WO2023094243A1 - Zündkerze - Google Patents

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WO2023094243A1
WO2023094243A1 PCT/EP2022/082157 EP2022082157W WO2023094243A1 WO 2023094243 A1 WO2023094243 A1 WO 2023094243A1 EP 2022082157 W EP2022082157 W EP 2022082157W WO 2023094243 A1 WO2023094243 A1 WO 2023094243A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
electrode
ignition
spark plug
housing
center electrode
Prior art date
Application number
PCT/EP2022/082157
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Corinna Vonau
Sergej Subkow
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Publication of WO2023094243A1 publication Critical patent/WO2023094243A1/de

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B43/00—Engines characterised by operating on gaseous fuels; Plants including such engines
    • F02B43/10—Engines or plants characterised by use of other specific gases, e.g. acetylene, oxyhydrogen
    • 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
    • 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
    • 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
    • H01T21/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture or maintenance of spark gaps or sparking plugs
    • H01T21/06—Adjustment of spark gaps

Definitions

  • the invention relates to a spark plug according to claim 1.
  • the spark plug according to the invention is suitable for use in a hydrogen-powered engine.
  • Another special feature of hydrogen combustion in a combustion engine is the low ignition energy required for ignition.
  • the object of the invention is to provide a spark plug that meets the requirements for a spark plug when used in a hydrogen-powered internal combustion engine and has electrodes with a high level of robustness.
  • the spark plug according to the invention with a longitudinal axis has a housing with an end face on the combustion chamber side and an insulator arranged at least partially within the housing and a center electrode arranged at least partially in the insulator.
  • the center electrode has an electrode body and an ignition element which is arranged at the end of the electrode body on the combustion chamber side and serves as an ignition surface.
  • the ignition element has a cylindrical shape with a round base and a longitudinal axis which is aligned parallel to the longitudinal axis of the spark plug.
  • the spark plug also has at least one ground electrode, which is arranged inside the housing on the housing, the at least one ground electrode and the center electrode being arranged such that the at least one ground electrode forms an ignition gap with the center electrode, which gap extends radially to the longitudinal axis of the spark plug .
  • the width of the ignition gap results from an electrode spacing between the center electrode and the at least one ground electrode, the electrode spacing between the center electrode and the at least one ground electrode not being greater than 0.3 mm, and the ignition gaps being formed entirely within the housing.
  • the projection of the ignition surface of the at least one ground electrode fits completely onto the ignition element of the center electrode in the axial direction. In other words, the projection of the center electrode ignition element completely covers the ground electrode ignition surface in the axial direction.
  • the ignition gap has an electrode spacing of no greater than 0.3 mm. This has the advantage that less voltage is required for ignition and the increase in electrode gap over the life of the spark plug is smaller. Since the installation space within the housing is naturally limited, the small distance between the electrodes also advantageously results in the possibility of arranging the electrodes and thus also the ignition gap within the housing. This results in the advantage that the electrodes do not protrude so far into the combustion chamber and thus absorb less heat from the combustion chamber, which reduces wear on the electrodes.
  • the overlapping of the ground electrode ignition surface by the projection of the center electrode ignition element in the axial direction results in the advantage that the ignition surface of the ground electrode is used and worn evenly in the axial direction. This results in a reduction in local temperature increases and the associated wear on the electrodes. The robustness of the electrodes and their service life increase accordingly.
  • the use of a cylindrical ignition element with a round base for the center electrode has the advantage that local electric field increases at edges are avoided, which prevents excessive wear at the edges as well as local melting and the formation of molten beads on the electrode ignition surfaces . This increases the robustness and service life of the electrodes.
  • the end of the projection of the ignition surface of the at least one ground electrode on the ignition element of the center electrode facing away from the combustion chamber is spaced apart in the axial direction from the end of the ignition element of the center electrode facing away from the combustion chamber, in particular that the distance is at least 5% and in particular at most 50% of the length of the ignition element.
  • the length of the center electrode igniter is measured parallel to the longitudinal axis of the spark plug.
  • the end of the center electrode ignition element facing away from the combustion chamber is, for example, the end of the ignition element to which the ignition element is arranged on the electrode body of the center electrode, in particular is materially connected. An area between the ignition element and the electrode body of the center electrode, which results from the material connection, is not included in the ignition element.
  • the distance between the end of the ground electrode ignition surface projection on the center electrode ignition element that faces away from the combustion chamber and the end of the center electrode ignition element that faces away from the combustion chamber results in the advantage that sparking of an interface between the ignition element and the electrode body of the center electrodes or the one from a material connection resulting area between ignition element and electrode body of the center electrode is avoided. This is important because the electrode body and the area between the ignition element and the electrode body of the center electrode resulting from the materially bonded connection usually consist of one are less robust material than the ignition element and thus wear out much faster than the ignition element when radioed.
  • Sparking of the electrode body and the area between the ignition element and the electrode body resulting from the material connection is reliably prevented if a distance of at least 5% of the total length of the ignition element is maintained. Limiting the distance to a maximum of 50% prevents the ignition element from being too long. This would be disadvantageous if, for example, the ignition element is made of an expensive material.
  • the projection of the ignition surface of the at least one ground electrode in the direction perpendicular to the longitudinal axis of the spark plug fits completely onto the ignition element of the center electrode.
  • the projection of the center electrode igniter completely covers the ignition surface of the ground electrode also in the direction perpendicular to the longitudinal axis of the spark plug.
  • the overlapping of the ground electrode ignition surface by the projection of the center electrode ignition element in the direction perpendicular to the longitudinal axis of the spark plug results in the advantage that the ignition surface of the ground electrode is used and worn evenly in the direction perpendicular to the longitudinal axis of the spark plug. This results in a reduction in local temperature increases and the associated wear on the electrodes. The robustness of the electrodes and their service life increase accordingly.
  • the ignition surface of the at least one ground electrode facing the center electrode is a flat surface. This has the advantage that the electrodes are easy to manufacture and easy to align with one another.
  • the ignition surface of the at least one ground electrode facing the center electrode is concave, in particular has a contour complementary to the center electrode ignition element, in particular with rounded edges.
  • the electrode spacing is no greater than 0.2 mm, in particular no greater than 0.15 mm. The smaller the gap between the electrodes, the lower the voltage required to generate an ignition spark.
  • the electrode spacing is also advantageous for the electrode spacing to be at least 0.05 mm, in particular not less than 0.1 mm. This means that the electrode spacing is not too small.
  • a very small gap between the electrodes poses particular challenges to the accuracy of spark plug production.
  • a deviation from the alignment of the electrode ignition surfaces that is as parallel as possible has a greater effect with a small electrode spacing, such as uneven wear of the ignition surface, than with a larger electrode spacing.
  • the lower limit for the electrode gap is therefore a good compromise for, on the one hand, a small electrode gap to reduce the ignition voltage requirement and wear and, on the other hand, a reasonable effort for a uniformly good quality of the alignment of the ignition surfaces to each other during spark plug production.
  • the ignition gap is at a distance from the front face of the housing on the combustion chamber side of at least 0 mm and at most ⁇ 15 mm, in particular not less than ⁇ 1 mm and/or not greater than ⁇ 4 mm.
  • a plane spanned by the front side of the housing on the combustion chamber side perpendicular to the longitudinal axis of the spark plug is a reference plane with the value 0 mm. The distance from the reference plane assumes an increasingly negative value in the direction of the end of the spark plug facing away from the combustion chamber and an increasingly positive value in the direction of the combustion chamber.
  • the ignition gap is the volume between the ground electrode and the center electrode that results between the overlapping projections of the opposite ignition surfaces of the electrodes. This means that the ignition surface of the center electrode is projected onto the ignition surface of the ground electrode and vice versa.
  • the volume that both projections cover is the volume of the ignition gap. The volume is limited in one dimension by the ignition surfaces and in the other dimensions by the projected overlapping of the ignition surfaces.
  • the distance is measured from the end of the ignition gap on the combustion chamber side to the front side of the housing on the combustion chamber side.
  • the fact that the distance between the ignition gap and the front side of the housing on the combustion chamber side is at least 0 mm means that the ignition gap is located completely inside the housing, i.e. the spark plug has a neutral or negative spark position. This has the advantage that the electrodes are pulled out of the combustion chamber as far as possible and thus absorb as little heat as possible from the combustion processes taking place in the combustion chamber. This reduces wear on the electrodes.
