WO2022053197A1 - Vorkammerzündkerze mit verbesserter masseelektrode - Google Patents

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WO2022053197A1
WO2022053197A1 PCT/EP2021/068174 EP2021068174W WO2022053197A1 WO 2022053197 A1 WO2022053197 A1 WO 2022053197A1 EP 2021068174 W EP2021068174 W EP 2021068174W WO 2022053197 A1 WO2022053197 A1 WO 2022053197A1
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WO
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spark plug
ground electrode
prechamber spark
electrode
plug according
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PCT/EP2021/068174
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Stephan Kaske
Alexander Schramm
Andreas Benz
Matthias Blankmeister
Anatolij Odegov
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T13/00—Sparking plugs
    • H01T13/54—Sparking plugs having electrodes arranged in a partly-enclosed ignition chamber
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T13/00—Sparking plugs
    • H01T13/20—Sparking plugs characterised by features of the electrodes or insulation
    • H01T13/32—Sparking plugs characterised by features of the electrodes or insulation characterised by features of the earthed electrode
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T13/00—Sparking plugs
    • H01T13/46—Sparking plugs having two or more spark gaps
    • H01T13/467—Sparking plugs having two or more spark gaps in parallel connection

Definitions

  • the present invention relates to a prechamber spark plug with an improved ground electrode, so that in particular mass production of the prechamber spark plug is possible in a simple and cost-effective manner. Furthermore, the present invention relates to an internal combustion engine with such a prechamber spark plug.
  • Pre-chamber spark plugs for gas internal combustion engines are commonly used in large stationary systems. With these spark plugs, the service life of the prechamber spark plug is a crucial economic and technical parameter. However, spark plugs for mobile internal combustion engines must in particular be as cost-effective as possible and in particular also be suitable for mass production. In order to meet the required service life, precious metal wearing surfaces are usually used on the center electrode, which, however, make prechamber spark plugs of this type considerably more expensive.
  • the prechamber spark plug according to the invention with the features of claim 1 has the advantage that particularly simple and cost-effective mass production is possible.
  • the prechamber spark plug according to the invention is also particularly suitable for automotive applications.
  • the prechamber spark plug according to the invention is very robust and has a particularly long service life. According to the invention, this is achieved in that the prechamber spark plug comprises a center electrode, a ground electrode and a housing Ground electrode is arranged in the housing. Furthermore, an insulator is provided which electrically separates the center electrode from the ground electrode. A cap which defines an antechamber together with a portion of the housing is also provided. Furthermore, the ground electrode is designed as a disk and has at least one through opening. The disk-shaped ground electrode is thus arranged in the antechamber and fastened to the housing or formed in one piece with the housing. The attachment is preferably carried out by means of a press fit or a welding process.
  • the through hole is located at the center of the ground electrode.
  • the ground electrode is a perforated disc with a central through-opening.
  • the ground electrode can be manufactured in a particularly simple and cost-effective manner.
  • the center electrode is particularly preferably arranged in the passage opening of the ground electrode. This results in a very compact and space-saving design.
  • the center electrode has a first noble metal area on its circumference.
  • the first noble metal area is preferably completely circumferential.
  • the first precious metal area is preferably arranged in a groove in the center electrode.
  • a front area of the center electrode further preferably terminates with one side of the disk-shaped ground electrode, so that the free end of the center electrode is arranged completely in the through-opening.
  • the first noble metal area of the center electrode is preferably provided at the sparked area of the prechamber spark plug, which is located at the portion of the center electrode that is radially surrounded by the ground electrode.
  • the through hole in the ground electrode is preferably cylindrical.
  • the through-opening can be provided simply and inexpensively.
  • a large number of recesses are formed on the circumference of the through-opening.
  • the recesses are preferably arcuate. At the transition points between two adjacent recesses, there are preferably edges which run in the axial direction of the prechamber spark plug.
  • the ground electrode In order to reduce the material of the ground electrode, the ground electrode more preferably preferably has arc-shaped recesses. Two half arches are particularly preferred. This results in a geometric shape of the ground electrode, which comprises two rings in one plane, which are connected to one another by two webs. The webs are preferably arranged opposite one another by 180°.
  • the disk-shaped ground electrode has an outer ring and a multiplicity of webs directed radially inwards from the outer ring. Three or four webs are particularly preferably provided. If four webs are provided, a cross-like shape enclosed by the outer ring can be obtained.
  • the disk-shaped ground electrode preferably has second noble metal areas on the surfaces directed towards the center electrode.
  • the second precious metal areas can be precious metal bodies or also precious metal coatings.
  • Noble metal bodies are preferred, however, since the increased mass of noble metal means that the prechamber spark plug has a longer service life.
  • the webs each have a free end face forming a flat surface.
  • a second precious metal area is preferably provided on each of the end faces.
  • the ground electrode preferably has a groove or one or more recesses in which the second noble metal areas are arranged. This makes it easy to fix the precious metal areas.
