerzenlebensdauer bei Vorkammerzündkerzen gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden können; 2 ist eine isometrische Darstellung eines nicht zur Erfindung gehörigen Beispiels einer Vorkammerzündkerze;
3 ist eine vergrößerte Ansicht der Vorkammerzündkerze von 2;
4 ist eine Teilschnittansicht der Vorkammerzündkerze von 2;
5a ist eine Vorderansicht einer Endkappe der Vorkammerzündkerze von 2, welche Einlasslöcher gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung zeigt;
5b ist eine Schnittansicht der Endkappe von 5a;
6a ist eine Schnittansicht einer Ausführungsform einer Masseelektrode mit einer divergenten Elektrodenkonfiguration gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung entlang Linie 6a, 6b von 4;
6b ist eine Schnittansicht einer alternativen Ausführungsform einer Masseelektrode mit einer divergenten Elektrodenkonfiguration gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung entlang Linie 6a, 6b von 4;
7 ist eine Schnittansicht der Masseelektrode von Fig. 6a, wobei die Einlasslöcher von Fig. 5a, 5b der Masseelektrode überlagert dargestellt sind;
8 ist eine Schnittansicht einer alternativen Ausführungsform einer Masseelektrode, wobei die Einlasslöcher von Fig. 5a, 5b der Masseelektrode überlagert dargestellt sind;
9 ist ein Flussdiagramm, welches die Schritte der Herstellung einer Vorkammerzündkerze aus einer standardmäßigen Zündkerze unter Verwendung eines Adapters zeigt;
10 ist eine Schnittansicht einer standardmäßigen Zündkerze, die mit einem Adapter modifiziert ist, um eine Vorkammerzündkerze zu erzeugen; und 11 ist eine Schnittansicht einer Vorkammerzündkerze mit einer leicht vorstehenden Endkappe;
12 ist eine Schnittansicht einer Vorkammerzündkerze mit einer vorstehenden Endkappe, welche senkrechte Einlasslöcher aufweist; und
13 ist eine Schnittansicht eines Verwirblers mit abgewinkelten Einlasslöcher gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Obwohl die Erfindung in Verbindung mit gewissen bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wird, ist nicht beabsichtigt, sie auf diese Ausführungsformen zu beschränken. Vielmehr ist beabsichtigt, alle Alternativen, Modifikationen und Äquivalente abzudecken, die in der Grundidee und im Schutzbereich der Erfindung, wie er durch die beigefügten Ansprüche festgelegt wird, enthalten sind.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ausführungsformen der Erfindung stellen Vorkammerzündkerzen und ein Verfahren zur Herstellung von Vorkammerzündkerzen, die mit ultramageren Gemischen und bei hohem BMEP des Motors eingesetzt werden, bereit.
1 ist ein Flussdiagramm, welches die Gesamtheit der Schritte zeigt, die zur Maximierung der Betriebslebensdauer einer Vorkammerzündkerze durchgeführt werden können. Schritt 102 beinhaltet das Bereitstellen eines Weges für die Erzeugung von Strömungsfeld-Kräften. Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist eine Vorbrennkammer der Vorkammerzündkerze dafür ausgebildet, ein Luft-Kraftstoff-Gemisch auf eine Weise aufzunehmen, welche Strömungsfeld-Kräfte innerhalb der Kammer erzeugt. Schritt 104 beinhaltet das Bereitstellen eines Volumens für Verbrennungsprodukte, welche aus dem Verbrennungsprozess innerhalb der Vorbrennkammer resultieren. Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist eine Masseelektrode so positioniert, dass sie ein Volumen für Verbrennungsprodukte innerhalb der Vorbrennkammer erzeugt. Schritt 106 beinhaltet, dass die Zündkerzenelektroden in einer divergenten Konfiguration angeordnet werden. Um die Lebensdauer der Zündkerze zu maximieren, beinhaltet Schritt 108 das Bereitstellen eines Strömungsfeldes zum Zeitpunkt der Zündung, welches geeignet ist, ein fetteres Luft-Kraftstoff-Gemisch in der Nähe der Funkenstrecke zu konzentrieren. Die Eigenschaften des Strömungsfeldes werden durch die Zündzeitpunktverstellung des Motors und die Konfiguration der Einlass-/Auslasslöcher der Vorkammerzündkerze bestimmt. Hohe Strömungsfelder in der Größenordnung 5-30 m/s und eine große Vorverstellung des Zündzeitpunkts in der Größenordnung eines Kurbelwinkels von 20 bis 40 Grad vor dem oberen Totpunkt sind bevorzugt, da der statische Druck an der Funkenstrecke verringert wird und daher die Anforderungen betreffs der Funkendurchbruchspannung geringer sind.