  • the insulator foot extends from the combustion chamber end of the insulator to the insulator seat, with which the insulator rests on the housing. It has turned out to be advantageous that the length of the insulator foot is no longer than 7 mm, in particular no longer than 4 mm. The length of the insulator foot is measured parallel to the longitudinal axis of the spark plug.
  • the spark plug breathing chamber is filled with the gas mixture present in the combustion chamber. The less the insulator foot protrudes into the breathing space, the less contact surface the insulator foot has with the hot gas mixture and can accordingly absorb less heat from the gas mixture.
  • the center electrode protrudes from the insulator.
  • the center electrode has a protruding dimension which is measured from the end face of the insulator on the combustion chamber side to an end of the center electrode on the combustion chamber side.
  • the projection of the center electrode is not more than 6.0 mm, more preferably not more than 4.0 mm, more preferably not less than 0.5 mm, more preferably not less than 1.1 mm.
  • Limiting the protrusion to a maximum length of 6.0 mm has the advantage that the center electrode does not protrude too far into the breathing space and therefore cannot absorb so much heat from the gas mixture in the breathing space, so that the spark plug has a low heat value has.
  • the advantage of the minimum length of the protrusion is that with a minimum length of 0.5 mm, the distance to the front surface of the insulator on the combustion chamber side is large enough to exclude creepage sparks along the insulator when the ground electrodes are radially adjusted laterally in relation to the center electrode.
  • the spark plug has a breathing chamber, which extends from the front side of the housing toward the combustion chamber to the fillet of the insulator foot inside the housing, the center electrode and the insulator foot being arranged inside the breathing chamber and the at least one ground electrode being arranged at least partially, in particular completely, inside the breathing chamber.
  • the breathing chamber is in contact with a combustion chamber in the plane spanned by the front side of the housing perpendicular to the longitudinal axis of the spark plug when the spark plug is installed in an internal combustion engine. Provision is advantageously made for the breathing space to have a volume of no greater than 500 mm 3 , in particular no greater than 300 mm 3 , and in particular no less than 50 mm 3 . When calculating the volume, the volume of the electrodes and insulator is not included.
  • Limiting the volume of the breathing space results in the advantage that the breathing space is not too large and can therefore be flushed well with a fresh gas mixture, so that too much gas mixture consumed by the ignition does not accumulate in the breathing space. On the one hand, this avoids the deposit of particles produced during combustion, such as soot, and on the other hand, a fresh gas mixture has a lower temperature than a used gas mixture, which reduces the heat input into the spark plug via the breathing space.
  • the spark plug has at least two ground electrodes, each of which forms an ignition gap with the center electrode, the several ground electrodes being arranged in the same way or differently in relation to the center electrode, i.e. the ignition gaps can be the same or different. but preferably all ignition gaps meet the advantageous features listed here, such as position in relation to the combustion chamber-side end face of the housing and electrode spacing.
  • the spark plug has a plurality of ground electrodes, the wear on the ignition surface can be distributed over a number of ground electrodes, and the ignition surface of the individual ground electrode does not require as much volume of wear-resistant material as with a single ground electrode. The service life of the spark plug is increased.
  • the at least two ground electrodes are arranged symmetrically on the inside of the housing.
  • the longitudinal axis of the spark plug is the axis of symmetry in the arrangement of the ground electrodes. Due to the symmetrical arrangement of the ground electrodes, the technical Effect that the flow of the fuel-air mixture is very even within the breathing space, which further promotes good ignition and good ignition stability of the fuel-air mixture in the spark plug.
  • the plurality of ground electrodes can also be arranged asymmetrically on the inside of the housing.
  • an asymmetrical arrangement of the multiple ground electrodes in the spark plug is advantageous if the spark plug is arranged in the cylinder decentralized to the cylinder axis.
  • the at least one ground electrode and/or the center electrode advantageously each has an ignition element made of a different material than the rest of the electrode, which forms the ignition gap with the opposite electrode, and that the ignition element(s) consists of a precious metal or a precious metal alloy , In particular of Pt, Ir, Rh, Pd, Re, Au or an alloy thereof.
  • An alloy with a high I r content is particularly advantageous here, i.e. Ir is the element with the highest individual content in the alloy.
  • the ignition element for the ground electrode and/or the center electrode advantageously has rounded or chamfered edges.
  • the radius of rounding r for an ignition element with rounded edges is d/10 ⁇ r ⁇ d/2, where d is the cylinder diameter of the ignition element.
  • the chamfer has a width b and a height h, where d/10 ⁇ b ⁇ d/2 and/or d/10 ⁇ h ⁇ d/2 with the cylinder diameter d of the ignition element.
  • the spark plug according to the invention and its further development is, for example, a hydrogen spark plug which is set up to be used in an engine operated with hydrogen-containing fuel and to ignite the ignitable hydrogen-containing fuel-air mixture.
  • the fuel can contain up to 100% hydrogen, i.e. the fuel can only be hydrogen or a hydrogen-gas mixture.
  • spark plug according to the invention is not limited to operation with hydrogen.
  • the spark plug according to the invention can also be used for natural gas or gasoline internal combustion engines. drawing
  • FIG. 1 shows a spark plug according to the invention
  • FIG. 2 shows a first example of the electrodes of the spark plug according to the invention
  • FIG. 3 shows a second example of the electrodes of the spark plug according to the invention
  • FIG. 1 shows a spark plug 1 in a half-sectional view.
  • the spark plug 1 comprises a housing 2.
  • An insulator s is inserted into the housing 2.
  • FIG. The housing 2 and the insulator 3 each have a bore along their longitudinal axis.
  • the housing 2 has an outside 24 and an inside 23.
  • the longitudinal axis of the housing 2, the longitudinal axis of the insulator 3 and the longitudinal axis x of the spark plug 1 coincide.
  • a center electrode 4 is inserted into the insulator 3 .
  • a connecting bolt 8 extends into the insulator 3 for making electrical contact with the spark plug, via which the spark plug 1 is electrically contacted with a voltage source.
  • the electrical contact forms the end of the spark plug 1 facing away from the combustion chamber.
  • the electrical contact can be formed in one piece, as in this example, or also from several components.
  • the insulator 3 is typically divided into three areas: insulator base 31, insulator body and insulator head. The three areas differ, for example, by different diameters.
  • the insulator base 31 is the end of the insulator 3 facing the combustion chamber.
  • the center electrode 4 is arranged inside the insulator base 31 .
  • the insulator base 31 is arranged completely within the housing 2 here. As a rule, the insulator base 31 has the smallest outside diameter on the insulator 3.
  • the insulator base here has a maximum length of 7 mm.
  • the insulator body which is generally completely enclosed by the housing 2, is arranged adjacent to the insulator base 31.
  • the insulator body has a larger outer diameter than the insulator base 31.
  • the transition between the insulator base 31 and the insulator body is designed as a shoulder, the so-called insulator seat 35.
  • the transition between the insulator seat 35 and the insulator base 31 is referred to as the insulator base fillet.
  • the insulator head borders on the end of the insulator body facing away from the combustion chamber and forms the end of the insulator 3 facing away from the combustion chamber.
  • the outside diameter of the insulator head lies between the outside diameters of the insulator base 31 and the insulator body, with the areas typically not having a constant outside diameter over their length, but rather the outside diameter being able to vary.
  • the housing 2 has a seat 25 on its inside.
  • the insulator rests with its shoulder or insulator seat 35 on the housing seat 25 .
  • An inner seal 10 is arranged between the insulator seat 35 and the housing seat 25 .
  • a resistance element 7 is located in the insulator 3 between the center electrode 4 and the connection bolt 8 for making electrical contact with the spark plug.
  • the resistance element 7 electrically conductively connects the center electrode 4 to the connection bolt 8
  • the layers of the resistance element differ in their material composition and the resulting electrical resistance.
  • the first contact layer 7a and the second contact layer 7a can have a different or the same electrical resistance.
  • ground electrodes 5 are arranged in a bore 52 each on the inside 23 of the housing 2 , so that the ground electrodes 5 protrude radially from the inside 23 of the housing into the bore along the longitudinal axis X of the housing 2 .