  • the housing has a shoulder on an inner circumference, which protrudes radially inwards and is preferably designed to be completely circumferential.
  • the ground electrode is then fixed, preferably by means of welding or by means of a press fit.
  • the webs of the disk-shaped ground electrode converge at a center point of the ground electrode, with the center point preferably being located in a central axis of the prechamber spark plug. Furthermore, an electrode extension directed towards the center electrode is arranged at the center point. A second precious metal area is preferably provided on the end face of the electrode extension. As a result, the service life of the ground electrode can be significantly improved.
  • the present invention relates to an internal combustion engine with a prechamber spark plug according to the invention, in particular for automotive applications.
  • Figure 1 is a schematic, perspective sectional view of a
  • Figure 2 is a schematic, perspective sectional view of a
  • Figure 3 is a schematic, perspective sectional view of a
  • Figure 4 is a plan view of the ground electrode of Figure 3
  • Figure 5 is a schematic, perspective sectional view of a
  • FIG. 6 shows a schematic partial sectional view of the prechamber spark plug from FIG.
  • Figure 7 is a schematic, perspective sectional view of a
  • FIG. 8 is a schematic plan view of the ground electrode of FIG. 8
  • Figure 9 is a schematic, perspective sectional view of a
  • Figure 10 is a schematic plan view of the ground electrode of Figure 9,
  • FIG. 11 shows a schematic, perspective sectional view of a prechamber spark plug according to a seventh preferred exemplary embodiment of the invention
  • Figure 12 is a sectional view through the prechamber spark plug of Figure 11, and
  • Figure 13 is a perspective view of the ground electrode of Figures 11 and 12.
  • a prechamber spark plug 1 according to a first preferred exemplary embodiment of the invention is described in detail below with reference to FIG.
  • the prechamber spark plug 1 comprises a center electrode 2 and a ground electrode 3.
  • the center electrode 2 lies in a center axis XX of the prechamber spark plug 1.
  • the center electrode 2 is cylindrical and protrudes slightly from the insulator 5 .
  • the ground electrode 3 is provided as a disk-shaped ground electrode which has a central, cylindrical through-opening 30 .
  • the through opening 30 has a center which lies in the central axis X-X of the prechamber spark plug 1 .
  • the center electrode is arranged in such a way that an end face 20 lies in a plane together with an outer side of the ground electrode 3, which is perpendicular to the center axis X-X. As a result, the center electrode 2 is partially arranged in the through hole 30 . This results in an annular gap 8 between the center electrode and the ground electrode. Sparks are generated in this annular gap 8 during operation.
  • the disk-shaped ground electrode 3 is arranged in the interior of the housing 4 on a shoulder 40 that is provided on the inner circumference of the housing 4 and extends in an annular manner.
  • the ground electrode 3 can be connected to the housing 4, for example, by means of welding or by means of a press fit. Alternatively, the ground electrode is formed in one piece with the housing 4 .
  • a plurality of cap holes 60 are provided in the cap 6 in order to feed an ignited gas mixture from the prechamber 7 through the cap holes 60 into a combustion chamber of an internal combustion engine and there to trigger a main ignition of the gas mixture in the combustion chamber.
  • the ground electrode 3 of the first embodiment can be provided as a simple perforated disk.
  • the housing 4 can also be provided very simply and inexpensively. In particular, no special provision for fixing the ground electrode needs to be provided.
  • the step 40 is not absolutely necessary, but the ground electrode can also be placed inside the housing without a step. Since spark generation is possible along the entire circumference of the center electrode or the inner circumference of the through opening 30, the prechamber spark plug 1 of the first exemplary embodiment has a very long service life even without using noble metal. Furthermore, a volume of the vestibule 7 can also be selected to be very large in a simple manner. Overall, the prechamber spark plug 1 of the first exemplary embodiment can be produced very inexpensively and quickly, so that this prechamber spark plug is very well suited to mass production, as is necessary for automotive applications.
  • FIG. 2 shows a prechamber spark plug 1 according to a second, preferred exemplary embodiment of the invention. Identical or functionally identical parts are denoted by the same reference symbols as in the first exemplary embodiment.
  • the second exemplary embodiment essentially corresponds to the first exemplary embodiment, in which, in contrast to the first exemplary embodiment, the disk-shaped ground electrode 3 has a through-opening 30, which is provided with additional arc-shaped recesses 31. This results in an additional passage space at the annular gap 8 . Edges 32 running in the axial direction arise between arcuate recesses 31. During operation, spark generation will occur between the edges 32 and the center electrode 2, with the additional arcuate recesses 31 having a passage volume through the through-opening 30 of the ground electrode 3 significantly in comparison with the first Embodiment is enlarged.
  • This ground electrode can also be produced in a simple, simple and cost-effective manner.
  • FIGS 3 and 4 show a prechamber spark plug 1 according to a third embodiment of the invention. Identical or functionally identical parts are denoted by the same reference symbols as in the previous exemplary embodiments.