Es wird nun auf Fig. 2-4 Bezug genommen, wo ein nicht zur Erfindung gehöriges Beispiel einer Vorkammerzündkerze 200 dargestellt ist, welche die den Schritten von 1 zugeordneten Strukturen enthält. Zündkerzen sind in der Technik bekannt, so dass eine ausführliche Beschreibung der herkömmlichen Bestandteile der Vorkammerzündkerze 200 hier nicht erforderlich ist. Die Zündkerze 200 umfasst einen zylindrischen Mantel 202, sowie einen Isolator, der in den Mantel 202 eingesetzt ist, so dass ein Spitzenabschnitt 204 aus dem Mantel 202 herausragt. Der Mantel 202 ist typischerweise aus metallischem Material wie etwa kohlenstoffarmem Stahl ausgebildet. Eine Mittelelektrode 206 ist im Inneren des Isolators angeordnet, so dass ein Abschnitt am Spitzenabschnitt 204 aus dem Isolator herausragt. Der Spitzenabschnitt wird verwendet, um während der Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemisches in der Vorkammerzündkerze 200 einen Wärmeübergangsweg von der Mittelelektrode 206 zur Verfügung zu stellen.
Bei einer herkömmlichen Zündkerze wird eine Masseelektrode verwendet, bei der ein Ende, zum Beispiel durch Schweißen, mit dem Mantel verbunden ist und deren gegenüberliegendes Ende seitlich umgebogen ist, so dass eine Seitenfläche desselben einem Spitzenabschnitt der Mittelelektrode 206 zugewandt ist. Anders als bei einer herkömmlichen Zündkerze ist die Masseelektrode 208 der vorliegenden Erfindung scheibenartig geformt und in der Nähe des Endes 210 der Mittelelektrode 206 angebracht. zwischen der Masseelektrode 208 und der Mittelelektrode 206 ist eine Funkenstrecke 212 von variabler Größe ausgebildet. Die Position der Masseelektrode 208 hängt vom volumetrischen Verhältnis des Motors ab. Das volumetrische Verhältnis des Motors ist das Verhältnis des Gesamtzylindervolumens zum Volumen der Hauptbrennkammer. Bei Beispiel ist die Position der Masseelektrode 208 in der Vorbrennkammer so gewählt, dass das Verhältnis des Gesamtvolumens der Vorbrennkammer zum Volumen hinter der Masseelektrode 208 (d. h. dem Volumen gegenüber der Endkappe 214) kleiner als das volumetrische Verhältnis des Motors ist. In Gleichungsform lässt sich dies schreiben als $V_{p} / V_{g} < V_{t} / V_{c},$
wobei V_p das Gesamtvolumen der Vorbrennkammer (218₁ + 218₂) ist, V_g das Restvolumen (218₂) hinter der Masseelektrode 208 ist, Vt das Gesamtzylindervolumen (d. h. das durch den Kolben verdrängte Volumen) ist und V_c das Volumen der Brennkammer (d. h. das Volumen des Zylinders mit dem Luft-Kraftstoff-Gemisch) ist. Wird zum Beispiel angenommen, dass V_t/V_c in der Größenordnung von 10 liegt, dann sollte das Verhältnis von V_p zu V_g kleiner als 10 sein. Das Volumen hinter der Masseelektrode 208 stellt ein Volumen für Restverbrennungsprodukte dar, welche (während eines vorhergehenden Verbrennungstaktes) die Vorbrennkammer nicht verlassen haben. Die Restverbrennungsprodukte verdünnen das Luft-Kraftstoff-Gemisch während des Ansaugens des Luft-Kraftstoff-Gemischs in die Vorbrennkammer.