  • the ground electrodes 5 and the center electrode 4 together each form an ignition gap 54 .
  • the respective ignition gap between the center electrode and the respective ground electrode extends radially to the longitudinal axis x.
  • the width of the respective ignition gap 54 is the electrode spacing and is in the range from 0.05 mm to 0.3 mm.
  • the bores 52 extend from the outside 24 through the housing wall to the inside 23 of the housing 2.
  • the spark plug 1 can also have more than just one or more than two ground electrodes 5 .
  • an ignition gap 54 between the center electrode 4 and the two ground electrodes 5.
  • the projection of the ignition element 41 of the center electrode 4 covers the ignition surface of the respective ground electrode 5 completely in the axial direction, and in particular also in the direction perpendicular to the longitudinal axis of the spark plug.
  • the combustion chamber end of the ignition gap lies in a plane perpendicular to the longitudinal axis x with the combustion chamber end of the ignition surface of the ground electrode 5.
  • the distance 81a of the ignition gap to the plane spanned by the combustion chamber end face 27 of the housing 2 perpendicular to the longitudinal axis x is greater than 0 and equal here or less than -15 mm.
  • the center electrode 4 protrudes from the insulator foot 31 and has a protruding dimension 8 ⁇ of at least 0.5 mm and at most 6.0 mm.
  • the housing 2 has a shaft.
  • a polygon 21, a shrinkage groove and a thread 22 are formed on this shank.
  • the thread 22 is used to screw the spark plug 1 into an engine.
  • the bores 52 in the housing wall are formed in the area of the thread 22 .
  • the bore 52 for the ground electrodes 5 and thus also the ground electrodes 5 can be arranged at any desired height in the area of the thread 22 .
  • the center electrode 4 and with it the insulator base 31 protrude to a greater or lesser extent into the breathing space 81 .
  • the position of the bores in the area of the thread 22 and the ground electrodes 5 on the inside 23 of the housing 2 can be selected.
  • the bores 52 are arranged, for example, in a depression 510, such as a conical or a round groove.
  • the outer diameter of the housing 2 in the depressions is smaller than the core diameter of the thread 22.
  • the indentations 510 can arise, for example, by stamping the housing 2 during the manufacture of the spark plug 1 . Not only is the outer diameter of the housing 2 in the area of the depressions 510 reduced, but also the inner diameter of the housing 2 in the area of the depressions 510, so that a projection 26 per depression 510 is formed inside the housing.
  • the breathing chamber 81 extends from the front side 27 of the housing on the combustion chamber side into the housing 2 and within the housing 2 up to the insulator foot fillet, which adjoins the insulator seat 35 which rests on the housing seat 25 .
  • the space between Housing 2 and insulator 3 are sealed gas-tight at this point by means of an inner seal 10 .
  • the volume of the ground electrodes 5, the center electrode 4 and the insulator foot 31 are subtracted in the calculation of the breathing space volume.
  • the volume of the breathing space 81 is a maximum of 500 mm 3 .
  • the housing 2 or the bores 52 for the ground electrodes 5 can have grooves or grooves during production, resulting in a surface roughness.
  • the grooves and grooves arise, for example, when the bores on or in the housing 2 are machined by a turning process in which material is removed from the housing 2 .
  • FIG. 2 shows a first example of the arrangement of electrodes 4, 5 of spark plug 1 according to the invention.
  • the top half shows a top view of the electrodes from the direction of a combustion chamber and the bottom half shows a sectional side view of the electrode arrangement.
  • the center electrode 4 has an electrode body and an ignition element 41 at its end on the combustion chamber side.
  • the ignition element 41 is connected to the electrode body, for example by means of a material connection such as welding.
  • the ignition element 41 is cylindrical with a round base.
  • the ignition element 41 has a longitudinal axis perpendicular to its round bases, the longitudinal axis extending parallel to the longitudinal axis x of the spark plug 1 .
  • ground electrodes 5 In this example, two ground electrodes 5 are shown. But it can also be more or less. In the description of the figure below, for the sake of simplicity, reference is made to a ground electrode. The statements apply to both ground electrodes.
  • the ground electrode 5 is arranged inside the housing on the housing 2 and forms a side electrode in relation to the center electrode 4.
  • a radial ignition gap 54 is correspondingly formed.
  • the ignition gap 54 is limited by the ignition element 41 of the center electrode 4 and the ignition surface of the ground electrode 5.
  • the ground electrode 5 also has an ignition element 51 that forms the ignition surface.
  • the ignition element 51 of the ground electrode 5 has a flat surface in the direction of the center electrode 4 and, correspondingly, a flat ignition surface.
  • the electrode gap here is the smallest distance between the ignition surfaces of the two electrodes 4, 5.
  • the projection 54a of the ignition surface of the ground electrode 5 fits in the axial direction and in the direction perpendicular to the spark plug longitudinal axis x on the ignition element 41 of the center electrode 4.
  • the The projection of the center electrode ignition element 41 completely covers the ignition surface of the ground electrode 5 in the axial and vertical direction. While that has end of the projection 54a of the ground electrode ignition surface facing away from the combustion chamber is a distance 45 from the electrode body of the center electrode 4 or the connection area between the electrode body and the ignition element 41 of the center electrode 4.
  • FIG. 3 shows a second example of the arrangement of the electrodes 4, 5 of the spark plug 1 according to the invention .
  • This example differs from the first example in FIG. 2 only in the configuration of the ignition element 51 of the ground electrode 5. This can be seen particularly well in the plan view.
  • the ignition element 51 of the ground electrode 5 does not have a flat surface but a concave surface.
  • the contour of the concave surface is formed complementary to the center-electrode ignition element 41 .
  • the result of this is that the electrode distance is constant in the axial direction and in the direction perpendicular to the longitudinal axis of the spark plug, and the electrodes 4, 5 are therefore worn evenly.

Landscapes

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Abstract

Zündkerze (1) mit einer Längsachse, aufweisend  ein Gehäuse (2) mit einer brennraumseitigen Stirnseite (27),  einen mindestens teilweise innerhalb des Gehäuses (2) angeordneten Isolator (3),  eine mindestens teilweise innerhalb des Isolators (3) angeordnete Mittelelektrode (4) mit einem Elektrodenkörper und einem an dem brennraumseitigen Ende des Elektrodenkörpers angeordneten Zündelement (41), das als Zündfläche dient, wobei das Zündelement (41) eine zylindrische Form mit einer runden Grundfläche und einer Längsachse, die sich parallel zur Zündkerzen-Längsachse erstreckt, und  mindestens eine Masseelektrode (5) mit einer Zündfläche, die innerhalb des Gehäuse (2) am Gehäuse (2) angeordnet sind,  wobei die mindestens eine Masseelektrode (5) und die Mittelelektrode (4) so angeordnet sind, dass die mindestens eine Masseelektrode (5) mit der Mittelelektrode (4) einen Zündspalt (54) ausbildet, der sich radial zur Zündkerzen-Längsachse erstreckt,  wobei eine Breite des Zündspalts (54) durch einen Elektrodenabstand der Mittelelektrode (4) zu der mindestens einen Masseelektrode (5) gegeben ist,  wobei der Elektrodenabstand der Mittelelektrode (4) zu der mindestens einen Masseelektrode (5) nicht größer als 0,3 mm ist, und die Zündspalte (54) vollständig innerhalb des Gehäuses (2) ausgebildet sind, und  dass die Projektion (54a) der Zündfläche der mindestens einen Masseelektrode (5) in axialer Richtung vollständig auf das Zündelement (41) der Mittelelektrode (4) passt.

Description

Beschreibung
Zündkerze
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Zündkerze gemäß des Anspruchs 1. Insbesondere ist die erfindungsgemäße Zündkerze für die Anwendung bei einem mit Wasserstoff betriebenen Motor geeignet.
