DE202023107623U1

DE202023107623U1 - Vorkammerzündkerze

Info

Publication number: DE202023107623U1
Application number: DE202023107623.8U
Authority: DE
Original assignee: Federal Mogul Ignition GmbH
Current assignee: Federal Mogul Ignition GmbH
Priority date: 2022-12-28
Filing date: 2023-12-21
Publication date: 2024-03-15
Anticipated expiration: 2033-12-22

Abstract

Eine Vorkammerzündkerze, die Folgendes aufweist:
ein Gehäuse;
einen Isolator, der zumindest teilweise innerhalb dem Gehäuse angeordnet ist;
eine Mittelelektrode, die zumindest teilweise innerhalb des Isolators angeordnet ist;
eine Masseelektrode, die eine Funkenstrecke mit der Mittelelektrode bildet; und
eine Vorkammerkappe, die mit dem Gehäuse verbunden ist und eine Vorkammer bildet, wobei die Vorkammerkappe eine oder mehrere Öffnungen aufweist,
wobei die eine oder die mehreren Öffnungen so konfiguriert sind, dass mindestens ein einströmender Kraftstoff-Luft-Gemischstrahl so gerichtet ist, dass er Gas aus einem vorherigen Zündzyklus ausspült oder entfernt; und
einen Vorkammertunnel, der zumindest teilweise innerhalb der Vorkammerkappe angeordnet ist, wobei der Vorkammertunnel ein erstes Ende aufweist, das proximal zu der Vorkammerkappe angeordnet ist, und ein zweites Ende, das proximal zu der Mittelelektrode angeordnet ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Zündkerze, insbesondere eine Vorkammerzündkerze.
HINTERGRUND
Vorkammerzündkerzen (d. h. Zündkerzen vor der Verbrennungskammer) werden in der Regel verwendet, um die Entflammbarkeitsgrenzen und den Verbrennungsfortschritt in Magerverbrennungsmotoren zu verbessern. Im Allgemeinen gibt es bei einer passiven Vorkammerzündkerze kein aktives Bauteil oder Mittel, um aktiv Frischluft, Kraftstoff oder Restgase zuzuführen oder zu entfernen, mit Ausnahme einer Verbindung zum Hauptbrennraum über die Öffnungen einer Vorkammerkappe. Außerdem gibt es bei der passiven Vorkammerzündkerze keinen aktiven Mechanismus zur Beeinflussung oder Einstellung von Strömungsfeldern der Frischluft und der Restgase in einer Vorkammer.
Bei einem Verdichtungstakt eines Motors muss Kraftstoff-Luft-Gemisch so in die Vorkammer der Vorkammerzündkerze geleitet werden, dass sich an einer Funkenstrecke ein zündfähiges Gemisch ergibt. Durch die anschließende Verbrennung und den daraus resultierenden Druckanstieg entweichen Fackeln durch die Öffnungen des Vorkammerdeckels und entzünden das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Hauptbrennraum des Motors. In einigen Fällen wird jedoch ein Teil der Restgase in der Vorkammer und zwischen den Zündkerzenelektroden nicht vollständig ausgespült und kann in der Vorkammer verbleiben. Um frische Ladung durch die Öffnungen in die Vorkammer zu drücken, muss ein Druckunterschied zwischen dem Hauptbrennraum und der Vorkammer aufgebaut werden. Durch den Druck, mit dem die frische Ladung in die Vorkammer gedrückt wird, können die restlichen Verbrennungsgase in Richtung des Isolatorteils komprimiert werden. Die in der Vorkammer eingeschlossenen Restgase können zu Vorzündungen, Fehlzündungen und/oder einer anormalen Verbrennung führen , insbesondere wenn der Motor in einem fetteren Lambda-Bereich (Luft/Kraftstoff-Verhältnis) betrieben wird. Mit anderen Worten: Ein restliches verbranntes Kraftstoff-Luft-Gemisch kann zur Selbstzündung des Kraftstoff-Luft-Gemischs führen, das während eines nachfolgenden Motorzyklus in die Vorkammer gelangt. In den meisten Fällen sammeln sich die Restgase im Vorkammervolumen und in einem Spalt zwischen einem Isolator und einem Metallgehäuse der Vorkammerzündkerze.
