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Zündkerze mit Zündkammer
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Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einer Zündkerze mit einer
Zündkammer nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
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Bei einer bekannten Zündkerze mit Kammer nach der US-PS 28 71 388
ist eine in der Kammerlängsachse liegende Masseelektrode als dickwandiges Rohr ausgebildet
und mit einem Ende in einer Stirnwand der Kammer befestigt. Diese Stirnwand ragt
in einen Hauptbrennraum-einer Brennkraftmaschine. Um die Längsachse der Zündkerze
herum sind in der Stirnwand Überströmkanäle, die mit tangentialen Komponenten in
die Zündkammer münden, angeordnet. Dem freien Ende der rohrartigen Masseelektrode
gegenüber ist eine gegen Masse:.iselierte Elektrode angeordnet. Zwischen den Elektroden
befindet sich eine Zündfunkenzone. Durch die Masseelektrode hindurch strömt dann,
wenn die Brennkraftmaschine einen Verdichtungshub ausführt, zündfähiges Gemisch
in die Zündfunkenzone. Wenn eine solcherart aufgebaute
Zündkerze
zwecks nachträglichen Einbaus in eine vorhandene Brennkraftmaschine nur einen kleinen
Durchmesser haben darf, dann muß bei einem durch das Zylindervolumen der Brennkraftmaschine
vorgegebenen Volumen für die Zündkammer die Masseelektrode verlängert werden. Dadurch
vergrößert sich auch deren Oberfläche, so daß mehr Warme von ihr aufgenommen wird.
Weil die Wärmeabfuhr bei dieser Masseelektrode auf einem verlängerten Weg im wesentlichen
über die Stirnwand der Zündkammer und angrenzende Kammerwände an einen Zylinderkopf
der Brennkraftmaschine erfolgt, führt die verlängerte Mittelelektrode zu höheren
Temperaturen im Bereich der Zündfunkenzone Bei hoher Belastung der Brennkraftmaschine
kann deshalb diejenige Temperatur, ab der Glühzündungen ausgelöst werden, zumindest
im Bereich des freien, der isolierten Elektrode gegenüberliegenden Teils der Masseelektrode
überschritten werden. Es stellte sich deshalb die Aufgabe, eine Zündkerze mit einer
Zündkammer und mit in der Zündkammer angeordneten Elektroden so auszubilden, daß
trotz Verlängerung einer oder beider Elektroden Glühzündungen vermieden werden.
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Vorteile der Erfindung Bei der Zündkerze mit den kennzeichnenden Merkmalen
nach dem Hauptanspruch erwärmt sich die Elektrode zwar wesentlich schneller nach
einer Entzündung von brennbarem Gemisch als die Elektrode der vorbekannten Zündkerze,
aber sie kühlt sich wegen ihres wesentlich geringeren Wärmespeichervermögens während
eines Ansaughubes und auch während eines Verdichtungshubes der Brennkraftmaschine
infolge von Kühlung mittels frischen
Gemisches so schnell auf genügend
tiefliegende Temperaturen ab, daß Glühzündungen vermieden werden.
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Die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 2 bis 5 geben Werkstoffe
und Wanddicken für die Elektrode an.
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Die Ansprüche 6 bis 11 geben vorteilhafte Ausführungsbeispiele von
Masseelektroden zur beschleunigten Abkühlung unter die Glühzündtemperatur an. Die
kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 12 bis 16 geben Ausführungsbeispiele einer
Zündkerze, deren isoliert angeordnete Elektrode hohl ausgebildet ist, an. Die Merkmale
des Anspruchs 17 ergeben isolierte Elektroden, durch die hindurch Entzündungsvorgänge
in der Zündkammer und auch Verbrennungsabläufe in der Brennkammer der Brennkraftmaschine
beobachtet werden können.