Es ist anzumerken, dass die Zündkerzentemperatur vom Gesamtvolumen der Vorbrennkammer abhängig ist. Mit zunehmendem Volumen erhöht sich typischerweise die Zündkerzentemperatur (d. h. die Kerze wird heißer), was hauptsächlich auf die größere Masse an Kraftstoff zurückzuführen ist, die in der Kammer verbrannt wird. Wenn sich die Temperatur erhöht, tritt die Wahrscheinlichkeit einer Frühzündung auf. Mit zunehmendem Volumen verbessert sich jedoch im Allgemeinen die Verbrennungsleistung, da die Menge an heißen Gasen zunimmt, die in die Bohrungen eingeblasen werden können, was ein stärkeres Eindringen in die Hauptbrennkammer und eine größere Abgasfahne (plume) zur Folge hat, welche die Verbrennung verbessert. Infolgedessen basiert das tatsächlich verwendete Verhältnis von V_p zu V_g auf Merkmalen des Motors und gewünschter Leistung. Zum Beispiel kann bei einem Motor ein Verhältnis V_p/V_g von 5 besser geeignet sein als ein V_p/V_g von 3, während bei einem anderen Motor ein Verhältnis V_p/V_g von 3 besser geeignet ist als ein V_p/V_g von 5.
Anders als bei einer herkömmlichen Zündkerze erstreckt sich der Mantel 202 über das Ende 210 der Masseelektrode 206 hinaus. Ein Gewindeabschnitt 214 ist auf der äußeren Umfangsfläche des Mantels 202 ausgebildet und dazu eingerichtet, die Kerze 200 so auf einem Motorblock anzubringen, dass sich ein Abschnitt des Mantels 202 in die Vorbrennkammer des Motors (nicht dargestellt) hinein erstreckt.
Eine Endkappe (Verwirbler) 216 umschließt den Mantel 202, wodurch eine Vorbrennkammer 218 gebildet wird. Die Vorbrennkammer 218 besteht aus einem zündfähigen Volumen 218 1 vor der Elektrode 208 und einem Restvolumen 218 2 hinter der Elektrode 208. Es wird nun auf Fig. 5a und 5b Bezug genommen; die Endkappe 214 enthält gebohrte Löcher 220, 222 für den Einlass frischer Ladungen von Luft/Kraftstoff und den Auslass von Verbrennungsprodukten während des Betriebs. Die Lochfläche und der effektive Durchflusskoeffizient sind so bemessen, dass eine optimale „Atmungs“-Effizienz sichergestellt wird. Zum Beispiel sollte die Lochfläche genügend groß sein, um ein Füllen der Vorbrennkammer 218 während einer subsonischen Kolbenbewegung (z. B. Kolben bewegt sich durch den oberen Totpunkt) zu ermöglichen, und zugleich genügend klein, um eine Schallgeschwindigkeit des abströmenden Gases (d. h. der Abgasfahne) zu gewährleisten. Bei einem Beispiel ist die Anordnung der Endkappe (Verwirbler), welche den Wärmeübergang maximiert und die Wahrscheinlichkeit einer Frühzündung minimiert, „bündig“; mit dem Zylinderkopf. In Abhängigkeit von der Konfiguration der Brennkammer und der Gestaltung des Zylinderkopfes kann auch ein leicht vorstehender Verwirbler ausgebildet sein.