  • the prechamber spark plug 1 of the third exemplary embodiment also has a disk-shaped ground electrode 3 .
  • the ground electrode 3 includes a central through-opening 30 , as a result of which a ring-shaped circumferential annular gap 8 results between the ground electrode 3 and the center electrode 2 .
  • the ground electrode 3 also has two recesses 37 in the form of half rings.
  • the disk-shaped ground electrode 3 has two concentric rings 3a and 3b which are connected to one another by two webs 3c and 3d. As a result, a passage area through the disk-shaped ground electrode 3 is significantly increased by the additional semi-annular two recesses 33 in comparison with the first exemplary embodiment.
  • FIGS. 5 and 6 show a prechamber spark plug 1 according to a fourth exemplary embodiment of the invention. Identical or functionally identical parts are denoted by the same reference symbols as in the previous exemplary embodiments.
  • the fourth exemplary embodiment essentially corresponds to the third exemplary embodiment, noble metal regions being additionally provided on the center electrode 2 and the ground electrode 3 . More specifically, as can be seen from FIGS. 5 and 6, a first annular noble metal region 11 is formed on the center electrode 2 and a second annular noble metal region 12 is formed on the through hole 30 of the ground electrode 3. FIG. As a result, in the spark generation area between the center electrode 2 and the ground electrode 3, areas made of noble metal face each other. In this case, a groove 21 is formed in the center electrode 2, in which the first noble metal region 11 of the center electrode 2 is arranged. The second noble metal portion 12 of the ground electrode 3 is simply applied to the inner peripheral wall of the through hole 30 .
  • the two precious metal areas 11, 12 are preferably precious metal bodies which can be connected to the respective electrodes, for example by means of a welded connection or a press connection. Otherwise, this exemplary embodiment corresponds to the previous exemplary embodiments, so that reference can be made to the description given there.
  • FIGS. 7 and 8 show a prechamber spark plug 1 according to a fifth embodiment of the invention. Identical or functionally identical parts are denoted by the same reference symbols as in the previous exemplary embodiments.
  • the fifth exemplary embodiment essentially corresponds to the fourth exemplary embodiment, with a first annular noble metal area 11 also being provided in peripheral form on the center electrode 2 and a second noble metal area 12 being provided on the ground electrode 3 .
  • the second noble metal area 12 is designed differently from the noble metal area of the fourth exemplary embodiment.
  • a multiplicity of surfaces 12a are formed on the inner circumference of the second noble metal region 12 . This results in a polygon on the inner circumference of the second precious metal area 12 .
  • a total of eight surfaces 12a are provided, resulting in an octagon.
  • this exemplary embodiment corresponds to the fourth exemplary embodiment, so that reference can be made to the description given there.
  • FIGS. 9 and 10 show a prechamber spark plug 1 according to a sixth exemplary embodiment of the invention. Identical or functionally identical parts are in turn denoted by the same reference symbols as in the previous exemplary embodiments.
  • the disk-shaped ground electrode 3 in the sixth exemplary embodiment is formed in such a way that it has an outer ring 3a and a plurality of webs 3e.
  • a total of four webs 3e are provided, which run radially inwards from the outer ring 3a.
  • the webs 3e are each offset by 90° to the adjacent web, resulting in a cross-shaped arrangement of the webs 3e.
  • Second precious metal areas 12 are formed on the end faces of the webs. The end faces are flat and parallel to the central axis X-X of the prechamber spark plug 1 .
  • a peripheral first noble metal region 11 is formed on the center electrode 2 . This first noble metal region 11 is provided at the same height as the second noble metal regions 12 of the ground electrode 3 in the axial direction X-X. This results in an increased service life of the prechamber spark plug 1.
  • FIGS 11 to 13 show a prechamber spark plug 1 according to a seventh embodiment of the invention. Identical or functionally identical parts again denoted by the same reference numerals as in the previous exemplary embodiments.
  • the disk-shaped ground electrode 3 comprises an outer ring 3a and three webs 3e.
  • the three webs 3e meet at a center point M, which lies in the central axis X-X of the prechamber spark plug 1.
  • an electrode extension 34 is formed on the side of the ground electrode 3 directed toward the center electrode 2, and a second noble metal region 12 is fastened to the end face of the latter.
  • the second noble metal area 12 lies opposite the first noble metal area 11 on the center electrode 2 .
  • the two noble metal areas are thus perpendicular to the central axis X-X.
  • noble metal regions 11 , 12 on the center electrode 2 or the ground electrode 3 are preferred as a preferred connection method for the noble metal regions 11 , 12 on the center electrode 2 or the ground electrode 3 .
  • Alloys containing the elements Pt, Ir, Rh or Re can be used as the noble metal of the noble metal regions 11, 12.
  • noble metal bodies in particular cylindrical pins or pads or the like, are used as noble metal regions 11 , 12 .
  • the respective diameter of the noble metal body is selected as a function of the diameter of the electrodes used or is selected to save as much material as possible.