Wenn die Zündkerze zu heiß wird, kann es außerdem zu einer unkontrollierten Zündung im Hauptbrennraum vor einem Zündzeitpunkt kommen. Dies kann das Risiko eines Motorschadens erhöhen. Eine Vorzündung in der Vorkammer der Zündkerze erhöht nicht nur die Temperaturen der verschiedenen Komponenten der Zündkerze, wie z. B. einer Masseelektrode, einer Mittelelektrode, eines Isolatorsockels oder der Vorkammerkappe, sondern kann auch zu einer Vorzündung in der Hauptbrennkammer führen. Eine der Möglichkeiten, Selbstzündung und/oder Vorzündung in der Vorkammer zu verhindern, besteht darin, das Volumen und die innere Oberfläche der Vorkammer auszugleichen. Das Volumen der Vorkammer kann jedoch nicht einfach durch eine Vergrößerung des Durchmessers der Vorkammer vergrößert werden, da es durch die vorgegebene Motorgeometrie begrenzt ist. Außerdem kann das vergrößerte Volumen der Vorkammer zu einem unausgewogenen Verhältnis zwischen dem unteren Kammervolumen (Volumen der Vorkammer unterhalb der Funkenstrecke und zum Brennraum hin) und dem oberen Kammervolumen (Volumen der Vorkammer oberhalb der Funkenstrecke) innerhalb der Zündkerze der Vorkammer führen. Dies kann zu einer verminderten Bewegung der frischen Ladung in einen Funkenstreckenbereich innerhalb der Vorkammer führen. Dies kann wiederum zu einer schlechten Verbrennung in der Vorkammer und einem engen Betriebsbereich des Motors führen.
Passive Vorkammerzündkerzen, die ein großes Volumen haben, neigen dazu, einen großen Abstand von den Elektroden zu den Öffnungen der Vorkammerkappe zu haben. Dies führt zu einem langen Flammenweg und damit zu einer längeren Zündverzögerungszeit, was nicht erwünscht ist.
Außerdem muss die Verbrennung unter den Betriebsbedingungen der Katalysatorheizung sehr spät nach dem oberen Totpunkt (OT) des Motors eingeleitet werden, damit die Flamme erst spät im Expansionstakt vor dem Öffnen des Auslassventils brennt und einen ausreichenden Wärmestrom erzeugt. Späte Zündzeitpunkte nach dem oberen Totpunkt sind mit Vorkammerzündkerzen nur schwer zu erreichen, da der größte Teil der Turbulenzen und Strömungsbewegungen, die während des Verdichtungstakts des Motors erzeugt wurden, abgeführt werden. Dies führt zu einer langsameren Flammenausbreitung und damit zu einem geringeren Druckaufbau in der Vorkammer. Außerdem müssen eingeschlossene Restgase oberhalb der Funkenstelle nun die Funkenstelle passieren. Meistens wird eine zweite konventionelle J-Gap-Zündkerze eingeführt, um die Vorkammerzündkerze beim späten Zündzeitpunkt zu unterstützen. Eine Doppelfunkenlösung wird jedoch von vielen Kunden aufgrund der Komplexität und der Notwendigkeit von Zylinderkopfmodifikationen nicht bevorzugt.
Kurz gesagt, während des Expansionstakts wird die Ladung in der Vorkammer in die Hauptbrennkammer gesaugt. Auch die Turbulenzen und Strömungsbewegungen, die während des Kompressionshubs entstanden sind, werden größtenteils abgebaut. Das Fehlen von Turbulenzen und Strömungsbewegungen in der Nähe der Elektroden führt zu einem langsamen Wachstum des Flammenkerns und einer langsameren Flammenausbreitung (Druckaufbau) zum Ausgang der Vorkammerlöcher. Daher sind die ausgestoßenen Flammenstrahlen oder Verbrennungsprodukte (falls vorhanden) zu schwach, um die Hauptbrennkammer zuverlässig zu zünden, was sich in einem hohen COV (>20%) des angegebenen mittleren effektiven Drucks niederschlägt.
ZUSAMMENFASSUNG
Gemäß einem Aspekt wird eine Vorkammerzündkerze bereitgestellt. Die Vorkammerzündkerze umfasst ein Gehäuse und einen Isolator, der zumindest teilweise innerhalb des Gehäuses angeordnet ist. Eine Mittelelektrode ist zumindest teilweise innerhalb des Isolators angeordnet. Außerdem bildet eine Masseelektrode eine Funkenstrecke mit der Mittelelektrode. Die Vorkammerzündkerze umfasst ferner eine Vorkammerkappe, die mit dem Gehäuse verbunden ist und eine Vorkammer bildet. Die Vorkammerkappe enthält mindestens eine Öffnung, die so gestaltet ist, dass mindestens ein einströmender Kraftstoff-Luft-Gemischstrahl so gerichtet ist, dass er Gas aus einem vorangegangenen Zündzyklus herausspült oder entfernt. Ferner ist ein Vorkammertunnel zumindest teilweise innerhalb der Vorkammerkappe angeordnet. Der Vorkammertunnel umfasst ein erstes Ende, das proximal zur Vorkammerkappe angeordnet ist, und ein zweites Ende, das proximal zur Mittelelektrode angeordnet ist. Das erste Ende des Vorkammertunnels wird von einem durch die Vorkammerkappe definierten Sitz aufgenommen. Das zweite Ende kann die Masseelektrode aufnehmen.
