WO2023117290A1 - Zündkerze mit sich verjüngenden atmungsraum - Google Patents

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WO2023117290A1
WO2023117290A1 PCT/EP2022/083106 EP2022083106W WO2023117290A1 WO 2023117290 A1 WO2023117290 A1 WO 2023117290A1 EP 2022083106 W EP2022083106 W EP 2022083106W WO 2023117290 A1 WO2023117290 A1 WO 2023117290A1
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WO
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Prior art keywords
housing
spark plug
combustion chamber
breathing space
breathing
Prior art date
Application number
PCT/EP2022/083106
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English (en)
French (fr)
Inventor
Alexander Schramm
Andreas Benz
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
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    • 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
    • H01T13/54—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
    • 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

Definitions

  • the ground electrode is arranged on the front side of the housing on the combustion chamber side and the ignition gap is formed outside of the housing.
  • the center electrode often protrudes from the housing and into the combustion chamber. This allows the electrodes and the insulator to absorb a lot of heat from the combustion chamber.
  • the breathing space which extends between the housing and the insulator with the center electrode, is generally configured cylindrically and plays a subordinate role in spark plugs whose ignition gap is formed outside the housing.
  • spark plugs are optimized for use in petrol-powered internal combustion engines.
  • the housing has a first inner diameter D1 at its end on the combustion chamber side and a second inner diameter D2 within the housing in the plane El, with the first inner diameter D1 being larger than the second inner diameter D2, so that a breathing space formed within the housing tapers from its end toward the combustion chamber to its end facing away from the combustion chamber.
  • the spark plug according to the invention with a longitudinal axis has a housing with a longitudinal bore, as a result of which the housing has a housing wall with an inner side, an insulator arranged inside the housing with an insulator tip on the combustion chamber side, which is flush with a plane El extending perpendicularly to the longitudinal axis, an at least partially a center electrode arranged inside the insulator, and a ground electrode arranged inside the case, wherein the ground electrode and the center electrode are arranged to form a spark gap and the spark gap is formed inside the case.
  • the housing has a first inner diameter D1 at its end on the combustion chamber side and a second inner diameter D2 within the housing in plane El, with the first inner diameter D1 being larger than the second inner diameter D2, so that a breathing space is formed within the housing tapers from its end on the combustion chamber side to its end facing away from the combustion chamber.
  • the breathing space is the space inside the spark plug shell and is delimited by the shell wall and the insulator.
  • the area of the breathing space from its end facing away from the combustion chamber to the ignition gap is referred to as the dead space, since the fuel-air mixture cannot flow in and out of this area with difficulty.
  • the dead space Due to the narrowing of the breathing space, the dead space is reduced and there is less of the fuel-air mixture in the area of the insulator and the electrodes, which means that less heat energy is generated by convection and radiation after ignition the electrodes, the insulator and the housing are entered.
  • the housing volume is also increased and leads to a further reduction in temperature in the breathing space and in the components.
  • the resulting lower temperature load reduces wear on the electrodes and the risk of pre-ignition or glow ignition.
  • the arrangement of the electrodes within the housing has the further advantage that the insulator, the ground electrode and the center electrode can be made shorter. As a result, they protrude less far into the combustion chamber.
  • the components absorb less heat from the combustion chamber and, on the other hand, heat is dissipated more effectively from the components via the housing into a cylinder head in which the spark plug according to the invention is mounted.
  • combustion chamber means the combustion chamber of an internal combustion engine cylinder, in the cylinder head of which the spark plug according to the invention can be mounted.
  • the breathing space of the spark plug is not part of the "combustion space" in the context of this application.
  • the second inner diameter D2 corresponds to 35% to 80% of the first inner diameter D1.
  • the second inner diameter D2 also determines the space that is available for the insulator, in particular for the insulator tip in the housing.
  • the insulator tip has a diameter D3 that is smaller than the second inside diameter D2. Due to the tapered shape of the breathing space, the insulator tip has a smaller area that can absorb heat from the breathing space. Furthermore, the smaller area of the insulator protruding into the breathing space means that the insulator and the center electrode are less stressed by the pulsating pressures occurring during combustion. This reduces the stress on the mechanical fixation of the insulator in the spark plug housing and makes the spark plug more robust.
  • the insulator tip delimits the breathing chamber at least partially at its end facing away from the combustion chamber.