  • prechamber spark plugs 1 shown in the exemplary embodiments are preferably provided for automotive applications, in particular with a housing diameter of M8, M10 or M12.
  • prechamber spark plugs shown are also possible for the prechamber spark plugs shown to be used in stationary internal combustion engines, in particular gas internal combustion engines, with an external thread diameter, e.g. M18.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorkammerzündkerze (1), umfassend eine Mittelelektrode (2), eine Masseelektrode (3), ein Gehäuse (4), wobei die Masseelektrode (3) im Gehäuse (4) fixiert ist, einen Isolator (5), welcher die Mittelelektrode (2) gegenüber der Masseelektrode (3) elektrisch isoliert, und eine Kappe (6), welche gemeinsam mit einem Teil des Gehäuses (4) eine Vorkammer (7) definiert, wobei die Masseelektrode (3) eine scheibenförmige Masseelektrode ist und wenigstens eine Durchgangsöffnung (30) aufweist

Description

Beschreibung
Titel
Vorkammerzündkerze mit verbesserter Masseelektrode
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorkammerzündkerze mit einer verbesserten Masseelektrode, so dass insbesondere eine Massenherstellung der Vorkammerzündkerze einfach und kostengünstig möglich ist. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Brennkraftmaschine mit einer derartigen Vorkammerzündkerze.
Vorkammerzündkerzen für Gasbrennkraftmaschinen werden üblicherweise in großen stationären Anlagen verwendet. Bei diesen Zündkerzen ist die Standzeit der Vorkammerzündkerze ein entscheidender wirtschaftlicher und technischer Parameter. Zündkerzen für mobile Brennkraftmaschinen müssen jedoch insbesondere möglichst kostengünstig sein und insbesondere auch für eine Massenproduktion geeignet sein. Um die geforderten Standzeiten zu erfüllen, werden üblicherweise an der Mittelelektrode Edelmetallverschleißflächen verwendet, welche derartige Vorkammerzündkerzen jedoch erheblich verteuern.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorkammerzündkerze mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine besonders einfache und kostengünstige Massenfertigung möglich ist. Dadurch ergibt sich für die erfindungsgemäße Vorkammerzündkerze neben einer Verwendung in stationären Brennkraftmaschinen insbesondere eine Eignung auch bei Automotive-Anwendungen. Die erfindungsgemäße Vorkammerzündkerze ist dabei sehr robust aufgebaut und besonders langlebig. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Vorkammerzündkerze eine Mittelelektrode, eine Masseelektrode und ein Gehäuse umfasst, wobei die Masseelektrode im Gehäuse angeordnet ist. Ferner ist ein Isolator vorgesehen, welcher die Mittelelektrode von der Masseelektrode elektrisch trennt. Eine Kappe, welche gemeinsam mit einem Teil des Gehäuses eine Vorkammer definiert, ist ebenfalls vorgesehen. Ferner ist die Masseelektrode als Scheibe ausgebildet und weist wenigstens eine Durchgangsöffnung auf. Die scheibenförmige Masseelektrode ist somit in der Vorkammer angeordnet und am Gehäuse befestigt oder einteilig mit dem Gehäuse ausgebildet. Die Befestigung ist vorzugsweise mittels einer Presspassung oder einem Schweißverfahren ausgeführt.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Vorzugsweise ist die Durchgangsöffnung in der Mitte der Masseelektrode angeordnet. Somit ist die Masseelektrode eine Lochscheibe mit einer mittigen Durchgangsöffnung. Dadurch kann die Masseelektrode besonders einfach und kostengünstig hergestellt werden.
Besonders bevorzugt ist die Mittelelektrode in der Durchgangsöffnung der Masseelektrode angeordnet. Dadurch ergibt sich ein sehr kompakter und platzsparender Aufbau.
Weiter bevorzugt weist die Mittelelektrode an ihrem Umfang einen ersten Edelmetallbereich auf. Der erste Edelmetallbereich ist vorzugsweise vollständig umlaufend. Vorzugsweise ist der erste Edelmetallbereich dabei in einer Nut in der Mittelelektrode angeordnet. Ein Stirnbereich der Mittelelektrode schließt weiter bevorzugt mit einer Seite der scheibenförmigen Masseelektrode ab, so dass das freie Ende der Mittelelektrode vollständig in der Durchgangsöffnung angeordnet ist. Der erste Edelmetallbereich der Mittelelektrode ist vorzugsweise an dem befunkten Bereich der Vorkammerzündkerze vorgesehen, welcher sich an dem Abschnitt der Mittelelektrode befindet, welche radial von der Masseelektrode umgeben ist.
Die Durchgangsöffnung in der Masseelektrode ist vorzugsweise zylindrisch. Dadurch kann die Durchgangsöffnung einfach und kostengünstig bereitgestellt werden. Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung sind am Umfang der Durchgangsöffnung eine Vielzahl von Ausnehmungen ausgebildet. Die Ausnehmungen sind vorzugsweise bogenförmig. An den Übergangsstellen zwischen zwei benachbarten Ausnehmungen ergeben sich vorzugsweise Kanten, welche in Axialrichtung der Vorkammerzündkerze verlaufen.