Weitere Anwendungsbereiche der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung ersichtlich. Es versteht sich von selbst, dass die detaillierte Beschreibung und die spezifischen Beispiele, während sie die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung aufzeigen, nur der Veranschaulichung dienen und nicht dazu gedacht sind, den Umfang der Erfindung zu begrenzen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist eine Ansicht einer Vorkammerzündkerze gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung;
2 ist eine Querschnittsansicht einer Vorkammerzündkerze mit einem Vorkammertunnel, der teilweise in einer Vorkammerkappe angeordnet ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung;
3 ist eine Querschnittsansicht einer Vorkammerzündkerze mit einem Vorkammertunnel, der vollständig in einer Vorkammerkappe angeordnet ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung;
4A ist eine Draufsicht auf einen von einem Gehäuse umschlossenen Vorkammertunnel gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung;
4B und 4C sind Draufsichten auf einen Vorkammertunnel, der von einem Gehäuse umschlossen und mit dieser verbunden ist, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung;
5 ist eine Vorderansicht einer Vorkammerkappe von 2, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung;
6 ist eine Schnittdarstellung einer Vorkammerkappe aus 3 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung;
7 ist eine Querschnittsansicht eines Vorkammertunnels gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung;
8A ist eine Draufsicht auf einen Vorkammertunnel mit radialen Öffnungen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung;
8B ist eine Draufsicht auf einen Vorkammertunnel mit tangentialen Öffnungen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung;
9 zeigt eine Teilquerschnittsansicht einer geraden Version des Vorkammertunnels mit radialen Öffnungen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung;
10 zeigt eine Teilquerschnittsansicht der geraden Version des Vorkammertunnels mit tangentialen Öffnungen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung;
11 zeigt eine Teilquerschnittsansicht der geraden Version des Vorkammertunnels mit radialen Öffnungen und einer integrierten ringförmigen Masseelektrode, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung;
12 zeigt eine Teilquerschnittsansicht eines kegelförmigen Vorkammertunnels mit einer ringförmigen Masseelektrode und radialen Öffnungen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung;
13 zeigt eine Teilquerschnittsansicht eines kegelförmigen Vorkammertunnels mit einer ringförmigen Masseelektrode und tangentialen Öffnungen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung;
14 ist eine Explosionsdarstellung einer Vorkammerzündkerze gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung;
15 ist eine Querschnittsansicht einer Vorkammerkappe mit einem Vorkammertunnel gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung; und
16 ist eine Querschnittsansicht einer Vorkammerkappe mit integriertem Vorkammertunnel gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhaft und soll in keiner Weise die Erfindung, ihre Anwendung oder Verwendung einschränken. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugsziffern gleiche oder entsprechende Teile in den verschiedenen Ansichten. 1 zeigt eine Ansicht einer Vorkammerzündkerze 100. Die Vorkammerzündkerze 100 kann sich zumindest teilweise in einen Brennraum (nicht dargestellt) eines Verbrennungsmotors (nicht dargestellt) durch einen Zylinderkopf (nicht dargestellt) erstrecken. Im Allgemeinen kann die Vorkammerzündkerze 100 mit ihrem Außengewinde in den Zylinderkopf geschraubt werden. Die Vorkammerzündkerze 100 umfasst ein Anschlussende 102, das ferner einen Zünddraht (nicht dargestellt) umfasst, um einen Hochspannungszündimpuls zu liefern.
Die Vorkammerzündkerze 100 umfasst ein Gehäuse bzw. einen Mantel 120. Das Gehäuse 120 erstreckt sich entlang einer Längsachse A. In Bezug auf 2 umfasst das Gehäuse 120 eine äußere Oberfläche 122, die einer äußeren Umgebung der Vorkammerzündkerze 100 zugewandt ist, und eine innere Oberfläche 124. Das Gehäuse 120 hat einen Metallkörper. Die Innenfläche 124 kann einer radialen Innenfläche des Gehäuses 120 entsprechen, während die Außenfläche 122 einer radialen Außenfläche des Gehäuses 120 entsprechen kann.
Die Vorkammerzündkerze 100 enthält außerdem einen Kerzensitz 130, wie in 1 dargestellt. Der Kerzensitz 130 begrenzt, wie weit die Vorkammerzündkerze 100 in den Verbrennungsmotor eingeschraubt werden kann. Der Kerzensitz 130 ist thermisch mit dem Gehäuse 120 verbunden. Der Kerzensitz 130 kann ringförmig auf dem Gehäuse 120 angeordnet sein.