Bisher werden die meisten Fahrzeuge, wie z.B. PKW oder LKW, mit einem Verbrennungsmotor angetrieben, der Benzin oder Diesel als Treibstoff verwenden. Zunehmend gibt es mobile und stationäre Verbrennungsmotoren, die Erdgas oder Wasserstoff als Treibstoff benutzten. Dabei muss wie beim Benzin-betriebenen Verbrennungsmotor auch beim Wasserstoff-betriebenen Verbrennungsmotor das Luft- Kraftstoff-Gemisch fremdgezündet werden. Hierzu wird typischerweise eine Zündkerze eingesetzt.
Offenbarung der Erfindung
Bei Wasserstoff-betriebenen Verbrennungsmotoren wird in der Regel ein sehr mageres Luft- Kraftstoff-Gemisch (Lambda > 1,8) eingestellt, um die gesetzliche Emission-Vorgaben zu erfüllen. Gemeinsam mit dem niedrigen Gemisch-Heizwert von Wasserstoff ergeben sich dadurch höhere Ladungsdichten und entsprechend auch höhere Drücke zum Zündzeitpunkt. Entsprechend steigen die Anforderungen an die Robustheit der Zündkerzen-Elektroden.
Eine weitere Besonderheit bei der Wasserstoffverbrennung in einem Verbrennungsmotor ist die geringe Zündenergie, die für eine Zündung benötigt wird.
Bisher bekannte Zündkerzen sind in der Regel auf den Betrieb in einem Benzin-betriebenen Verbrennungsmotor optimiert und sind somit nicht geeignet für die Anwendung bzw. liefern eine schlechte Performanz bei der Anwendung in Wasserstoff-betriebenen Verbrennungsmotoren. Entsprechend ist es Aufgabe der Erfindung eine Zündkerze bereit zu stellen, die die Anforderungen an eine Zündkerze bei einer Anwendung in einem Wasserstoff-betriebenen Verbrennungsmotor erfüllt und Elektroden mit einer hohen Robustheit aufweist.
Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Zündkerze gelöst. Die erfindungsgemäße Zündkerze mit einer Längsachse weist ein Gehäuse mit einer brennraumseitigen Stirnseite und einen mindestens teilweise innerhalb des Gehäuses angeordneten Isolator sowie eine mindestens teilweise im Isolator angeordnete Mittelelektrode auf. Die Mittelelektrode hat einen Elektrodenkörper und ein an dem brennraumseitigen Ende des Elektrodenkörpers angeordnetes Zündelement, das als Zündfläche dient. Das Zündelement hat eine zylindrische Form mit einer runden Grundfläche und einer Längsachse die parallel zur Zündkerzen-Längsachse ausgerichtet ist. Die Zündkerze weist auch mindestens eine Masseelektrode auf, die innerhalb des Gehäuses am Gehäuse angeordnet ist, wobei die mindestens eine Masseelektrode und die Mittelelektrode so angeordnet sind, dass die mindestens eine Masseelektrode mit der Mittelelektrode einen Zündspalt ausbildet, der sich radial zur Zündkerzen-Längsachse erstreckt. Dabei ergibt sich eine Breite des Zündspalts durch einen Elektrodenabstand der Mittelelektrode zu der mindestens einen Masseelektrode, wobei der Elektrodenabstand der Mittelelektrode zu der mindestens einen Masseelektrode nicht größer als 0,3 mm ist, und die Zündspalte vollständig innerhalb des Gehäuses ausgebildet sind. Des Weiteren passt die Projektion der Zündfläche der mindestens einen Masseelektrode in axialer Richtung vollständig auf das Zündelement der Mittelelektrode. Mit anderen Worten überdeckt die Projektion des Mittelelektroden- Zündelements vollständig die Masseelektroden-Zündfläche in axialer Richtung.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Zündspalt einen Elektrodenabstand von nicht größer als 0,3 mm hat. Dies hat den Vorteil, dass weniger Spannung für eine Zündung benötigt wird und der Elektrodenabstandzuwachs über die Laufzeit der Zündkerze kleiner ausfällt. Da der Bauraum innerhalb des Gehäuses naturgemäß begrenzt ist, ergibt sich durch den kleinen Elektrodenabstand des Weiteren vorteilhaft die Möglichkeit die Elektroden und damit auch den Zündspalt innerhalb des Gehäuses anzuordnen. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die Elektroden nicht soweit in den Brennraum hineinragen und somit weniger Wärme aus dem Brennraum aufnehmen, wodurch der Verschleiß der Elektroden reduziert wird.
Durch die Überdeckung der Masseelektroden-Zündfläche durch die Projektion des Mittelelektroden-Zündelements in axialer Richtung ergibt sich der Vorteil, dass in axialer Richtung die Zündfläche der Masseelektrode gleichmäßig genutzt und abgenutzt wird. Dadurch ergibt sich eine Reduzierung von lokalen Temperaturerhöhungen und dem damit verbundenen Verschleiß an den Elektroden. Entsprecht steigt die Robustheit der Elektroden und ihre Lebensdauer.
Durch die Verwendung von einem zylinderförmigen Zündelement mit einer runden Grundfläche bei der Mittelelektrode ergibt sich der Vorteil, dass lokale elektrische Feldüberhöhungen an Kanten vermieden werden, wodurch ein übermäßiger Verschleiß an den Kanten sowie lokale Aufschmelzung und die Bildung von Schmelzperlen an den Elektroden-Zündflächen verhindert wird. Dies führt dazu, dass die Robustheit sowie Lebensdauer der Elektroden sich erhöht.
Die Kombination der erfindungsgemäßen Merkmale ist somit besonders vorteilhaft, da sie sich gegenseitig bei ihren technischen Vorteilen ergänzen und verstärken.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung ist vorgesehen, dass das brennraumabgewandte Ende der Projektion der Zündfläche der mindestens einen Masseelektrode auf dem Zündelement der Mittelelektrode in axialer Richtung beabstandet von dem brennraumabgewandten Ende des Zündelements der Mittelelektrode ist, insbesondere dass der Abstand mindestens 5% und insbesondere maximal 50% der Länge des Zündelements beträgt. Die Länge des Mittelelektroden-Zündelements wird parallel zur Längsachse der Zündkerze gemessen. Das brennraumabgewandte Ende des Mittelelektroden-Zündelements ist beispielsweise das Ende des Zündelements, mit dem das Zündelement an dem Elektrodenkörper der Mittelelektrode angeordnet ist, insbesondere stoffschlüssig verbunden ist. Dabei zählt ein Bereich zwischen Zündelement und Elektrodenkörper der Mittelelektrode, der sich durch die stoffschlüssige Verbindung ergibt, nicht zum Zündelement dazu.
Durch den Abstand des brennraumabgewandten Endes der Masseelektroden-Zündflächen- Projektion auf das Mittelelektroden-Zündelement zu dem brennraumabgewandten Ende des Mittelelektroden-Zündelements ergibt sich der Vorteil, dass eine Befunkung einer Grenzfläche zwischen dem Zündelement und dem Elektrodenkörper der Mittelelektroden bzw. dem aus einer stoffschlüssige Verbindung resultierenden Bereich zwischen Zündelement und Elektrodenkörper der Mittelelektrode vermieden wird. Dies ist wichtig, da der Elektrodenkörper und der aus der stoffschlüssige Verbindung resultierenden Bereich zwischen Zündelement und Elektrodenkörper der Mittelelektrode in der Regel aus einem weniger robusten Material als das Zündelement sind und somit bei Befunkung wesentlich schneller verschleißen als das Zündelement. Eine Befunkung des Elektrodenkörpers und des aus der stoffschlüssigen Verbindung resultierenden Bereichs zwischen Zündelement und Elektrodenkörper wird sicher verhindert, wenn ein Abstand von mindestens 5% der Gesamtlänge des Zündelements eingehalten wird. Durch eine Begrenzung des Abstands von maximal 50% wird vermieden, dass das Zündelement zu lang ist. Dies wäre nachteilhaft, wenn beispielsweise das Zündelement aus einem teuren Material ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, dass die Projektion der Zündfläche der mindestens einen Masseelektrode in senkrechter Richtung zur Zündkerzen-Längsachse vollständig auf das Zündelement der Mittelelektrode passt. Mit anderen Worten die Projektion des Mittelelektroden-Zündelements überdeckt die Zündfläche der Masseelektrode auch vollständig in der Richtung senkrecht zur Längsachse der Zündkerze.