Das Mittelloch 220 ist typischerweise gerade (d. h. parallel zur Längsachse der Zündkerze 200). Die Umfangslöcher 222 sind abgewinkelt (d. h. keine axiale Achse der Löcher 222 schneidet sich mit der Längsachse der Zündkerze 200), um ein Wirbelmuster in dem abströmenden Gas zu erzeugen. Die Verwirbelung des Gas-Kraftstoff-Gemisches bewirkt, dass sich der während des Betriebs erzeugte Lichtbogen bewegt, so dass die Energie in dem Lichtbogen über eine größere Oberfläche der Masseelektrode 208 und der Mittelelektrode 206 verteilt wird, wodurch die Temperatur der Masseelektrode 208 und der Mittelelektrode 206 verringert wird. Die Winkel θ, α; und die Abstände d₁, d₂ werden auf der Basis der Motorkenngrößen ausgewählt, wie etwa der Geschwindigkeit des Kolbenhubs. Die Umfangslöcher 222 sind bei einem Beispiel so bemessen, dass sie die Strömung in den Umfangslöcher während des Ausströmens (d. h. der Zündung in der Hauptkammer) drosseln, so dass die Hauptströmung (d. h. Ausströmen von Heißgasen) durch das Mittelloch 220 erfolgt, während sie beim Ansaugen von Gasen in die Vorbrennkammer 218 einen ausreichenden Durchfluss gewährleisten, um für einen Verwirbelungseffekt zu sorgen, der hilft, die Gase in der Vorbrennkammer zu entzünden. Der Verwirbelungseffekt verbessert die Stabilität der Verbrennung, und bei richtiger Bemessung verursacht er keine übermäßige Drosselung des Stroms. Die abgewinkelten Löcher 222 führen zur Erzeugung einer Strömungsfeld-Kraft, die wie unten beschrieben auf die Funkenentladung wirkt. Bei einem Beispiel beträgt der Durchmesser der abgewinkelten Löcher 222 1,524 mm (0,060 Zoll), und der Durchmesser des Mittellochs 220 beträgt 1,651 mm (0,065 Zoll). Die hohe Strömungsgeschwindigkeit an der Funkenstrecke bietet auch den zusätzlichen Vorteil, dass eventuell während des Abstellens des Motors kondensiertes Wasser weggeblasen wird.
Es wird nun auf Fig. 6a und 6b Bezug genommen; die Form der Elektrode 208 ist so gestaltet, dass sie bezüglich der Mittelelektrode 206 divergent ist. Die Divergenz der Elektrode 208 hat eine Verlängerung der Lichtbogenentladung und eine Funkenstrecke 212 von variabler Größe zur Folge. Zum Beispiel hat in 6A die Masseelektrode eine gelappte Form, so dass die Funkenstrecke 212 konkav in Bezug auf die Mittelelektrode 206 ist. Es ist ersichtlich, dass die Funkenstrecke 212 eine minimale Spaltgröße an der Stelle 224 aufweist und die Funkenstrecke 212 beiderseits des minimalen Spaltes divergiert. Bei einer Ausführungsform reicht die Größe der Funkenstrecke bzw. des Spaltes von einem minimalen Spalt in der Größenordnung von 0,127 bis 0,254 mm (0,005 bis 0,010 Zoll) für einen Betrieb mit einem hohen BMEP bis zu einem maximalen Spalt in der Größenordnung von 0,762 bis 1,27 mm (0,030 bis 0,050 Zoll). Es ist anzumerken, dass der minimale Spalt kleiner sein könnte, jedoch die gegenwärtigen Fertigungstoleranzen setzen der Kleinheit des Spaltes Grenzen, sofern keine kostspieligen Herstellungsverfahren eingesetzt werden sollen. Ein Spalt von 0,127 mm (0,005 Zoll) ist genügend groß, wenn die Fertigungstoleranzen minimal sind. Die Funkenstrecke 212 von variabler Größe bewirkt eine Verringerung der Anforderungen an die Funkenspannung (d. h. die Antriebsspannung) bei hohen Drücken. Außerdem gewährleistet die variable Größe eine zuverlässigere Zündung während des Betriebs unter den Bedingungen eines mageren Luft-Kraftstoff-Gemisches. 6b zeigt eine alternative Implementierung einer variablen Funkenstrecke 212.