Die Vorkammerzündkerze 100, wie sie in den 1, 2 und 3 dargestellt ist, umfasst ferner einen Isolator 140, der zumindest teilweise innerhalb des Gehäuses 120 angeordnet ist. Der Isolator 140 kann auch mit der Oberseite einer Vorkammer 160 bündig sein. Der Isolator 140 ist so vorgesehen, dass er sich entlang der Längsachse A erstreckt. Der Isolator 140 sitzt in einem Durchgang des Gehäuses 120. Der Isolator 140 kann aus einem keramischen Material bestehen, einschließlich jedes geeigneten Zündkerzenisolatormaterials. In einigen Ausführungsformen, wie in 3 gezeigt, umfasst der Isolator 140 außerdem einen sich verjüngenden Abschnitt 144 an einem Ende 142 des Isolators 140, der innerhalb des Gehäuses 120 angeordnet ist.
Eine Mittelelektrode 170, wie in 2 dargestellt, ist zumindest teilweise innerhalb des Isolators 140 angeordnet. Die Mittelelektrode 170 erstreckt sich von dem Isolator 140 in die Vorkammer 160 (wie in 2 dargestellt). Die Mittelelektrode 170 erstreckt sich von dem sich verjüngenden Abschnitt 144 des Isolators 140. Die Mittelelektrode 170 umfasst einen Mittelelektrodenkörper 172 und eine Mittelelektrodenspitze 174, die in der dargestellten Ausführungsform als zylindrische Säule ausgebildet ist. Der Mittelelektrodenkörper 172 kann aus Inconel™ 600 oder einem anderen geeigneten Mittelelektrodenmaterial bestehen, und die Mittelelektrodenspitze 174 kann aus einer Nickellegierung oder einem Edelmetall (z. B. Platin, Iridium) oder einer Legierung davon hergestellt werden. Der Mittelelektrodenkörper 172 ist in einer zentralen Bohrung des Isolators 140 angeordnet und ragt aus dem Isolator 140 heraus.
Außerdem bildet eine Masseelektrode 180 eine Funkenstrecke mit der Mittelelektrode 170. Die Masseelektrode 180 bildet eine Funkenstrecke 190 mit der Mittelelektrode 170. Insbesondere wird die Funkenstrecke 190 zwischen der Masseelektrode 180 und der mittleren Elektrodenspitze 174 der Mittelelektrode 170 gebildet. In einigen Ausführungsformen kann die Masseelektrode 180 durch Laserschweißen oder Ähnliches direkt mit dem Gehäuse 120 verbunden werden. In anderen Ausführungsformen, wie in 3 gezeigt, kann die Masseelektrode 180 an einen Masseelektrodenring oder ein Trägerstück geschweißt werden, das wiederum an das Gehäuse 120 geschweißt wird. Die Erdungselektrode 180 kann natürlich auch auf jede andere geeignete Weise mit dem Gehäuse 120 verbunden werden, und die vorliegende Offenbarung ist nicht durch eine solche Art der Verbindung beschränkt. In einigen Ausführungsformen kann die Masseelektrode 180 mit dem Gehäuse 120 mittels eines quer zur Längsachse A gerichteten Laserstrahls verbunden werden. In einigen Ausführungsformen kann die Masseelektrode 180 mit einem Vorkammertunnel 200 verbunden werden, wie in 2 gezeigt. Ferner kann die Mittelelektrode 170 in einigen Ausführungsformen in den Vorkammertunnel 200 eingetaucht oder außerhalb desselben angeordnet sein, wie in 2 bzw. 3 dargestellt.
In der dargestellten Ausführungsform von 2 hat die Masseelektrode 180 eine ringförmige oder zylindrische Form und kann wahlweise ganz oder teilweise aus Edelmetallen bestehen. Die ringförmige Masseelektrode 180 bildet mit der Mittelelektrode 170 die Funkenstrecke 190. Die Funkenstrecke 190 ist eine radiale Funkenstrecke, die einen Spaltabschnitt zwischen der Mittelelektrodenspitze 174 und der Masseelektrode 180 umfasst. In der Funkenstrecke 190 wird ein elektrischer Funke erzeugt, durch den die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches (das über die eine oder mehrere Öffnungen 152, 152' aus dem Brennraum aufgenommen wird) in der Vorkammer 160 erfolgt. Die Verbrennung kann sich von der Funkenstrecke 190 über die eine oder die mehreren Öffnungen 152, 152', 206 und 206' in den Brennraum ausbreiten, so dass ein Kraftstoff-Luft-Gemisch im Brennraum gezündet wird.