Durch die Überdeckung der Masseelektroden-Zündfläche durch die Projektion des Mittelelektroden-Zündelements in senkrechter Richtung zur Zündkerzen-Längsachse ergibt sich der Vorteil, dass auch in zur Längsachse der Zündkerze senkrechter Richtung die Zündfläche der Masseelektrode gleichmäßig genutzt und abgenutzt wird. Dadurch ergibt sich eine Reduzierung von lokalen Temperaturerhöhungen und dem damit verbundenen Verschleiß an den Elektroden. Entsprecht steigt die Robustheit der Elektroden und ihrer Lebensdauer.
Bei einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Zündkerze ist vorgesehen, dass die der Mitteleelektrode zugewandte Zündfläche der mindestens einen Masseelektrode eine plane Oberfläche ist. Dies hat den Vorteil, dass die Elektroden einfach zu fertigen und einfach zu einander auszurichten sind.
Bei einer anderen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Zündkerze ist vorgesehen, dass die der Mittelelektrode zugewandte Zündfläche der mindestens einen Masseelektrode konkave ist, insbesondere eine zu Mittelelektroden-Zündelement komplementäre Kontur, insbesondere mit abgerundeten Kanten, aufweist. Dadurch ergibt sich vorteilhaft, dass die Mittelelektrode und die mindestens eine Masseelektrode zu einander einen sehr gleichmäßigen Elektrodenabstand in zur Längsachse der Zündkerze axialer und senkrechter Richtung haben, wodurch die Elektroden sehr gleichmäßig über ihre gesamten Zündflächen abgenutzt werden. Dies entspricht eine Erhöhung der Elektroden-Robustheit und entsprechend der Zündkerzen-Lebensdauer. Vorteilhafterweise ist beispielsweise der Elektrodenabstand nicht größer als 0,2 mm, insbesondere nicht größer als 0,15 mm. Je kleiner der Elektrodenabstand umso geringer ist der Spannungsbedarf für die Erzeugung eines Zündfunkens.
Es ist auch vorteilhaft, dass der Elektrodenabstand mindestens 0,05 mm ist, insbesondere nicht kleiner als 0,1 mm ist. Damit ergibt sich, dass der Elektrodenabstand nicht zu klein ist. Ein sehr kleiner Elektrodenabstand stellt besondere Herausforderungen an die Genauigkeit bei der Zündkerzen-Produktion. Eine Abweichung von der möglichst parallelen Ausrichtung der Elektroden-Zündflächen hat bei einem kleinen Elektrodenabstand größere Auswirkung, wie beispielsweise einen ungleichmäßigen Verschleiß der Zündfläche, als bei einem größeren Elektrodenabstand. Die Untergrenze für den Elektrodenabstand ist somit ein guter Kompromiss für einerseits einen kleinen Elektrodenabstand zur Reduzierung des Zündspannungsbedarfes und des Verschleißes und anderseits einen vertretbaren Aufwand für eine gleichmäßige gute Qualität der Ausrichtung der Zündflächen zueinander bei der Zündkerzen-Produktion.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Zündkerze hat der Zündspalt einen Abstand zur brennraumseitigen Stirnseite des Gehäuses von mindestens 0 mm und maximal -15 mm, insbesondere von nicht kleiner als -1 mm und/oder nicht größer als -4 mm. Dabei ist eine von der brennraumseitigen Stirnseite des Gehäuses aufgespannte Ebene senkrecht zur Längsachse der Zündkerze eine Referenzebene mit dem Wert 0 mm. Der Abstand von der Referenzebene nimmt in Richtung des brennraumabgewandten Endes der Zündkerze einen zunehmend negativen Wert und in Richtung Brennraum einen zunehmenden positiven Wert an.
Der Zündspalt ist das Volumen zwischen der Masseelektrode und der Mittelelektrode, dass sich zwischen den sich überdeckenden Projektionen der sich gegenüberstehenden Zündflächen der Elektroden aufeinander ergibt. D.h. die Zündfläche der Mittelelektrode wird auf die Zündfläche Masseelektrode projiziert und umgekehrt. Das Volumen, das beide Projektionen überstreichen, ist das Volumen des Zündspalts. Dabei ist das Volumen in einer Dimension durch die Zündflächen begrenzt und in den anderen Dimensionen durch die projizierte Überdeckung der Zündflächen aufeinander begrenzt. Der Abstand wird vom brennraumseitigen Ende des Zündspalts zur brennraumseitigen Stirnseite des Gehäuses gemessen. Das Merkmal, dass der Abstand des Zündspalts zur brennraumseitigen Stirnseite des Gehäuses mindestens 0 mm ist, bedeutet, dass der Zündspalt vollständig innerhalb des Gehäuses angeordnet ist, sprich die Zündkerze hat eine neutrale bzw. eine negative Funkenlage. Dies hat den Vorteil, dass die Elektroden möglichst weit aus dem Brennraum herausgezogen sind und somit möglichst wenig Wärme aus den im Brennraum stattfindenden Verbrennungsprozessen aufnehmen. Dadurch wird der Verschleiß der Elektroden reduziert.
Eine vorteilhafte Maßnahme für eine möglichst kalte Zündkerze ist es den Isolatorfuß möglichst kurz auszulegen. Der Isolatorfuß erstreckt sich vom brennraumseitigen Ende des Isolators bis zum Isolator-Sitz, mit dem der Isolator auf dem Gehäuse aufliegt. Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, dass der Isolatorfuß eine Länge hat, die nicht länger als 7 mm ist, insbesondere nicht länger als 4 mm ist. Dabei wird die Länge des Isolatorfußes parallel zu Längsachse der Zündkerze gemessen.
Je kürzer der Isolatorfuß ist umso weniger ragt er in den Atmungsraum der Zündkerze. Der Atmungsraum der Zündkerze ist mit dem im Brennraum vorhandenen Gas-Gemisch gefüllt. Je weniger der Isolatorfuß in den Atmungsraum ragt umso weniger Kontaktfläche hat der Isolatorfuß mit dem heißen Gas-Gemisch und kann entsprecht weniger Wärme vom Gas- Gemisch aufnehmen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ragt die Mittelelektrode aus dem Isolator heraus. Dabei hat die Mittelelektrode ein Vorstehmaß, das von der brennraumseitigen Stirnfläche des Isolators bis zu einem brennraumseitigen Ende der Mittelelektrode gemessen wird. Das Vorstehmaß der Mittelelektrode ist nicht größer als 6,0 mm, insbesondere nicht größer als 4,0 mm, und insbesondere nicht kleiner ist als 0,5 mm, vorzugsweise nicht kleiner als 1,1 mm.
Die Begrenzung des Vorstehmaßes auf eine maximale Länge von 6,0 mm hat den Vorteil, dass die Mittelelektrode nicht zu weit in den Atmungsraum ragt und somit nicht so viel Wärme von dem Gas-Gemisch im Atmungsraum aufnehmen kann, so dass die Zündkerze einen kleinen Wärmewert hat. Der Vorteil von der minimalen Länge des Vorstehmaßes ist, dass bei einer Mindestlänge von 0,5 mm, der Abstand zur brennraumseitigen Stirnfläche des Isolators groß genug ist, um bei seitlich radialer Einstellung der Masseelektroden in Bezug auf die Mittelelektrode die Gleitfunken entlang des Isolators auszuschließen. Die Zündkerze weist einen Atmungsraum auf, der sich von der brennraumseitigen Stirnseite des Gehäuses bis zur Isolatorfußkehle innerhalb des Gehäuses erstreckt, wobei die Mittelelektrode und der Isolatorfuß innerhalb des Atmungsraums und die mindestens eine Masseelektrode mindestens teilweise, insbesondere vollständig, innerhalb des Atmungsraums angeordnet sind. Insbesondere steht der Atmungsraum in der durch die Gehäuse-Stirnseite senkrecht zur Längsachse der Zündkerze aufgespannte Ebene mit einem Brennraum im Kontakt, wenn die Zündkerze in einem Verbrennungsmotor eingebaut ist. Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass der Atmungsraum ein Volumen von nicht größer als 500 mm3, insbesondere von nicht größer als 300 mm3, und insbesondere nicht kleiner als 50 mm3. Bei der Berechnung des Volumens wird das Volumen der Elektroden und des Isolators nicht mitgerechnet.