Um Material der Masseelektrode zu reduzieren, weist die Masseelektrode weiter bevorzugt vorzugsweise bogenförmige Aussparungen auf. Besonders bevorzugt sind zwei Halbbögen vorgesehen. Dadurch ergibt sich eine geometrische Form der Masseelektrode, welche zwei Ringe in einer Ebene umfasst, welche durch zwei Stege miteinander verbunden sind. Die Stege sind vorzugsweise um 180° einander gegenüberliegend angeordnet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die scheibenförmige Masseelektrode einen Außenring und eine Vielzahl von radial vom Außenring nach innen gerichteter Stege auf. Besonders bevorzugt sind dabei drei oder vier Stege vorgesehen. Bei Vorsehen von vier Stegen kann eine kreuzartige Form, welche vom Außenring umschlossen ist, erhalten werden.
Vorzugsweise weist die scheibenförmige Masseelektrode an den zur Mittelelektrode gerichteten Flächen zweite Edelmetallbereiche auf. Die zweiten Edelmetallbereiche können Edelmetallkörper oder auch Edelmetallbeschichtungen sein. Bevorzugt werden allerdings Edelmetallkörper, da durch die vergrößerte Edelmetallmasse eine höhere Standzeit der Vorkammerzündkerze erreicht wird.
Vorzugsweise weisen die Stege jeweils eine freie, eine ebene Fläche bildende Stirnseite auf. Dabei ist weiter bevorzugt an den Stirnseiten jeweils ein zweiter Edelmetallbereich vorgesehen. Vorzugsweise weist die Masseelektrode eine Nut oder eine oder mehrere Ausnehmungen auf, in welcher die zweiten Edelmetallbereiche angeordnet sind. Dadurch wird eine einfache Fixierung der Edelmetallbereiche möglich.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das Gehäuse an einem Innenumfang einen Absatz auf, welcher radial nach innen vorsteht und vorzugsweise vollständig umlaufend ausgebildet ist. An diesem Absatz ist die Masseelektrode dann fixiert, vorzugsweise mittels Schweißen oder mittels einer Presspassung.
Weiter bevorzugt laufen die Stege der scheibenförmigen Masseelektrode an einem Mittelpunkt der Masseelektrode zusammen, wobei sich der Mittelpunkt vorzugsweise in einer Mittelachse der Vorkammerzündkerze befindet. Ferner ist am Mittelpunkt ein zur Mittelelektrode gerichteter Elektrodenfortsatz angeordnet. An der Stirnseite des Elektrodenfortsatzes ist vorzugsweise ein zweiter Edelmetallbereich vorgesehen. Dadurch kann eine Standzeit der Masseelektrode signifikant verbessert werden.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Vorkammerzündkerze, insbesondere für Automotive- Anwendungen.
Zeichnung
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
Figur 1 eine schematische, perspektivische Schnittansicht einer
Vorkammerzündkerze gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Figur 2 eine schematische, perspektivische Schnittansicht einer
Vorkammerzündkerze gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Figur 3 eine schematische, perspektivische Schnittansicht einer
Vorkammerzündkerze gemäß einem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Figur 4 eine Draufsicht auf die Masseelektrode von Figur 3, Figur 5 eine schematische, perspektivische Schnittansicht einer
Vorkammerzündkerze gemäß einem vierten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Figur 6 eine schematische T eilschnittansicht der Vorkammerzündkerze von Figur 5,
Figur 7 eine schematische, perspektivische Schnittansicht einer
Vorkammerzündkerze gemäß einem fünften bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Figur 8 eine schematische Draufsicht auf die Masseelektrode von Figur
7,
Figur 9 eine schematische, perspektivische Schnittansicht einer
Vorkammerzündkerze gemäß einem sechsten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Figur 10 eine schematische Draufsicht auf die Masseelektrode von Figur 9,
Figur 11 eine schematische, perspektivische Schnittansicht einer Vorkammerzündkerze gemäß einem siebten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Figur 12 eine Schnittansicht durch die Vorkammerzündkerze von Figur 11, und
Figur 13 eine perspektivische Ansicht der Masseelektrode der Figuren 11 und 12.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Nachfolgend wir unter Bezugnahme auf Figur 1 eine Vorkammerzündkerze 1 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben. Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, umfasst die Vorkammerzündkerze 1 eine Mittelelektrode 2 und eine Masseelektrode 3. Die Mittelelektrode 2 liegt in einer Mittelache X-X der Vorkammerzündkerze 1.
Die Mittelelektrode 2 ist zylindrisch ausgebildet und steht etwas vom Isolator 5 vor.
Die Masseelektrode 3 ist als scheibenförmige Masseelektrode vorgesehen, welche eine mittige, zylindrische Durchgangsöffnung 30 aufweist. Die Durchgangsöffnung 30 weist einen Mittelpunkt auf, welcher in der Mittelachse X- X der Vorkammerzündkerze 1 liegt.