Die Vorkammerzündkerze 100 umfasst ferner eine Vorkammerkappe 150, die mit dem Gehäuse 120 verbunden ist. Die Vorkammerkappe 150 ist mit dem Gehäuse 120 verbunden, so dass die Vorkammerkappe 150 und das Gehäuse 120 zusammen die Vorkammer 160 bilden, wie in 2 dargestellt. In einigen Ausführungsformen kann die Vorkammerkappe 150 mit einem Ende des Gehäuses 120 durch eine Schweißnaht verbunden werden. In einigen Ausführungsformen können die Vorkammerkappe 150 und das Ende des Gehäuses 120 zusammenpassende Oberflächen aufweisen, um die Befestigung der Vorkammerkappe 150 am Gehäuse 120 zu erleichtern und/oder zu verstärken. Die Passflächen können die Form eines Vorsprungs auf einer Oberfläche und einer Nut auf der entsprechenden Oberfläche haben. Der verjüngte Teil 144 des Isolators 140 ist der Vorkammerkappe 150 zugewandt. Insbesondere ist die Vorkammer 160 zwischen dem verjüngten Abschnitt 144 des Isolators 140 und der Vorkammerkappe 150 in Bezug auf die Längsachse A angeordnet.
In einigen Ausführungsformen definiert die Vorkammerkappe 150 eine Innenfläche 154 und eine Außenfläche 156, so dass die Innenfläche 154 und die Außenfläche 156 zusammen eine Kante 158 definieren.
Ferner umfasst die Vorkammerkappe 150 eine oder mehrere Öffnungen 152, 152' (wie in den dargestellt), die einen Gasaustausch zwischen der Vorkammer 160 und einem Raum außerhalb der Vorkammer 160 ermöglichen. Insbesondere ermöglichen die eine oder mehreren Öffnungen 152 eine Fluidverbindung zwischen der Vorkammer 160 und der Hauptbrennkammer. Die Vorkammer 160 und die Hauptbrennkammer sind durch den Vorkammerdeckel 150 voneinander getrennt. Insbesondere kann mindestens ein einströmender Kraftstoff-Luft-Gemischstrahl aus dem Brennraum über die eine oder mehrere Öffnungen 152 in die Vorkammer 160 geleitet werden, der dann in der Vorkammer 160 verbrannt werden kann. Je nach Ausführungsform kann die Vorkammerkappe 150 zwei um 180° versetzt angeordnete Öffnungen 152, vier um 90° versetzt angeordnete Öffnungen 152, sechs um 60° versetzt angeordnete Öffnungen 152, acht um 45° versetzt angeordnete Öffnungen 152 oder jede andere geeignete Anzahl von Öffnungen und/oder Winkelabständen aufweisen. Es ist auch möglich, dass eine oder mehrere Öffnungen 152', die sich oberhalb der einen oder mehreren Öffnungen 152 befinden und von diesen axial beabstandet sind, eine beliebige Anzahl von Öffnungen und/oder winkligen Abstandsanordnungen umfassen. In einigen Ausführungsformen sind die eine oder die mehreren Öffnungen 152 so konfiguriert, dass mindestens ein einströmender Kraftstoff-Luft-Gemischstrahl so gerichtet ist, dass er Gas aus einem vorherigen Zündzyklus ausspült oder entfernt.
In einer anderen Ausführungsform, wie in 3 dargestellt, ermöglichen die eine oder mehreren Öffnungen 152' den Gasaustausch zwischen verschiedenen Abschnitten der Vorkammer 160 (z. B. zwischen Abschnitten innerhalb und außerhalb des Vorkammertunnels 200).
Ferner ist der Vorkammertunnel 200 zumindest teilweise innerhalb der Vorkammerkappe 150 angeordnet, wie in den 2, 3, 6, 9, 10, 11, 12, 13, 15 und 16 gezeigt. Der Vorkammertunnel 200 umfasst ein erstes Ende 202, das proximal zur Vorkammerkappe 150 angeordnet ist, und ein zweites Ende 204, das proximal zur Mittelelektrode 170 angeordnet ist. In einigen Ausführungsformen ist der Vorkammertunnel 200 von dem Gehäuse 120 umschlossen, aber nicht mit dem Gehäuse 120 verbunden, wie in 4A gezeigt. In einigen Ausführungsformen, wie in 4B und 4C gezeigt, ist der Vorkammertunnel 200 jedoch sowohl umschlossen als auch mit dem Gehäuse 120 verbunden, was für die Wärmeübertragung und die Steuerung der Strömungsbewegung der eingeschlossenen Restgase erforderlich sein könnte. Der Vorkammertunnel 200 kann nur von einer Seite mit dem Gehäuse 120 verbunden sein (wie in 4B gezeigt). Der Vorkammertunnel 200 kann durch eine erste Befestigungswand 216 mit dem Gehäuse 120 verbunden sein.