Wie oben angegeben, erzeugt die vorliegende Erfindung Strömungsfeld-Kräfte, die auf die Funkenentladung einwirken und zur Folge haben, dass sich der Lichtbogen bewegt und die Funkenenergie auf einen viel größeren Oberflächenbereich verteilt. Dies ist aus 7 ersichtlich, welche die Umfangslöcher 222 der Endkappe 216 in einer der Masseelektrode 208 überlagerten Darstellung zeigt. Strömungsfeld-Kräfte, die auf den Lichtbogen 302 einwirken, sind durch Pfeile 300 dargestellt. Ohne die Strömungsfeld-Kräfte wäre der Lichtbogen an der Stelle des minimalen Spaltes 224 konzentriert. Mit den Strömungsfeld-Kräften bewegt sich der Lichtbogen, und die mit dem Lichtbogen verbundene Energie wird auf eine größere Fläche verteilt, wie durch das Bezugszeichen 304 angegeben ist. Wie in 7 dargestellt, hat die Konfiguration der Einlass-/Auslasslöcher 222 zur Folge, dass das Strömungsfeld sich vorwiegend in der Richtung der Pfeile 300 bewegt. Bei einer anderen Konfiguration kann sich das Strömungsfeld in anderen Richtungen bewegen. Die Konfiguration der Einlass-/Auslasslöcher 222 sollte so beschaffen sein, dass das Strömungsfeld zum Zeitpunkt der Zündung ein fetteres Luft-Kraftstoff-Gemisch in der Nähe der Funkenstrecke 212 konzentriert, um die Funktionsweise zu verbessern. Es ist anzumerken, dass die Eigenschaften des Strömungsfeldes, außer durch die Konfiguration der Einlass-/Auslasslöcher 222, auch durch die Zündzeitpunktverstellung des Motors diktiert werden. Hohe Strömungsfelder in der Größenordnung von 5-30 m/s und eine große Vorverstellung des Zündzeitpunkts in der Größenordnung eines Kurbelwinkels von 20 bis 40 Grad vor dem oberen Totpunkt verringern den statischen Druck an der Funkenstrecke 212, was eine Verringerung der Anforderungen betreffs der Antriebsspannung der Funkenspannung zur Folge hat. 8 zeigt eine andere Ausführungsform einer Masseelektrode 208 mit Strömungsfeldern, die auf den Lichtbogen einwirken. Es ist anzumerken, dass die Mittelelektrode 206 rechteckig anstatt kreisförmig ist und die Masseelektrode 208 zahnförmig ist (d. h. trapezförmig gestaltet ist).
In der obigen Beschreibung wurde die Vorkammerzündkerze als eine einteilige Mantelkonstruktion aufweisend beschrieben (siehe 2). Der Mantel kann auch die Form einer mehrteiligen Mantelkonstruktion annehmen. Zum Beispiel kann eine standardmäßige Zündkerze in eine Vorkammerzündkerze umgewandelt werden, indem ein Adapter zu dem vorhandenen Mantel der standardmäßigen Zündkerze hinzugefügt wird, um den Vorkammerzündkerzen-Mantel zu erzeugen. Es wird nun auf Fig. 9-10 Bezug genommen; bei einem Beispiel kann eine Vorkammerzündkerze unter Verwendung eines Adapters 450 aus einer standardmäßigen Zündkerze hergestellt werden. Der Adapter 450 ist so bemessen, dass er zu der Masseelektrode 208 und der Endkappe 216 passt und einen Vorkammerraum 218 mit V_p/V_g wie oben beschrieben zur Verfügung stellt. Das Gewinde 452 auf dem Zündkerzenmantel 454 wird durch Schleifen oder einen anderen Arbeitsgang entfernt (Schritt 400). Der Innendurchmesser des Adapters 450 wird spanend bearbeitet, so dass die Fläche 464 einen leichten Schrumpfsitz bezüglich des Mantels 454, wo das Gewinde 452 entfernt worden ist, gewährleistet (Schritt 402). Bei einem Beispiel liegt das Maß des Schrumpfsitzes in der Größenordnung von etwa 0,508 mm (0,002 Zoll). Der Adapter wird vorgewärmt und auf den Zündkerzenmantel 454 aufgeschoben (Schritt 404). Es sollte eine Spannvorrichtung verwendet werden, um den Zündkerzenmantel 454 an dem Adapter 450 zu halten, um sicherzustellen, dass ein ausreichender Kontakt für den Wärmeübergangsweg von der Mittelelektrode 206 zu dem Adapter 450, wie durch die Pfeile angegeben (siehe 10), vorhanden ist. Der primäre Wärmeübergangsweg verläuft von der Mittelelektrode 206 über den Isolator 204, über den konisch zulaufenden Sitz 458 hinaus und über eine Dichtung, wie etwa eine Kupferdichtung, in den Zylinderkopf (nicht dargestellt) hinein. Der Wärmeübergangsweg stellt einen Weg für die auf die Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemisches in der Vorbrennkammer 218 zurückzuführende Wärme der Mittelelektrode zur