Die Mittelelektrode ist dabei derart angeordnet, dass eine Stirnseite 20 in einer Ebene gemeinsam mit einer Außenseite der Masseelektrode 3 liegt, welche senkrecht zur Mittelachse X-X ist. Dadurch ist die Mittelelektrode 2 teilweise in der Durchgangsöffnung 30 angeordnet. Hierdurch ergibt sich zwischen der Mittelelektrode und der Masseelektrode ein Ringspalt 8. In diesem Ringspalt 8 ergibt sich im Betrieb die Funkenerzeugung.
Die scheibenförmige Masseelektrode 3 ist im Inneren des Gehäuses 4 an einem am Innenumfang des Gehäuses 4 vorgesehenen ringförmig umlaufenden Absatz 40 angeordnet. Die Masseelektrode 3 kann beispielsweise mittels Schweißen oder mittels einer Presspassung mit dem Gehäuse 4 verbunden werden. Alternativ ist die Masseelektrode einteilig mit dem Gehäuse 4 ausgebildet.
In der Kappe 6 sind mehrere Kappenlöcher 60 vorgesehen, um ein entzündetes Gasgemisch aus der Vorkammer 7 durch die Kappenlöcher 60 in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine zuzuführen und dort eine Hauptzündung des im Brennraum befindlichen Gasgemisches auszulösen.
Somit kann die Masseelektrode 3 des ersten Ausführungsbeispiels als einfache Lochscheibe bereitgestellt werden. Ferner kann auch das Gehäuse 4 sehr einfach und kostengünstig bereitgestellt werden. Insbesondere muss keine besondere Vorkehrung zur Fixierung der Masseelektrode vorgesehen sein. Es sei angemerkt, dass der Absatz 40 nicht zwingend notwendig ist, sondern die Masseelektrode im Inneren des Gehäuses auch ohne Absatz platziert werden kann. Da eine Funkenerzeugung entlang des gesamten Umfangs der Mittelelektrode bzw. des Innenumfangs der Durchgangsöffnung 30 möglich ist, weist die Vorkammerzündkerze 1 des ersten Ausführungsbeispiels auch ohne Verwendung von Edelmetall eine sehr lange Standzeit auf. Weiterhin kann auch auf einfache Weise ein Volumen des Vorraums 7 sehr groß gewählt werden. Insgesamt ist die Vorkammerzündkerze 1 des ersten Ausführungsbeispiels sehr kostengünstig und schnell herstellbar, so dass diese Vorkammerzündkerze sehr gut für eine Massenfertigung geeignet ist, wie sie für Automotive-Anwendungen notwendig ist.
Figur 2 zeigt eine Vorkammerzündkerze 1 gemäß einem zweiten, bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel bezeichnet.
Das zweite Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel, wobei im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel die scheibenförmige Masseelektrode 3 eine Durchgangsöffnung 30 aufweist, welcher zusätzliche bogenförmige Ausnehmungen 31 vorgesehen sind. Dadurch ergibt sich am Ringspalt 8 ein zusätzlicher Durchtrittsraum. Zwischen bogenförmigen Ausnehmungen 31 ergeben sich in Axialrichtung verlaufende Kanten 32. Im Betrieb wird zwischen den Kanten 32 und der Mittelelektrode 2 eine Funkenerzeugung auftreten, wobei durch die zusätzlichen bogen förmigen Ausnehmungen 31 ein Durchtrittsvolumen durch die Durchgangsöffnung 30 der Masseelektrode 3 deutlich im Vergleich mit dem ersten Ausführungsbeispiel vergrößert ist. Auch diese Masseelektrode kann auf einfache Weise einfach und kostengünstig hergestellt werden.
Die Figuren 3 und 4 zeigen eine Vorkammerzündkerze 1 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen bezeichnet.
Die Vorkammerzündkerze 1 des dritten Ausführungsbeispiels weist ebenfalls eine scheibenförmige Masseelektrode 3 auf. Die Masseelektrode 3 umfasst eine mittige Durchgangsöffnung 30, wodurch sich zwischen der Masseelektrode 3 und der Mittelelektrode 2 ein ringförmig umlaufender Ringspalt 8 ergibt. Wie insbesondere aus Figur 4 ersichtlich ist, weist die Masseelektrode 3 zusätzlich zwei Ausnehmungen 37 in Form von Halbringen auf. Somit weist, wie aus den Figuren 3 und 4 ersichtlich ist, die scheibenförmige Masseelektrode 3 zwei konzentrische Ringe 3a und 3b auf, welche durch zwei Stege 3c und 3d miteinander verbunden sind. Auch hierdurch wird eine Durchtrittsfläche durch die scheibenförmige Masseelektrode 3 durch die zusätzlichen halbringförmigen beiden Ausnehmungen 33 im Vergleich mit dem ersten Ausführungsbeispiel deutlich vergrößert.