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Zeichnungen Drei Ausbildungsbeispiele der erfindungsgemäßen Zündkerze
sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert. Es zeigen Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel im Längsschnitt, Figur
2 das Ausführungsbeispiel nach der Figur 1 im Querschnitt, Figur 3 eine Weiterbildung
des Ausführungsbeispiels nach der Figur 1 im Längsschnitt, Figur 4 ein weiteres
Ausführungsbeispiel im Längsschnitt, Figur 5 das Ausführungsbeispiel nach der Figur
4 im Querschnitt und Figur 6 eine Einzelheit des Ausführungsbeispiels gemäß der
Figur 4 im Längsschnitt.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele Die Zündkerze 2 nach der Figur
1 hat eine Einschraubfassung 3, eine Masseelektrode 4, eine isoliert angeordnete
Elektrode-5, einen Isolator 6 und einen Anschlußstift 7, der durch den Isolator
6 hindurch mit der Elektrode 5 elektrisch verbunden ist.
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Die Einschraubfassung 3 hat einen hohlen Gewindehals 8, der zum Einschrauben
der Zündkerze 2 in einen Zylinderkopf 9 einer Brennkraftmaschine dient. Der Zylinderkopf
9 begrenzt einen Hauptbrennra-um 10 der Brennkraftmaschine.
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Der Gewindehals 8 erstreckt sich bis in den Hauptbrennraum 10 und
hat dort eine Stirnwand 11. Diese Stirnwand 11 ist nach Art eines Kegelmantels ausgebildet
und hat eine zentral angeordnete Öffnung 12. Um diese Öffnung 12 herum sind in die
Stirnwand 11 Überströmkanäle 13 eingebohrt.
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Diese Überströmkanäle 13 sind so ausgerichtet, daß sie dann wenn im
Hauptbrennraum 10 ein Überdruck herrscht gegenüber einer Znndkammer. 1-4, die von
dem-Gewindehals 8,, dem Isolator 6 und der Stirnwand 11 umgrenzt wird, einem in
die- Zündkammer 14 einströmenden Gemisch eine in bezug auf den Umfang dieser Zündkammer
14 tangentiale Komponente geben. Einströmendes Gemisch steigt deshalb innerhalb
der Zündkammer 14 in wendelartigen -Bahnen in Richtung des Isolator 6 hoch. Die
Masseelektrode 4 ist rohrförmig ausgebildet und hat einen Flansch 16. Sie ist durch
die Öffnung 12 hindurch in die Zündkammer 14 eingesteckt und mittels des Flansches
16 an der Stirnwand 11 befestigt. Die Befestigung kann durch Schweißen oder Löten
hergestellt s-ein. Diejenige Zone des Flansches 16, die nicht die Stirnwand 11 berührt,
wirkt innerhalb der Öffnung 12 ebenfalls wie die Stirnwand.11. Die isolierte Elektrode
5 ragt in bekannter Weise aus dem Isolator 6,
von dem sie gehalten
wird, heraus. Der Durchmesser und die Länge der Masseelektrode 4 sind so gewählt,
daß die Elektrode 5 auf einem Teil ihrer freien Länge mit einem radialen Abstand,
der eine Zündfunkenzone 17 bildet, umgeben wird. Zwischen dem freien Ende der Masseelektrode
4 und dem Isolator 6 verbleibt ein Abstand, der vorteilhafterweise größer ist als
der radiale Abstand der Masseelektrode 4 von der isolierten Elektrode 5 Bei einem
Verdichtungshub der Brennkraftmaschine strömt außer durch die bereits beschriebenen
Überströmkanal.e 13 auch Gemisch durch die Masseelektrode 4 in die Zündkammer 14.
Durch die Masseelektrode 4 strömendes Gemisch gelangt dabei durch die Zündfunkenzone
17 und auch durch längs der Masseelektrode 4 angeordnete Öffnungen 18, 19 in die
Zündkammer 14. Die Strömungsgeschwindigkeit des Gemisches durch die Zündfunkenzone
17 wird dabei umso geringer sein, je mehr Öffnungen 18, 19 vorhanden und je größer
deren Querschnitte ausgebildet sind. Die Öffnungen 18, 19 dienen deshalb zum einen
dazu, die Strömungsgeschwindigkeit des Gemisches in der Zündfunkenzone 17 so weit
herabzusetzen, daß eine durch elektrische Zündung erzeugte Flamme nicht ausgeblasen
wird.
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Die Öffnungen 18, 19 dienen andererseits auch dazu, möglichst viel
Gemisch durch die Masseelektrode 4 zu leiten, damit eine intensive Kühlwirkung zustande
kommt.