Verfügung und ist für eine lange Lebensdauer der Zündkerze und Beständigkeit gegenüber Frühzündung wichtig. Der Adapter 450 wird mit dem Zündkerzenmantel 454 durch Schweißen (wie durch das Bezugszeichen 460 angegeben) und Ähnliches integriert (Schritt 406). Der Schweißprozess wird typischerweise unter Anwendung von Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißen (Gas Tungsten Arc Welding, GTAW), welches oft als WIG-Schweißen bezeichnet wird, oder anderer Arten des Schweißens durchgeführt. Es können auch andere Verfahren wie etwa Hartlöten zur Anwendung kommen, vorausgesetzt, dass das Verfahren in der Lage ist, einem Druck von ungefähr 172,37 bar (2500 psi) bei 350 Grad Celsius standzuhalten.Nachdem der Adapter 450 integriert worden ist, wird die Montage des Adapters fertig gestellt (Schritt 408). Die Fertigstellung beinhaltet die Anbringung der Masseelektrode 208 in der Vorbrennkammer 218 und die Anbringung der Endkappe 216. Es ist anzumerken, dass das Ende 210 der Mittelelektrode möglicherweise spanend bearbeitet werden muss, falls das Ende 210 mit der Masseelektrode 208 bündig sein soll. Bei einem Beispiel wird die Masseelektrode 208 mit einer oder mehreren Dichtungen 462 an einer inneren Stufe gehalten. Die Masseelektrode 208 kann auch mit Dichtungen auf beiden Seiten der Masseelektrode 208 in ihrer Position gehalten werden. Alternativ dazu kann der Innendurchmesser des Adapters 450 mit einem Gewinde versehen sein und die Masseelektrode mit Gewindegängen in ihrer Position gehalten werden. Obwohl die Endkappe 216 als in den Adapter 450 (oder Mantel 202) eingepasst dargestellt ist, ist anzumerken, dass die Endkappe 216 über den Adapter 450 (oder Mantel 202) aufgesetzt oder mit dem Außendurchmesser des Adapters 450 (oder Mantels 202) bündig sein kann.
Wie zuvor beschrieben, kann ein leicht vorstehender Verwirbler in Abhängigkeit von der Konfiguration der Brennkammer und der Gestaltung des Zylinderkopfes konstruiert werden. Es wird nun auf 11 Bezug genommen; bei einem alternativen Beispiel ist ein Verwirbler 216' dargestellt, welcher von dem Ende des Mantels 202 (oder Adapters 450) aus leicht vorsteht. Der Verwirbler 216' weist ein Mittelloch 220' und Umfangslöcher 222' auf, wie oben im Zusammenhang mit dem Verwirbler 216 beschrieben wurde. Der Verwirbler 216' ist am Mantel 202 durch Schweißen, Hartlöten und Ähnliches befestigt.
12 zeigt eine Vorkammerzündkerze 230 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, bei der ein vorstehender Verwirbler 232 an dem Mantel 202 befestigt ist. Die Vorkammerzündkerze 230 weist ferner eine Mittelelektrode 206 mit einer Längsachse 234 auf. Wie bei der vorhergehenden Ausführungsform kann der Verwirbler 232 durch Schweißen, Hartlöten und Ähnliches an dem Mantel 202 befestigt sein. Der Verwirbler 232 weist mehrere Löcher 236 auf, welche in einer Seitenwand 238 des Verwirblers 232 gebohrt oder geformt sein können.
13 zeigt eine Ausführungsform des Verwirblers 232 mit vier Einlasslöcher 240 in der Seitenwand 238 und vier Lochachsen 242, 244, 246, 248. Andere Ausführungsformen der Erfindung können mehr oder weniger als vier Einlasslöcher aufweisen. Die Einlasslöcher 240 sind so angeordnet, dass jede Lochachse 242- 248 im Wesentlichen senkrecht zu der Längsachse 234 ist, und jede Lochachse e 242-248 so abgewinkelt ist, dass keine Lochachse 242-248 –248 die Längsachse 234 schneidet. Wenn das Luft-Kraftstoff-Gemisch in die Vorbrennkammer 218 eingeleitet wird, erzeugen die gewinkelten Einlasslöcher 240 einen Effekt der Verwirbelung des Luft-Kraftstoff-Gemisches in der Vorbrennkammer 218. Die genaue Position (d. h. an der Seitenwand 238) und Konfiguration (d. h. Durchmesser, Winkel) der Einlasslöcher 240 ist von dem gewünschten Strömungsfeld und der Luft-Kraftstoff-Verteilung innerhalb der Vorbrennkammer 218 abhängig. Bei einer Ausführungsform der Erfindung liegen die vier Lochachsen 242-248 in einer Ebene, welche im Wesentlichen senkrecht zu der Längsachse 234 ist. Bei einer anderen Ausführungsform ist die Lochachse 242 im Wesentlichen parallel zu der Lochachse 146 und im Wesentlichen senkrecht zu den Lochachsen 244, 248.