Der Vorkammertunnel 200 kann von zwei Seiten mit dem Gehäuse 120 verbunden sein (wie in 4C gezeigt). Der Vorkammertunnel 200 kann durch eine zweite Befestigungswand 218 und eine dritte Befestigungswand 220 mit dem Gehäuse 120 verbunden sein. Die zweite und dritte Befestigungswand 218, 220 des Vorkammertunnels 200 bilden zwei oder mehr Volumina V1 und V2 zwischen der inneren Mantelfläche 124 und der äußeren Tunnelfläche 210, die über mehrere Öffnungen 206 des Vorkammertunnels 200 mit Gas gespeist werden können oder überhaupt nicht gespeist werden können. In einigen Ausführungsformen ist der Vorkammertunnel 200 vollständig in der Vorkammerkappe 150 angeordnet, wie in den 3, 6, 15 und 16 gezeigt. In einigen Ausführungsformen ist der Vorkammertunnel 200 teilweise in der Vorkammerkappe 150 angeordnet, wie in den 2, 9, 10, 11, 12 und 13 dargestellt. In der Ausführungsform von 2 wird das erste Ende 202 des Vorkammertunnels 200 von einem Sitz 151 aufgenommen, der von der Vorkammerkappe 150 definiert wird. In einigen Ausführungsformen wird der Vorkammertunnel 200 über dem Sitz 151 durch einen oder mehrere Schweiß- oder Pressvorgänge montiert. In einigen Ausführungsformen kann das Schweißen um den Rand 158 herum erfolgen. Der Vorkammertunnel 200 kann auch ein integraler Bestandteil der Vorkammerkappe 150 sein, wie in 16 gezeigt, und kein separates Bauteil.
Das zweite Ende 204 des Vorkammertunnels 200 ist auf die Zündstelle gerichtet. Während des Expansionstakts des Verbrennungsmotors wird das Gas-Luft-Kraftstoff-Gemisch aus der Vorkammer 160 gesaugt, die es nun durch den Vorkammertunnel 200 verlassen muss, wo die Strömung beschleunigt wird. Dies führt zu mehr Turbulenzen und einer höheren Strömungsgeschwindigkeit zu späten Zündzeitpunkten im Elektrodenbereich und verkürzt somit die Zeit, die die Flamme benötigt, um die Vorkammer 160 zu verlassen und schließlich die Hauptbrennkammerladung zu zünden.
Der Vorkammertunnel 200 umfasst eine Innenfläche 208 und eine Außenfläche 210. Die Innenfläche 208 und die Außenfläche 210 bilden zusammen eine wandartige Struktur. In einigen Ausführungsformen kann die Wand gerade sein. In einigen Ausführungsformen kann die Wand konisch sein. In einigen Ausführungsformen kann die Wand an einer Seite konisch und an einer anderen Seite gerade sein. In einigen Ausführungsformen kann die Wand die Form einer Sanduhr haben. In einigen Ausführungsformen kann die Wand jede andere Form haben, ohne dass dies vom Geist der vorliegenden Offenbarung abweicht. Ferner kann der Vorkammertunnel 200 in einigen Ausführungsformen eine Struktur 214 auf seiner Oberseite aufweisen (wie in 7 gezeigt), um die aerodynamischen Strömungseigenschaften zu verbessern und die Funktionselemente der Vorkammerzündkerze 100, wie die Masseelektrode 180, weiter zu unterstützen. In einigen Ausführungsformen ist die Masseelektrode 180 an der Innenfläche 208 des Vorkammertunnels 200 in der Nähe des zweiten Endes 204 angeordnet. Ferner kann der Vorkammertunnel 200 eine Vielzahl von Öffnungen 206, 206' an verschiedenen Abschnitten zwischen dem ersten Ende 202 und dem zweiten Ende 204 aufweisen, um die Turbulenz und die Kühlung weiter zu verbessern. Die Mehrzahl der Öffnungen 206, 206' kann mindestens eine Öffnung sein. In einigen Ausführungsformen kann die Mehrzahl der Öffnungen 206, 206' kreisförmige oder rechteckige Schlitze sein. In einigen Ausführungsformen kann die Mehrzahl der Öffnungen 206, 206' unterschiedliche Ausrichtungen haben. In einigen Ausführungsformen kann die Mehrzahl der Öffnungen 206, 206' tangential ausgerichtet sein, wie in 8B gezeigt. In einigen Ausführungsformen kann die Mehrzahl der Öffnungen 206, 206' radial ausgerichtet sein, wie in 8A dargestellt. In einigen Ausführungsformen kann die Mittellinie der Vielzahl von Öffnungen 206, 206' die Längsachse A schneiden. In einigen Ausführungsformen kann die Vielzahl von Öffnungen 206 an verschiedenen Positionen entlang der Längsachse A angeordnet werden.
9 zeigt eine Teilquerschnittsansicht einer geraden Version des Vorkammertunnels 200 mit radialen Öffnungen 206 und der integrierten ringförmigen Masseelektrode 180. 10 zeigt eine Teilquerschnittsansicht der geraden Version des Vorkammertunnels 200 mit tangentialen Öffnungen 206 und der integrierten ringförmigen Masseelektrode 180. 11 zeigt eine Teilquerschnittsansicht der geraden Version des Vorkammertunnels 200 mit radialen Öffnungen 206 und einer integrierten ringförmigen Masseelektrode 180A. 12 zeigt eine Teilquerschnittsansicht eines kegelförmigen Vorkammertunnels 200 mit einer ringförmigen Masseelektrode 180B und radialen Öffnungen 206. 13 zeigt eine Teilquerschnittsansicht eines kegelförmigen Vorkammertunnels 200 mit einer ringförmigen Masseelektrode 180C und tangentialen Öffnungen 206.