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Diese Kühlwirkung senkt, wie bereits in der Einleitung erwähnt, die
Temperatur der Masseelektrode 4 schnell unter diejenige Temperatur, die Glühzündungen
verursachen würde. Das durch die Überströmkanäle 13 eingeströmte Gemisch wirkt ebenfalls
kühlend auf die Masseelektrode 4 ein. Nach der Entflammung des Gemisches entsteht
innerhalb der Zündkammer 14 ein Druck, der höe her als der im Hauptbrennraum ist,
so daß aus brennendem Gemisch mit Hilfe der Überströmkanäle 13 und der hohlen Masseelektrode
4 Zündfackeln gebildet werden
Diese schlagen in den Hauptbrennraum
10 und entzünden dort vorhandenes Gemisch.
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Die Masseelektrode 4 besteht aus Metall und ist, damit das in der
vorstehend beschriebenen Weise an ihr entlangströmende frische Gemisch die Temperatur
schnell und genügend weit absenken kann, dünnwandig ausgebildet. Die Wanddicke der
Masseelektrode 4 wird zwischen 0,1 mm und 0,6 mm gewählt. Der Flansch 16 hat vorzugsweise
die gleiche Dicke wie die Masseelektrode 4. Dementsprechend wechseln auch diejenigen
Zonen des Flansches 16, die nicht in direktem wärmeleitenden Kontakt mit der Stirnwand
11 sind, ebenfalls im Arbeitszyklus der Brennkraftmaschine ihre Temperatur in einer
solchen Weise, daß Glühzündungen vermieden werden. Anstelle eines metallischen Elektrodenwerkstoffes
kann auch Keramik, z.B. Glas mit leitfähigen Zusätzen, verwendet werden.
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Hierbei werden dann vorzugsweise solche Zusätze verwendet,. die das
Wärmeleitvermögen des keramischen Grundwerkstoffes nicht oder nur unwesentlich erhöhen.
Dadurch kann die Wanddicke der Masseelektrode 4 von Fall zu Fall in dem Bereich
der oberen Grenze der für Metallelektroden vorgeschlagene Wanddicke oder noch dicker
gewählt werden Im zuletzt genannten Fall wird die Herstellung der Elektrode erleichtert
und die Gefahr, daß diese Elektrode durch unsachgemäße Behandelung zu Bruch geht,
verringert.
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Anstelle der isolierten Elektrode 5 kann, wie in Figur 3 dargestellt,
eine isolierte Elektrode 5aJdie hohl ausgebildet und mit einem Beobachtungsfenster
20 versehen ist, in den Isolator 6 eingesetzt werden. En diesem Fall wird der Anschlußstift
7 hohl ausgebildet.
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Das Fenster besteht vorzugsweise aus Quarzglas> das
in
die hohl ausgebildete Elektrode 5 a eingeschmolzen ist, und dient zum Beobachten
von Verbrennungsabläufen in der Masseelektrode h und dem Hauptbrennraum 10. Dem
Beobachtungsfenster 20.kann eine nicht dargestellte automatische Beobachtungs- und
Auswertevorrichtung zugeordnet sein.
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Diese Vorrichtung dient beispielsweise dazu, entzündetes Gemisch auf
gegebenenfalls auftretendes Klopfen bei der Verbrennung zu beobachten und bedarfsweise
eine Vorrichtung zum Verstellen des Zündzeitpunktes der Brennkraftmaschine zu verstellen.
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Die Zündkerze 22 nach der Figur 4 hat eine Einschraubfassung 23, eine
Masseelektrode 24, eine isoliert angeordnete Elektrode 25, einen Isolator 26, einen
Anschlußstift 27 und einen hohlen Gewindehals 28, der in einen Zylinderkopf 29 einer
Brennkraftmaschine einschraubbar ist. Der Zylinderkopf 29 begrenzt einen Hauptbrennraum
30 dieser Brennkraftmaschine. In das von dem Isolator 26 abgekehrte Ende des Gewindehalses
28 ist ein Formteil 31, das als Stirnwand dient, eingesetzt und befestigt. Das Formteil
31 hat einen Hohlraum 32, der im wesentlichen zylindrisch ausgebildet ist und einen
Zündkammerteil bildet. In den Hohlraum 32 münden mehrere Überströmkanäle 33. Die
Überströmkanäle 33 sind so ausgerichtet, daß si.e im wesentlichen tangential in
den Hohlraum 32 münden Oberhalb dem Hohlraum 32 umschließen der Gewindehals 28 und
der Isolator 26 einen zweiten Zündkammerteil 37. Bei einem Verdichtungshub der Brennkraftmaschine
strömt aus dem Hauptbrennraum 30 zündfähiges Gemisch durch die Überströmkanäle 33
in.den Hohlraum 32 ein und bildet dort eine Strömung, die in wendelartigen Bahnen
35 verläuft und zur Masseelektrode 24 hoch steigt. Die isolierte Elektrode 25 ist
als Rohr ausgebildet, das aus dem Isolator 26 herausragt und sich im wesentlichen
bis in die Höhe der Überströmkanäle 33 erstreckt. In der Wandung der
Elektrode
25 sind mehrere Öffnungen 38, 39 angeordnet.