Aus dem Obigen ist ersichtlich, dass ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Maximierung der Lebensdauer von Zündkerzen bei Vorkammerzündkerzen, die mit ultramageren Gemischen und bei hohem BMEP des Motors eingesetzt werden, beschrieben wurden. Zu den Hauptfaktoren, welche die Elektrodenerosion beeinflussen, gehören die Entladungsenergie pro Flächeneinheit der Elektrodenoberfläche, die Kraftstoffkonzentration in der Funkenstrecke, der statische Druck des Gases zum Zeitpunkt der elektrischen Entladung und die Elektrodentemperatur. Die Entladungsenergie wurde durch den Verwirbelungseffekt, der durch die Umfangslöcher in der Endkappe erzeugt wird, über eine größere Oberfläche verteilt. Der Verwirbelungseffekt hat eine Entladung mit geringerer spezifischer Energie an den Elektroden zur Folge, welche die Geschwindigkeit der Elektrodenerosion verringert. Ferner stellt das an dem divergenten Elektrodenspalt erzielte hohe Strömungsfeld sicher, dass eventuelles Kondenswasser weggeblasen wird, bevor die elektrische Entladung erfolgt. Die divergente Anordnung der Elektroden, die aus der Form der Masseelektrode und/oder der Mittelelektrode resultiert, verringert die Funkenspannung bei hohen Betriebsdrücken, wodurch die zur Zündung erforderliche Energie verringert wird, während eine zuverlässige Zündung bei mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnissen gewährleistet wird. Die Konstruktion der Keramikisolation für die Mittelelektrode stellt einen wirksamen Wärmeübergangsweg bereit, um eine übermäßige Erwärmung der Mittelelektrode zu verhindern. Das Volumen hinter der Masseelektrode stellt einen Raum für Verbrennungsprodukte von vorhergehenden Verbrennungstakten zur Verfügung und gewährleistet eine zuverlässigere Zündung bei sehr mageren Luft-Kraftstoff-Gemischen.
Die Verwendung der Termini „ein“ und „eine“ sowie „der/die/das“; und ähnlicher Bezugswörter im Kontext der Beschreibung der Erfindung (insbesondere im Kontext der nachfolgenden Patentansprüche) ist in dem Sinne auszulegen, dass sie sowohl den Singular als auch den Plural beinhalten, sofern hierin nichts anderes angegeben ist oder der Kontext dem nicht klar widerspricht. Die Termini „umfassend“, „aufweisend“, „beinhaltend“ und „enthaltend“ sind als Termini „mit unbestimmtem Ende“ auszulegen (d. h. mit der Bedeutung „einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf“), sofern nichts anderes angegeben ist. Die Angabe von Wertebereichen soll hierin lediglich als eine Kurzschreibweise zur separaten Bezugnahme auf jeden einzelnen Wert dienen, der in den Bereich fällt, sofern hierin nichts anderes angegeben ist, und jeder einzelne Wert ist in die Beschreibung aufgenommen, als ob er hierin einzeln aufgeführt wäre. Alle hierin beschriebenen Verfahren können auf eine beliebige geeignete Weise durchgeführt werden, sofern hierin nichts anderes angegeben ist oder der Kontext dem nicht klar widerspricht. Die Verwendung jedweder Beispiele oder einer auf Beispiele bezogenen Formulierung (z. B. „wie etwa“), die hier erfolgt, ist lediglich dazu bestimmt, die Erfindung besser zu verdeutlichen, und erlegt dem Geltungsbereich der Erfindung keine Einschränkung auf, sofern nichts anderes beansprucht wird. Keine Formulierung in der Beschreibung darf dahingehend ausgelegt werden, dass sie irgendein nicht beanspruchtes Element als wesentlich für die praktische Realisierung der Erfindung angibt.