In einigen Ausführungsformen stimmt die Winkelausrichtung der Kante 158 mit einer Winkelausrichtung der Vielzahl von Öffnungen 206 überein, die durch den Vorkammertunnel 200 definiert sind. In einigen Ausführungsformen hat der Vorkammertunnel 200 keine Öffnungen 206.
In einigen Ausführungsformen ist der Vorkammertunnel 200 ein rohrförmiger Körper aus einem einzigen Material. Das einzige Material kann eine Nickel- oder Kupferlegierung sein. Der Vorkammertunnel 200 kann aus einem einzigen Material geformt sein. In einigen Ausführungsformen weist der Vorkammertunnel 200 mindestens einen ersten Materialtyp und einen zweiten Materialtyp auf, so dass der erste Materialtyp und der zweite Materialtyp im Vergleich zueinander unterschiedliche Zusammensetzungen aufweisen. So kann der Vorkammertunnel 200 aus einem oder mehreren Materialien gebildet werden, um die Wärmeableitung zu erleichtern.
Außerdem kann der Vorkammertunnel 200 eine Beschichtung 212 aufweisen, wie in 2 dargestellt. In einigen Ausführungsformen kann die Beschichtung 212 auf die Innenfläche 208 aufgebracht werden. In einigen Ausführungsformen kann die Beschichtung 212 auf die Außenfläche 210 aufgebracht werden. In einigen Ausführungsformen kann die Beschichtung 212 je nach den Anforderungen sowohl auf der Innenfläche 208 als auch auf der Außenfläche 210 aufgebracht werden.
In einigen Ausführungsformen ist die Innenfläche 208 und/oder die Außenfläche 210 des Vorkammertunnels 200 mit einem wärmeabsorbierenden oder wärmeisolierenden Material beschichtet. In einigen Ausführungsformen besteht die Beschichtung 212 aus einem isolierenden Material, damit die durch den Funken erzeugte Flamme keine Wärme verliert. Außerdem kann die Überhitzung des Vorkammertunnels 200 durch das isolierende Material verhindert werden. In einigen Ausführungsformen besteht die Beschichtung 212 aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit und niedriger Wärmekapazität. In einigen Ausführungsformen besteht die Beschichtung 212 aus Sol-Gel / Keramiken.
Zur Optimierung des Wärmeübergangs bzw. der Wärmeableitung hat die Beschichtung 212, wie in 2 dargestellt, die Höhe hl und die Fläche A1 und der Teil des Vorkammertunnels 200 außerhalb der Vorkammerkappe 150 die Höhe h2 und die Fläche A2. Die Werte h1, h2, A1 und A2 können so gewählt werden, dass das Höhenverhältnis h2/h1 etwa 0,5 beträgt und das Flächenverhältnis A2/A1 zwischen 0,65 und 0,85 liegt. In einer bevorzugten Ausführungsform liegt das Flächenverhältnis A2/A1 bei etwa 0,78.
14 zeigt eine Explosionsdarstellung der Vorkammerzündkerze 100 der vorliegenden Offenbarung. Die Vorkammerzündkerze 100 empfängt Hochspannungszündimpulse von dem Anschlussende, das mit der Mittelelektrode 170 in Verbindung steht. Die Mittelelektrode 170 ist durch den Isolator 140 abgeschirmt, der wiederum zumindest teilweise durch das Gehäuse 120 abgeschirmt ist. Die Mittelelektrode 170 hat die ringförmige Masseelektrode 180 in ihrer Nähe.
15 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. 15 zeigt eine Querschnittsansicht der Vorkammerkappe 150 mit dem Vorkammertunnel 200. Der Vorkammertunnel 200 schließt bündig mit der Vorkammerkappe 150 ab, so dass der Vorkammertunnel 200 an einem Boden der Vorkammerkappe 150 sitzt. In ähnlicher Weise veranschaulicht 16 eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. 16 zeigt eine Querschnittsansicht der Vorkammerkappe 150 mit dem Vorkammertunnel 200. Der Vorkammertunnel 200 ist einstückig mit der Vorkammerkappe 150 ausgebildet. Der Vorkammertunnel 200 ist nicht als separates physisches Bauteil vorgesehen, sondern die Gesamtform der integralen Struktur ist so gestaltet, dass der Vorkammertunnel 200 darin untergebracht werden kann.