Durch die Begrenzung des Atmungsraum-Volumens ergibt sich der Vorteil, dass der Atmungsraum nicht zu groß ist und somit sich gut mit einem frischen Gas-Gemisch spülen lässt, damit sich nicht zu viel durch die Zündung verbrauchtes Gas-Gemisch im Atmungsraum ansammelt. Einerseits werden dadurch die Ablagerung von bei einer Verbrennung entstandene Partikel, wie Ruß, vermieden und andererseits hat ein frisches Gas-Gemisch eine geringere Temperatur als ein verbrauchtes Gas-Gemisch, damit wird der Wärmeeintrag in die Zündkerze über den Atmungsraum reduziert.
Bei einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Zündkerze mindestens zwei Masseelektroden aufweist, die jeweils einen Zündspalt mit der Mittelelektrode ausbilden, wobei die mehreren Masseelektrode in Bezug auf die Mittelelektrode gleich oder unterschiedlich angeordnet sind, d.h. die Zündspalte können gleich oder unterschiedlich sein, aber bevorzugt erfüllen alle Zündspalte die hier aufgeführten vorteilhaften Merkmale, wie Position in Relation zur brennraumseitigen Stirnseite des Gehäuses und Elektrodenabstand.
Dadurch, dass die Zündkerze mehrere Masseelektroden hat, kann der Verschleiß der Zündfläche auf mehrere Masseelektroden verteilt werden und die Zündfläche der einzelnen Masseelektrode benötigt nicht so viel Volumen aus einem verschleißresistenten Material wie bei einer einzigen Masseelektrode. Die Lebensdauer der Zündkerze wird erhöht.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die mindestens zwei Masseelektroden symmetrisch an der Innenseite des Gehäuses angeordnet. Dabei ist die Längsachse der Zündkerze die Symmetrieachse bei der Anordnung der Masseelektroden. Aufgrund der symmetrischen Anordnung der Masseelektroden ergibt sich der technische Effekt, dass die Strömung des Kraftstoff-Luft-Gemisches innerhalb des Atmungsraum sehr gleichmäßig erfolgt, wodurch eine gute Entflammung und eine gute Entflammungsstabilität des Kraftstoff-Luft-Gemisches in der Zündkerze weiter begünstigt wird.
Bei einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung können die mehreren Masseelektroden auch asymmetrische an der Innenseite des Gehäuses angeordnet sein. Beispielsweise ist eine asymmetrische Anordnung der mehreren Masseelektroden in der Zündkerze vorteilhaft, wenn die Zündkerze im Zylinder dezentral zur Zylinderachse angeordnet ist.
Beispielsweise weist vorteilhafterweise die mindestens eine Masseelektrode und/oder die Mittelelektrode je ein Zündelement aus einem anderen Material als die restliche Elektrode auf, die mit der gegenüberliegenden Elektrode den Zündspalt bilden, und dass das/die Zündelement(e) aus einem Edelmetall oder einer Edelmetalllegierung besteht, insbesondere aus Pt, Ir, Rh, Pd, Re, Au oder einer Legierung daraus. Besonders vorteilhaft ist hier eine Legierung mit einem hohen I r-Anteil, sprich Ir ist das Element mit dem höchsten Einzelanteil in der Legierung. Diese Elemente bzw. Legierung mit diesen Elementen sind besonders verschleißresistent.
Vorteilhafterweise weist das Zündelement für die Masseelektrode und/oder die Mittelelektrode abgerundete oder gefaste Kanten auf. Der Abrundungsradius r bei einem Zündelement mit abgerundeten Kanten liegt bei d/10 < r < d/2, wobei d der Zylinderdurchmesser des Zündelements ist. Beim Zündelement mit gefasten Kanten hat die Fase eine Breite b und eine Höhe h, wobei gilt d/10 < b < d/2 und/oder d/10 < h < d/2 mit dem Zylinderdurchmesser d des Zündelements.
Die erfindungsgemäße Zündkerze und ihre Weiterentwicklung ist beispielsweise eine Wasserstoff-Zündkerze, die dazu eingerichtet ist in einem mit Wasserstoff enthaltenden Kraftstoff betriebenen Motor eingesetzt zu werden und das zündfähige Wasserstoff enthaltende Kraftstoff-Luft-Gemisch zu zünden. Der Kraftstoff kann bis zu 100% Wasserstoff enthalten, sprich der Kraftstoff kann nur Wasserstoff oder eine Wasserstoff-Gas-Gemisch sein.
Allerdings ist die erfindungsgemäße Zündkerze nicht auf den Betrieb mit Wasserstoff beschränkt. Die erfindungsgemäße Zündkerze kann auch für Erdgas- oder Benzin- Verbrennungsmotoren verwendet werden. Zeichnung
Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Zündkerze
Figur 2 zeigt ein erstes Beispiel für die Elektroden der erfindungsgemäßen Zündkerze
Figur 3 zeigt ein zweites Beispiel für die Elektroden der erfindungsgemäßen Zündkerze
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Figur 1 zeigt in einer halb geschnittenen Ansicht eine Zündkerze 1. Die Zündkerze 1 umfasst ein Gehäuse 2. In das Gehäuse 2 ist ein Isolator s eingesetzt. Das Gehäuse 2 und der Isolator 3 weisen jeweils entlang ihrer Längsachse eine Bohrung auf. Das Gehäuse 2 hat eine Außenseite 24 und eine Innenseite 23. Die Längsachse des Gehäuses 2, die Längsachse des Isolators 3 und die Längsachse x der Zündkerze 1 fallen zusammen. In den Isolator 3 ist eine Mittelelektrode 4 eingesetzt. Des Weiteren erstreckt sich in den Isolator 3 ein Anschlussbolzen 8 zur elektrischen Kontaktierung der Zündkerze, über diese wird die Zündkerze 1 mit einer Spannungsquelle elektrisch kontaktiert. Die elektrische Kontaktierung bildet das Brennraum-abgewandte Ende der Zündkerze 1. Die elektrische Kontaktierung kann einstückig, wie in diesem Beispiel, oder auch aus mehreren Komponenten ausgebildet sein.
Der Isolator 3 wird typischerweise in drei Bereich unterteilt: Isolatorfuß 31, Isolatorkörper und Isolatorkopf. Die drei Bereiche unterscheiden sich beispielsweise durch unterschiedliche Durchmesser. Der Isolatorfuß 31 ist das Brennraum-zugewandte Ende des Isolators 3. Innerhalb des Isolatorfußes 31 ist die Mittelelektrode 4 angeordnet. Der Isolatorfuß 31 ist hier vollständig innerhalb des Gehäuses 2 angeordnet. In der Regel hat der Isolatorfuß 31 den kleinsten Außendurchmesser am Isolator 3. Der Isolatorfuß hat hier eine Länge Sie von maximal 7 mm.
Angrenzend an den Isolatorfuß 31 ist der Isolatorkörper angeordnet, der in der Regel vollständig vom Gehäuse 2 umfasst ist. Der Isolatorkörper hat einen größeren Außendurchmesser als der Isolatorfuß 31. Der Übergang zwischen Isolatorfuß 31 und Isolatorkörper ist als Schulter, dem sogenannten Isolatorsitz 35, ausgebildet. Der Übergang zwischen Isolatorsitz 35 und Isolatorfuß 31 wird als Isolatorfußkehle bezeichnet. Der Isolatorkopf grenzt am Brennraum-abgewandten Ende des Isolatorkörpers an und bildet das Brennraum-abgewandte Ende des Isolators 3. Der Isolatorkopf ragt aus dem Gehäuse 2 heraus. Der Außendurchmesser des Isolatorkopfs liegt zwischen den Außendurchmessern von Isolatorfuß 31 und Isolatorkörper, wobei die Bereiche typischerweise über ihre Länge keinen konstanten Außendurchmesser haben, sondern der Außendurchmesser variieren kann.
Das Gehäuse 2 weist an seiner Innenseite einen Sitz 25 auf. Der Isolator liegt mit seiner Schulter bzw. Isolatorsitz 35 auf dem Gehäuse-Sitz 25 auf. Zwischen dem Isolatorsitz 35 und dem Gehäuse-Sitz 25 ist eine Innendichtung 10 angeordnet.