Die Figuren 5 und 6 zeigen eine Vorkammerzündkerze 1 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen bezeichnet.
Das vierte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem dritten Ausführungsbeispiel, wobei an der Mittelelektrode 2 und der Masseelektrode 3 zusätzlich Edelmetallbereiche vorgesehen sind. Genauer, wie aus den Figuren 5 und 6 ersichtlich ist, ist ein erster, ringförmiger Edelmetallbereich 11 an der Mittelelektrode 2 ausgebildet und ein zweiter, ringförmiger Edelmetallbereich 12 an der Durchgangsöffnung 30 der Masseelektrode 3 ausgebildet. Dadurch liegen sich im Funkenerzeugungsbereich zwischen der Mittelelektrode 2 und der Masseelektrode 3 Bereiche aus Edelmetall einander gegenüber. Dabei ist in der Mittelelektrode 2 eine Nut 21 ausgebildet, in welcher der erste Edelmetallbereich 11 der Mittelelektrode 2 angeordnet ist. Der zweite Edelmetallbereich 12 der Masseelektrode 3 ist einfach auf die Innenumfangswand der Durchgangsöffnung 30 aufgebracht. Die beiden Edelmetallbereiche 11, 12 sind vorzugsweise Edelmetallkörper, welche beispielsweise mittels einer Schweißverbindung oder eine Pressverbindung mit den jeweiligen Elektroden verbunden werden können. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel den vorherigen Ausführungsbeispielen, so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.
Die Figuren 7 und 8 zeigen eine Vorkammerzündkerze 1 gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen bezeichnet. Das fünfte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem vierten Ausführungsbeispiel, wobei ebenfalls an der Mittelelektrode 2 ein erster, ringförmiger Edelmetallbereich 11 in umlaufender Form und an der Masseelektrode 3 ein zweiter Edelmetallbereich 12 vorgesehen sind. Beim fünften Ausführungsbeispiel ist nun der zweite Edelmetallbereich 12 unterschiedlich zum Edelmetallbereich des vierten Ausführungsbeispiels ausgebildet. Wie insbesondere aus Figur 8 ersichtlich ist, sind am Innenumfang des zweiten Edelmetallbereichs 12 eine Vielzahl von Flächen 12a ausgebildet. Dadurch ergibt sich am Innenumfang des zweiten Edelmetallbereichs 12 ein Vieleck. In diesem Ausführungsbeispiel sind insgesamt acht Flächen 12a vorgesehen, so dass sich ein Achteck ergibt. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel dem vierten Ausführungsbeispiel, so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.
Die Figuren 9 und 10 zeigen eine Vorkammerzündkerze 1 gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind wiederum mit den gleichen Bezugszeichen wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen bezeichnet.
Wie aus den Figuren 9 und 10 ersichtlich ist, ist im Unterschied zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen beim sechsten Ausführungsbeispiel die scheibenförmige Masseelektrode 3 derart gebildet, dass diese einen Außenring 3a und mehrere Stege 3e aufweist. Wie aus Figur 10 ersichtlich ist, sind insgesamt vier Stege 3e vorgesehen, welche vom Außenring 3a radial nach innen verlaufen. Die Stege 3e sind jeweils zum benachbarten Steg um 90° versetzt angeordnet, so dass sich eine kreuzförmige Anordnung der Stege 3e ergibt. An den Stirnflächen der Stege sind jeweils zweite Edelmetallbereiche 12 ausgebildet. Die Stirnseiten sind dabei flächig und parallel zur Mittelachse X-X der Vorkammerzündkerze 1 ausgebildet. An der Mittelelektrode 2 ist ein umlaufender erster Edelmetallbereich 11 ausgebildet. Dieser erste Edelmetallbereich 11 ist in Axialrichtung X-X auf der gleichen Höhe wie die zweiten Edelmetallbereiche 12 der Masseelektrode 3 vorgesehen. Dadurch ergibt sich eine erhöhte Standzeit der Vorkammerzündkerze 1.
Die Figuren 11 bis 13 zeigen eine Vorkammerzündkerze 1 gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind wiederum mit den gleichen Bezugszeichen wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen bezeichnet.
Wie aus den Figuren 11 und 13 ersichtlich ist, umfasst die scheibenförmige Masseelektrode 3 einen Außenring 3a und drei Stege 3e. Die drei Stege 3e treffen sich in einem Mittelpunkt M, welcher in der Mittelachse X-X der Vorkammerzündkerze 1 liegt. Wie aus den Figuren 12 und 13 ersichtlich ist, ist an der zur Mittelelektrode 2 gerichteten Seite der Masseelektrode 3 ein Elektrodenfortsatz 34 ausgebildet, an dessen Stirnseite ein zweiter Edelmetallbereich 12 befestigt ist. Der zweite Edelmetallbereich 12 liegt dabei dem ersten Edelmetallbereich 11 an der Mittelelektrode 2 gegenüber. Die beiden Edelmetallbereiche liegen somit senkrecht zur Mittelachse X-X. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel den vorhergehenden Ausführungsbeispielen, so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.