Die Vorkammerzündkerze 100 umfasst ferner die Vorkammerkappe 150 und den Vorkammertunnel 200, der zumindest teilweise innerhalb der Vorkammerkappe 150 angeordnet ist, um die Turbulenzen im Luft-KraftstoffGemisch zu erzeugen, die eine Überhitzung der Vorkammerzündkerze 100 verhindern. Ein Zweck des Vorkammertunnels 200 ist es, die Verbrennungsgeschwindigkeit in der Vorkammer 160 durch Verkürzung des Flammenweges zu erhöhen. Auch aufgrund der Strömungsdynamik entsteht im Vorkammertunnel 200 eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit, die die Flammenausbreitung weiter unterstützt. Außerdem werden während des Kompressionshubs Restgase in das Volumen oberhalb der Kante 158 gedrückt. Somit trägt der Vorkammertunnel 200 auch zu einer besseren Umverteilung der Restgase bei. Weiterhin wird durch den Vorkammertunnel 200 ein frisches brennbares Gemisch von der Funkenstrecke 190 zu den Öffnungen 152 der Vorkammerkappe 150 gewährleistet.
Während Aspekte der vorliegenden Erfindung insbesondere anhand der obigen Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurden, wird der Fachmann verstehen, dass verschiedene zusätzliche Ausführungsformen durch die Modifizierung der offenbarten Maschinen, Systeme und Verfahren in Betracht gezogen werden können, ohne vom Geist und Umfang des Offenbarten abzuweichen. Solche Ausführungsformen sollten so verstanden werden, dass sie in den Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung fallen, wie er auf der Grundlage der Ansprüche und ihrer Äquivalente festgelegt ist.

Claims

Eine Vorkammerzündkerze, die Folgendes aufweist: ein Gehäuse; einen Isolator, der zumindest teilweise innerhalb dem Gehäuse angeordnet ist; eine Mittelelektrode, die zumindest teilweise innerhalb des Isolators angeordnet ist; eine Masseelektrode, die eine Funkenstrecke mit der Mittelelektrode bildet; und eine Vorkammerkappe, die mit dem Gehäuse verbunden ist und eine Vorkammer bildet, wobei die Vorkammerkappe eine oder mehrere Öffnungen aufweist, wobei die eine oder die mehreren Öffnungen so konfiguriert sind, dass mindestens ein einströmender Kraftstoff-Luft-Gemischstrahl so gerichtet ist, dass er Gas aus einem vorherigen Zündzyklus ausspült oder entfernt; und einen Vorkammertunnel, der zumindest teilweise innerhalb der Vorkammerkappe angeordnet ist, wobei der Vorkammertunnel ein erstes Ende aufweist, das proximal zu der Vorkammerkappe angeordnet ist, und ein zweites Ende, das proximal zu der Mittelelektrode angeordnet ist.
Die Vorkammerzündkerze nach Anspruch 1, wobei die Vorkammerkappe einen Sitz definiert, der zur Aufnahme des ersten Endes des Vorkammertunnels geeignet ist.
Die Vorkammerzündkerze nach Anspruch 1, wobei der Vorkammertunnel über dem Sitz durch einen oder mehrere Schweiß- und/oder Pressvorgänge angebracht wird.
Die Vorkammerzündkerze nach Anspruch 1, wobei der Vorkammertunnel eine Vielzahl von Öffnungen zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende definiert.
Die Vorkammerzündkerze nach Anspruch 4, wobei die Vorkammerkappe eine Innenfläche und eine Außenfläche definiert, so dass die Innenfläche und die Außenfläche zusammen eine Kante definieren.
Die Vorkammerzündkerze nach Anspruch 5, wobei die Winkelausrichtung der Kante mit einer Winkelausrichtung der durch den Vorkammertunnel definierten Mehrzahl von Öffnungen übereinstimmt.
Die Vorkammerzündkerze nach Anspruch 1, wobei eine Innenfläche des Vorkammertunnels mit einem wärmeisolierenden oder -absorbierenden Material beschichtet ist.
Die Vorkammerzündkerze nach Anspruch 1, wobei die Masseelektrode eine Ringform hat.
Die Vorkammerzündkerze nach Anspruch 8, wobei die Masseelektrode an der Innenfläche des Vorkammertunnels in der Nähe des zweiten Endes angeordnet ist.
Die Vorkammerzündkerze nach Anspruch 1, wobei der Vorkammertunnel aus einem einzigen Materialtyp besteht.
Die Vorkammerzündkerze nach Anspruch 1, wobei der Vorkammertunnel mindestens einen ersten Materialtyp und einen zweiten Materialtyp umfasst, so dass der erste Materialtyp und der zweite Materialtyp unterschiedliche Zusammensetzungen im Vergleich zueinander aufweisen.
Die Vorkammerzündkerze nach Anspruch 1, wobei der Vorkammertunnel Öffnungen aufweist.