Zwischen der Mittelelektrode 4 und dem Anschlussbolzen 8 zur elektrischen Kontaktierung der Zündkerze befindet sich im Isolator 3 ein Widerstandselement 7. Das Widerstandselement 7 verbindet die Mittelelektrode 4 elektrisch leitend mit dem Anschlussbolzen 8. Das Widerstandselement 7 ist beispielsweise als Schichtsystem aus einer ersten Kontaktschicht 7a, einer Widerstandsschicht 7b und einer zweiten Kontaktschicht 7a aufgebaut. Die Schichten des Widerstandselements unterscheiden sich durch ihre Materialzusammensetzung und dem daraus resultierenden elektrischen Widerstand. Die erste Kontaktschicht 7a und die zweite Kontaktschicht 7a können einen unterschiedlichen oder einen gleichen elektrischen Widerstand aufweisen.
An der Innenseite 23 des Gehäuses 2 sind in diesem Beispiel zwei Masseelektroden 5 in jeweils einer Bohrung 52 angeordnet, so dass die Masseelektroden 5 radial von der Gehäuse-Innenseite 23 in die Bohrung entlang der Längsachse X des Gehäuses 2 hineinragen. Die Masseelektroden 5 und die Mittelelektrode 4 bilden zusammen jeweils einen Zündspalt 54 aus. Der jeweilige Zündspalt zwischen der Mittelelektrode und der jeweiligen Masseelektrode erstreckt sich radial zur Längsachse x. Die Breite des jeweiligen Zündspalts 54 ist der Elektrodenabstand und liegt im Bereich von 0,05 mm bis 0,3 mm. Die Bohrungen 52 erstrecken sich von der Außenseite 24 durch die Gehäusewand bis zur Innenseite 23 des Gehäuses 2.
Alternativ kann die Zündkerze 1 auch mehr als nur eine oder mehr als zwei Masseelektroden 5 aufweisen.
Es gibt in diesem Beispiel gemäß Figur 1 jeweils eine Zündspalt 54 zwischen der Mittelelektrode 4 und den zwei Masseelektroden 5. Dabei überdeckt die Projektion des Zündelements 41 der Mittelelektrode 4 jeweils die Zündfläche der jeweiligen Masseelektrode 5 vollständig in axialer Richtung, und insbesondere auch in Richtung senkrecht zur Zündkerzen-Längsachse. Das brennraumseitige Ende des Zündspalts liegt in einer Ebene senkrecht zur Längsachse x mit dem brennraumseitigen Ende der Zündfläche der Masseelektrode 5. Der Abstand 81a des Zündspalts zur von der brennraumseitigen Stirnseite 27 des Gehäuses 2 senkrecht zur Längsachse x aufgespannte Ebene ist hier größer als 0 und gleich oder kleiner als -15 mm.
Die Mittelelektrode 4 ragt aus dem Isolatorfuß 31 heraus und hat ein Vorstehmaß 8± von mindesten 0,5 mm bis maximal 6,0 mm.
Das Gehäuse 2 weist einen Schaft auf. An diesem Schaft sind ein Mehrkant 21, ein Schrumpfeinstich und ein Gewinde 22 ausgebildet. Das Gewinde 22 dient zum Einschrauben der Zündkerze 1 in einen Motor.
Die Bohrungen 52 in der Gehäusewand sind im Bereich des Gewindes 22 ausgebildet. Dabei kann die Bohrung 52 für die Masseelektroden 5 und damit auch die Masseelektroden 5 auf jeder beliebigen Höhe im Bereich des Gewindes 22 angeordnet sein. Je nach der Position der Masseelektroden 5 im Bereich des Gewindes 22 ragt entsprechend die Mittelelektrode 4 und mit ihr auch der Isolatorfuß 31 mehr oder weniger weit in den Atmungsraum 81 hinein. Je nach gewünschten Verwendungszweck der Zündkerze 1 kann die Position der Bohrungen im Bereich des Gewindes 22 und der Masseelektroden 5 auf der Innenseite 23 des Gehäuses 2 gewählt werden.
Die Bohrungen 52 sind beispielsweise in jeweils einer Vertiefung 510, wie beispielsweise eine konische oder eine runde Nut, angeordnet. Dabei ist der Außendurchmesser des Gehäuses 2 in den Vertiefungen kleiner als der Kerndurchmesser des Gewindes 22.
Die Vertiefungen 510 können beispielsweise durch ein Stanzen des Gehäuses 2 bei der Herstellung der Zündkerze 1 entstehen. Dabei wird nicht nur der Außendurchmesser des Gehäuses 2 im Bereich der Vertiefungen 510 reduziert, sondern auch der Innendurchmesser des Gehäuses 2 im Bereich der Vertiefungen 510, so dass innerhalb des Gehäuses ein Vorsprung 26 je Vertiefung 510 entsteht.
Innerhalb des Gehäuses 2 gibt es einen Atmungsraum 81 mit einem Volumen. Der Atmungsraum 81 erstreckt sich von der brennraumseitigen Stirnseite 27 des Gehäuses bis ins Gehäuse 2 hinein und innerhalb des Gehäuses 2 bis zur Isolatorfußkehle, die an dem Isolatorsitz 35 angrenzt, der auf dem Gehäusesitz 25 aufliegt. Der Zwischenraum zwischen Gehäuse 2 und Isolator 3 ist an dieser Stelle mittels einer Innendichtung 10 gasdicht abgedichtet. Das Volumen der Masseelektroden 5, der Mittelelektrode 4 und des Isolatorfußes 31 werden bei der Berechnung des Atmungsraumvolumens abgezogen. Das Volumen des Atmungsraums 81 beträgt maximal 500 mm3.
Das Gehäuse 2 oder die Bohrungen 52 für die Masseelektroden 5 können von der Herstellung Rillen oder Riefen aufweisen, wodurch sich eine Oberflächenrauigkeit ergibt. Die Rillen und Riefen entstehen beispielsweise, wenn die Bohrungen am bzw. im Gehäuse 2 durch ein Drehprozess bearbeitet wird, bei dem Material vom Gehäuse 2 abgetragen wird.
Figur 2 zeigt ein erstes Beispiel für die Anordnung der Elektroden 4, 5 der erfindungsgemäßen Zündkerze 1. In der oberen Hälfte ist eine Draufsicht auf die Elektroden aus Richtung eines Brennraums und in der unteren Hälfte ist eine geschnittene Seitenansicht der Elektroden-Anordnung dargestellt.
Die Mittelelektrode 4 hat einen Elektrodenkörper und an dessen brennraumseitigen Ende ein Zündelement 41. Das Zündelement 41 ist beispielsweise mittels einer stoffschlüssigen Verbindung wie Schweißen mit dem Elektrodenkörper verbunden. Das Zündelement 41 ist zylinderförmig mit runder Grundfläche. Das Zündelement 41 hat eine Längsachse senkrecht zu seinen runden Grundflächen, wobei sich die Längsachse parallel zur Längsachse x der Zündkerze 1 erstreckt.
In diesem Beispiel sind zwei Masseelektroden 5 gezeigt. Es können aber auch mehr oder weniger sein. Im Folgenden wird sich bei der Beschreibung der Figur der einfachheitshalber auf eine Masseelektrode bezogen. Die Ausführungen gelten für beide Masseelektroden.
Die Masseelektrode 5 ist innerhalb des Gehäuses am Gehäuse 2 angeordnet und bildet eine Seitenelektrode in Bezug auf die Mittelelektrode 4. Entsprecht bildet sich ein radialer Zündspalt 54. Der Zündspalt 54 wird durch das Zündelement 41 der Mittelelektrode 4 und der Zündfläche der Masseelektrode 5 begrenzt. In diesem Beispiel weist die Masseelektrode 5 auch ein Zündelement 51 auf, dass die Zündfläche bildet. Das Zündelement 51 der Masseelektrode 5 hat in Richtung der Mittelelektrode 4 eine plane Oberfläche und entsprechend eine plane Zündfläche. Der Elektrodenabstand ist hier der kleinste Abstand zwischen den Zündflächen der beiden Elektroden 4, 5. Die Projektion 54a der Zündfläche der Masseelektrode 5 passt in axialer Richtung und in zur Zündkerzen-Längsachse x senkrechter Richtung auf das Zündelement 41 der Mittelelektrode 4. Mit anderen Worten die Projektion des Mittelelektroden-Zündelements 41 überdeckt in axialer und senkrechter Richtung die Zündfläche der Masseelektrode 5 vollständig. Dabei hat das brennraumabgewandte Ende der Projektion 54a der Masseelektroden-Zündfläche einen Abstand 45 von dem Elektrodenkörper der Mittelelektrode 4 bzw. dem Verbindungsbereich zwischen Elektrodenkörper und Zündelement 41 der Mittelelektrode 4.