Zu allen beschriebenen Ausführungsbeispielen sei angemerkt, dass als bevorzugtes Verbindungsverfahren für die Edelmetallbereiche 11 , 12 an der Mittelelektrode 2 bzw. der Masseelektrode 3 Laserschweißen oder Elektrodenstrahlschweißen oder Widerstandsschweißen bevorzugt wird. Als Edelmetall der Edelmetallbereiche 11, 12 können Legierungen, welche die Elemente Pt, Ir, Rh oder Re aufweisen, verwendet werden. Vorzugsweise werden als Edelmetallbereiche 11 , 12 Edelmetallkörper, insbesondere zylindrische Pins oder Pads oder dgl. verwendet. Der jeweilige Durchmesser der Edelmetallkörper wird in Abhängigkeit der Durchmesser der verwendeten Elektroden gewählt bzw. möglichst materialsparend ausgewählt.
Weiterhin sei angemerkt, dass die in den Ausführungsbeispielen gezeigten Vorkammerzündkerzen 1 vorzugsweise für Automotive-Anwendungen, insbesondere mit einem Gehäusedurchmesser mit M8, M10 oder M12 vorgesehen sind. Es ist jedoch auch möglich, dass die gezeigten Vorkammerzündkerzen bei stationären Brennkraftmaschinen, insbesondere Gasbrennkraftmaschinen, mit Außengewindedurchmesser, z.B. M18, verwendet werden.

Claims

Ansprüche
1. Vorkammerzündkerze (1), umfassend: eine Mittelelektrode (2), eine Masseelektrode (3), ein Gehäuse (4), wobei die Masseelektrode (3) im Gehäuse (4) fixiert ist, einen Isolator (5), welcher die Mittelelektrode (2) gegenüber der Masseelektrode (3) elektrisch isoliert, und eine Kappe (6), welche gemeinsam mit einem Teil des Gehäuses (4) eine Vorkammer (7) definiert, wobei die Masseelektrode (3) eine scheibenförmige Masseelektrode ist und wenigstens eine Durchgangsöffnung (30) aufweist.
2. Vorkammerzündkerze nach Anspruch 1 , wobei die Durchgangsöffnung (30) in der Mitte der Masseelektrode (3) angeordnet ist und insbesondere ein Mittelpunkt der Durchgangsöffnung (30) in einer Mittelachse (X-X) der Vorkammerzündkerze (1) liegt.
3. Vorkammerzündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mittelelektrode (2) in der Durchgangsöffnung (30) angeordnet ist.
4. Vorkammerzündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mittelelektrode (2) an ihrem Umfang einen ersten Edelmetallbereich (11), insbesondere vollständig um den Umfang der Mittelelektrode umlaufend, aufweist.
5. Vorkammerzündkerze nach Anspruch 4, wobei der erste Edelmetallbereich (11) in einer Nut (21) in der Mittelelektrode (2) angeordnet ist.
6. Vorkammerzündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Durchgangsöffnung (30) zylindrisch ist. Vorkammerzündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei am Umfang der Durchgangsöffnung (30) eine Vielzahl von bogenförmigen Ausnehmungen (31) ausgebildet ist derart, dass zur Mittelachse (X-X) der Vorkammerzündkerze parallele Kanten (32) in Richtung zur Mittelelektrode (2) gerichtet sind. Vorkammerzündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die scheibenförmige Masseelektrode (3) Löcher (33), insbesondere bogenförmige Löcher, aufweist. Vorkammerzündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die scheibenförmige Masseelektrode (3) einen Außenring (3a) und eine Vielzahl von radial vom Außenring nach innen gerichteter Stege (3e), insbesondere vier Stege (3e) aufweist. Vorkammerzündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die scheibenförmige Masseelektrode (3) an zur Mittelelektrode (2) gerichteten Flächen zweite Edelmetallbereiche (12), insbesondere Edelmetallkörper, aufweist. Vorkammerzündkerze nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Stege (3e) jeweils eine freie, eine ebene Fläche bildende Stirnseite aufweisen. Vorkammerzündkerze nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Stege (3e) an einem Mittelpunkt (M) der scheibenförmigen Masseelektrode zusammenlaufen, wobei der Mittelpunkt (M) in der Mittelachse (X-X) der Vorkammerzündkerze (1) liegt und am Mittelpunkt (M) ein zur Mittelelektrode (2) gerichteter Elektrodenfortsatz (34) angeordnet ist. Vorkammerzündkerze (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (4) am Innumfang einen, insbesondere vollständig umlaufenden Absatz (40) aufweist, an welchem die scheibenförmige Masseelektrode (3) angeordnet ist. Vorkammerzündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die scheibenförmige Masseelektrode (3) mittels einer Schweißverbindung oder mittels einer Presspassungsverbindung mit dem Gehäuse (4) verbunden ist.
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