Claims

Vorkammerzündkerze (230) umfassend: - einen Metallmantel (202); - Elektroden (208) innerhalb des Metallmantels (202) in einer divergenten Konfiguration, wobei die Elektroden (208) im Bezug auf eine Mittelelektrode (206) divergent sind, so dass ein Volumen hinter einem Spalt (212) der Elektroden (208) für Verbrennungsprodukte von einem vorhergehenden Zündungstakt ausgebildet wird; - eine Endkappe (232) mit mehreren Einlasslöchern (236,240), wobei die Endkappe (232) an dem Metallmantel (202) so angeordnet ist, dass die Endkappe (232) und der Metallmantel (202) die Vorbrennkammer (218) ausbilden; wobei jedes der Einlasslöcher (236,240) der Endkappe (232) eine jeweilige Lochachse (242,244,246,248) aufweist, welche in einer Ebene liegen, die senkrecht zu einer Längsachse (234) der Vorkammerzündkerze (230) ist.
Vorkammerzündkerze (230) nach Anspruch 1, wobei die Endkappe (232) vier Einlasslöcher (236,240) aufweist.
Vorkammerzündkerze (230) nach Anspruch 2, wobei die mehreren Einlasslöchern (236,240) derart ausgebildet sind, dass keine Lochachse (242, 244, 246 ,248) der vier Einlasslöcher (236,240) die Längsachse (234) der Vorkammerzündkerze (230) schneidet.
Vorkammerzündkerze (230) nach Anspruch 3, wobei jede beliebige Lochachse (242,244,246,248) parallel zu einer anderen Lochachse (246) und senkrecht zu zwei anderen Lochachsen (244, 248) ist.
Vorkammerzündkerze (230) nach Anspruch 1, wobei die Elektroden (208) innerhalb des Metallmantels (202) in einer divergenten Konfiguration eine minimale Funkenstrecke (212) von 0,127 bis 0,254 mm (0,005 bis 0,010 Zoll) aufweisen.
Vorkammerzündkerze (230) nach Anspruch 5, wobei die Elektroden (208) innerhalb des Metallmantels (202) in einer divergenten Konfiguration ferner eine maximale Funkenstrecke (212) von 0,762 bis 1,27 mm (0,03 bis 0,05 Zoll) aufweisen.
Vorkammerzündkerze (230) nach Anspruch 1, wobei mindestens eine Elektrode in einer gelappten Form innerhalb des Metallmantels (202) in einer divergenten Konfiguration angeordnet ist.
Vorkammerzündkerze (230) nach Anspruch 1, wobei ferner eine Keramikisolation zwischen der Mittelelektrode (206) und dem Metallmantel (202) ausgebildet ist.
Verfahren zur Herstellung einer Vorkammerzündkerze (230) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, welches die folgenden Schritte umfasst: - Bereitstellen eines Metallmantels (202); - Anordnen von Elektroden (208) innerhalb des Metallmantels (202) in einer divergenten Konfiguration, wobei die Elektroden (208) im Bezug auf eine Mittelelektrode (206) divergent sind, so dass ein Volumen hinter einem Spalt (212) der Elektroden (208) für Verbrennungsprodukte von einem vorhergehenden Zündungstakt ausgebildet wird; - Ausbilden einer Endkappe (232) mit mehreren Einlasslöchern (236,240), die so ausgebildet sind, dass in einem Betrieb der Vorkammerzündkerze (230) nichtmagnetische Strömungsfeld- Kräfte erzeugbar sind, welche auf einen elektrischen Lichtbogen innerhalb einer Vorbrennkammer (218) mit ausreichender Kraft einwirken, so dass der elektrische Lichtbogen bewegbar ist, wodurch elektrische Energie über einen Bereich der Elektrodenoberfläche verteilt wird; - Anordnen der Endkappe (232) an dem Metallmantel (202), so dass die Endkappe (232) und der Metallmantel (202) die Vorbrennkammer (218) ausbilden; und - Anordnen der Einlasslöcher (236,240), so dass jedes der Einlasslöcher (236,240) eine jeweilige Lochachse (242,244,246,248) aufweist, welche in einer Ebene liegen, die senkrecht zu einer Längsachse (234) der Vorkammerzündkerze (230) ist.