Figur 3 zeigt ein zweites Beispiel für die Anordnung der Elektroden 4, 5 der erfindungsgemäßen Zündkerze 1. In der oberen Hälfte ist eine Draufsicht auf die Elektroden 4, 5 aus Richtung eines Brennraums und in der unteren Hälfte ist eine geschnittene Seitenansicht der Elektroden-Anordnung dargestellt.
Dieses Beispiel unterscheidet sich vom ersten Beispiel in Figur 2 nur durch die Ausgestaltung des Zündelementes 51 der Masseelektrode 5. Dies ist besonders gut in der Draufsicht zu sehen. Das Zündelement 51 der Masseelektrode 5 hat keine plane Oberfläche, sondern eine konkave Oberfläche. Dabei ist die Kontur der konkaven Oberfläche komplementär zu dem Mittelelektroden-Zündelement 41 ausgebildet. Dadurch ergibt sich, dass der Elektrodenabstand in axialer und zur Zündkerzen-Längsachse senkrechter Richtung konstant ist und somit die Elektroden 4, 5 gleichmäßig verschleißt werden.

Claims

Ansprüche
1. Zündkerze (1) mit einer Längsachse x, aufweisend
• ein Gehäuse (2) mit einer brennraumseitigen Stirnseite (27),
• einen mindestens teilweise innerhalb des Gehäuses (2) angeordneten Isolator (3),
• eine mindestens teilweise innerhalb des Isolators (3) angeordnete Mittelelektrode (4) mit einem Elektrodenkörper und einem an dem brennraumseitigen Ende des Elektrodenkörpers angeordneten Zündelement (41), das als Zündfläche dient, wobei das Zündelement (41) eine zylindrische Form mit einer runden Grundfläche und einer Längsachse, die sich parallel zur Zündkerzen-Längsachse x erstreckt, und
• mindestens eine Masseelektrode (5) mit einer Zündfläche, die innerhalb des Gehäuses (2) am Gehäuse (2) angeordnet sind,
• wobei die mindestens eine Masseelektrode (5) und die Mittelelektrode (4) so angeordnet sind, dass die mindestens eine Masseelektrode (5) mit der Mittelelektrode (4) einen Zündspalt (54) ausbildet, der sich radial zur Zündkerzen- Längsachse x erstreckt,
• wobei eine Breite des Zündspalts (54) durch einen Elektrodenabstand der Mittelelektrode (4) zu der mindestens einen Masseelektrode (5) gegeben ist,
• wobei der Elektrodenabstand der Mittelelektrode (4) zu der mindestens einen Masseelektrode (5) nicht größer als 0,3 mm ist, und die Zündspalte (54) vollständig innerhalb des Gehäuses (2) ausgebildet sind, und
• dass die Projektion (54a) der Zündfläche der mindestens einen Masseelektrode (5) in axialer Richtung vollständig auf das Zündelement (41) der Mittelelektrode (4) passt.
2. Zündkerze (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das brennraumabgewandte Ende der Projektion (54a) der Zündfläche der mindestens einen Masseelektrode (5) auf dem Zündelement (41) der Mittelelektrode (4) in axialer Richtung beabstandet von dem brennraumabgewandten Ende des Zündelements (41) der Mittelelektrode (4) ist, insbesondere dass der Abstand (45) mindestens 5% der Länge des Zündelements (41) beträgt.
3. Zündkerze (1) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektion (54a) der Zündfläche der mindestens einen Masseelektrode (5) in senkrechter Richtung zur Zündkerzen-Längsachse x vollständig auf das Zündelement (41) der Mittelelektrode (4) passt.
4. Zündkerze (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die der Mitteleelektrode (4) zugewandte Zündfläche der mindestens einen Masseelektrode (5) eine plane Oberfläche ist.
5. Zündkerze (1) nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die der Mittelelektrode (4) zugewandte Zündfläche der mindestens einen Masseelektrode (5) konkave ist, insbesondere eine zu Mittelelektroden-Zündelement (41) komplementäre Kontur aufweist.
6. Zündkerze (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrodenabstand nicht größer als 0,2 mm, insbesondere nicht größer als 0,15 mm ist, und/oder dass der Elektrodenabstand mindestens 0,05 mm ist, insbesondere nicht kleiner als 0,1 mm ist.
7. Zündkerze (1) nach einem der vorherigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der Zündspalt (54) einen Abstand (81a) zur brennraumseitigen Stirnseite (27) des Gehäuses (2) von größer 0 mm und maximal -15 mm, insbesondere von nicht kleiner als -1 mm und/oder nicht größer als -4 mm, wobei eine von der brennraumseitigen Stirnseite (27) des Gehäuses (2) aufgespannte Ebene senkrecht zur Längsachse x der Zündkerze (1) eine Referenzebene mit dem Wert 0 mm ist und der Abstand (81a) von der Referenzebene in Richtung des brennraumabgewandten Endes der Zündkerze (1) einen zunehmend negativen Wert annimmt.
8. Zündkerze (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündkerze (1) eine mindestens zwei Masseelektroden (5) aufweist, die jeweils einen Zündspalt (54) mit der Mittelelektrode (4) ausbilden, wobei insbesondere die Masseelektroden (5) symmetrisch um die Mittelelektrode (4) herum angeordnet sind.
9. Zündkerze (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Masseelektrode (5) und/oder die Mittelelektrode (4) je eine Zündelement (41, 51) aufweisen, die mit der gegenüberliegenden Elektrode (4, 5) bzw. mit deren Zündelement den Zündspalt (54) bilden, und dass das/die Zündelement(e) (41, 51) aus einem Edelmetall oder einer Edelmetalllegierung besteht, insbesondere aus Pt, Ir, Rh, Pd, Re, Au oder einer Legierung daraus.
10. Zündkerze (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Masseelektrode (5) und/oder die Mittelelektrode (4) je eine Zündelement (41, 51) aufweisen, wobei das Zündelement abgerundete oder gefaste Kanten hat.
11. Zündkerze (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündkerze (1) eine Wasserstoff-Zündkerze ist, die dazu eingerichtet ist in einem mit Wasserstoff betriebenen Motor eingesetzt zu werden und das zündfähige Wasserstoff enthaltende Kraftstoff-Luft-Gemisch zu zünden.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102004050291A1 (de) * 2004-10-15 2006-06-29 Bayerische Motoren Werke Ag Zündkerze für einen Wasserstoffmotor
US20120299459A1 (en) * 2010-01-15 2012-11-29 Yasushi Sakakura Spark plug and method of manufacturing spark plug
US20130206122A1 (en) * 2010-11-23 2013-08-15 Domenico Chiera Controlled Spark Ignited Flame Kernel Flow
DE102019122976A1 (de) * 2018-08-27 2020-02-27 Ngk Spark Plug Co. Ltd. Zündkerze

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006228522A (ja) 2005-02-16 2006-08-31 Denso Corp 内燃機関用のスパークプラグ
AT510582B1 (de) 2011-02-21 2012-05-15 Francesconi Christian Zündkerze

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102004050291A1 (de) * 2004-10-15 2006-06-29 Bayerische Motoren Werke Ag Zündkerze für einen Wasserstoffmotor
US20120299459A1 (en) * 2010-01-15 2012-11-29 Yasushi Sakakura Spark plug and method of manufacturing spark plug
US20130206122A1 (en) * 2010-11-23 2013-08-15 Domenico Chiera Controlled Spark Ignited Flame Kernel Flow
DE102019122976A1 (de) * 2018-08-27 2020-02-27 Ngk Spark Plug Co. Ltd. Zündkerze

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