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Diese Öffnungen 38, 39 befinden sich in der Nähe des Isolators 26.
In Ausrichtung zu der rohrförmigen Elektrode 25 ist in dem Formteil 31 ein Überströmkanal
40 angeordnet. Beim Verdichtungshub der Brennkraftmaschine strömt auch durch diesen
Kanal 40 zündfähiges Gemisch in die Zündkammer 34. Nach Durchtritt durch den Kanal
40 strömt dieses Gemisch zunächst frei durch den Hohlraum 32, tritt dann in die
hohle Elektrode 25 ein und entweicht schließlich durch die Öffnungen 38, 39 in den
Zündkammerteil 34. Dieses Gemisch kühlt die Elektrode 25 von innen. Gleichzeitig
in schon beschriebener Weise durch die Kanäle 33 eintretendes Gemisch kühlt die
Elektrode 25 von außen. Die Kühlung von innen und von außen bewirkt, daß die Elektrode
25, wenn siedurnh einem vorangegangenen Arbeitstakt der Brennkraftmaschine auf eine
hohe Temperatur erwärmt wurde, schnell unter die Glühzündtemperatur gekühlt wird,
so daß das ein strömende Gemisch nicht vorzeitig entzündet wird. Das Formteil 31
ist so gestaltet, daß die von ihm gebildete Masseelektrode,24, im Längsschnitt der
Zündkerze gesehen, nach Art einer Nase beformt ist und in radialer Richtung eine
Erstreckung von beispielsweise 1,5 mm oder weniger hat. Dadurch nimmt diese Masseelektrode
24 im Laufe des Betriebs der Brennkraftmaschine eine höhere Temperatur als der Gewindehals
28 an und wirkt deshalb weniger abkühlend auf frisch entzündetes Gemisch ein. Dadurch
wird die Flamment.wicklung gefördert und es entsteht ein schnellerer Druckanstieg
in der Zündkammer 32, 37, so daß aus den Überströskanälen 33 und 40 energiereiche
Zündfackeln austreten und dasjenige Gemisch, daß sich in dem Hauptbrennraum 30 befindet,
schnell entzündet.
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Ein Teil der Elektrode 25 ist in der Figur 6 vergrößert dargestellt.
Diese Elektrode 25 ist aus Metall hergestellt.
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Die Öffnungen 38, 39 werden vorzugsweise durch Anbringen von im wesentlichen
quer zur Längsachse verlaufenden Schnitten und durch Eindrücken von Dellen hergestellt,
so wie dies bei der Herstellung von weithin bekannten Reibeisen und Gemüsehobeln
bekannt ist. Die Öffnungen könnten aber auch durch Bohren oder Lochen und Aufdornen
hergestellt werden. Die Wanddicke der Elektrode 25 wird ebenfalls wieder im.Bereich
von 0,1 bis 0,6 mm gewählt. Anstelle von Metall kann wie bei dem zuerst beschriebenen
Beispiel ein keramischer Werkst-off, z.B. Glas mit elektrisch leitfähigen Zusätzen,
verwendet werden.
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-Die hohle Elektrode 25 und der gleichachsig ausgerichtete Kanal 40
ermöglichen es, wie beim ersten Beispiel, ein Beobachtungsf.enster 20 in die Elektrode
25 zu integrieren.
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Dieses Fenster kann ebenfalls aus Quarzglas hergestellt sein.