  • the breathing space is limited by the housing and the isolator. In the direction of the combustion chamber, the housing and the breathing space are open.
  • the insulator tip is flush with a surface of the housing that delimits the breathing chamber at its end facing away from the combustion chamber.
  • only the insulator tip the breathing space at its limit the end facing away from the combustion chamber and the inside of the housing wall limits the breathing space in the radial direction. This ensures that the breathing space has no or only a small amount of dead space.
  • the heat-absorbing surface of the insulator that is in contact with the breathing space is reduced to a minimum.
  • the insulator tip also does not protrude into the breathing space, so that the flow of the fuel-air mixture in the breathing space is not disturbed by possible edges of the insulator tip.
  • the housing wall of the housing delimits the breathing space laterally, so that the tapering shape of the breathing space results.
  • the shape of the breathing space results from straight surfaces of the housing, in particular with a first transition from the inside of the housing wall to a front side of the housing on the combustion chamber side and/or a second transition from the inside of the housing wall to a Surface of the housing, which limits the breathing space at the end facing away from the combustion chamber, are rounded. This results in the advantage that the surfaces delimiting the breathing space do not have any edges that could irritate the fuel/air mixture flow.
  • the shape of the breathing space is composed of several sub-areas, which line up parallel to the longitudinal axis, whereby a single sub-area can be straight or curved and different sub-areas can have different radii of curvature, so that an overall contour is formed with a curved shape.
  • the shape of the breathing space is composed of a conical section and a cylindrical section with a constant diameter.
  • the conical section is arranged closer to the combustion chamber than the cylindrical section.
  • the breathing space has the shape of the divergent part of a Laval nozzle.
  • the contour is rotationally symmetrical and/or play-symmetrical, with the longitudinal axis of the spark plug being the axis of symmetry. This results in a simple manufacture of the spark plug housing.
  • the contour is rotationally symmetrical and/or play-symmetrical, with the axis of symmetry being at a distance from the longitudinal axis of the spark plug.
  • the contour is asymmetrical.
  • the flow of the fuel-air mixture can also be directed in a targeted manner.
  • the distance T extends from the front face of the housing on the combustion chamber side to the end of the ignition gap on the combustion chamber side. This results in the ignition gap being arranged inside the housing.
  • This negative spark position makes it possible to make the center electrode and the insulator shorter than usual, so that the center electrode and the insulator do not protrude so far into the combustion chamber and the path for heat dissipation is shorter and heat dissipation is therefore more effective.
  • the width of the ignition gap is no greater than 0.5 mm, in particular no greater than 0.2 mm.
  • the width of the ignition gap is at least 0.05 mm, in particular not less than 0.1 mm. This means that the ignition gap is not too small.
  • a very small spark gap poses particular challenges to accuracy in 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 ignition gap, such as uneven wear of the ignition surface, than with a larger ignition gap.
  • the lower limit for the width of the ignition gap is therefore a good compromise for a small ignition gap to reduce the ignition voltage requirement and the Wear and, on the other hand, a reasonable effort for a consistently good quality of the alignment of the ignition surfaces to each other in spark plug production.
  • the spark plug according to the invention and its further development are a hydrogen spark plug that is set up to be used in a hydrogen-powered engine and to ignite the ignitable hydrogen-containing fuel-air mixture.
  • the fuel can contain up to 100% hydrogen, i.e. the fuel can 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.
  • the spark plug according to the invention is optimized for operation with hydrogen.
  • the spark plug can have a cap that is arranged on the combustion chamber end of the housing, so that the spark plug is a prechamber spark plug.
  • FIG. 1 shows a first example of a tapered breathing space of the spark plug according to the invention
  • FIG. 2 shows a second example of a tapered breathing space of the spark plug according to the invention
  • FIG. 3 shows a third example of a tapering breathing space of the spark plug according to the invention
  • the spark plug 1 has a housing 2 which has a longitudinal bore, so that the housing 2 has a housing wall 20 with an inside 21 .
  • the spark plug 1 also has an insulator 3 arranged within the housing 2 with an insulator tip 31 on the combustion chamber side.
  • the insulator tip 31 is flush with a plane El extending perpendicularly to the longitudinal axis X of the spark plug 1 .
  • the insulator tip 31 has a diameter D3.
  • a center electrode 4 is arranged inside the insulator 3 and a ground electrode 5 is arranged inside the housing 2 .
  • the ground electrode 5 is designed here as a side electrode.
  • the ground electrode 5 can also be designed as a roof electrode.
  • the ground electrode 5 can be arranged, for example, in a recess in the inside 21 of the housing wall 20 or inserted into a bore through the housing wall 20 or arranged on a projection on the inside 21 of the housing wall 20 .
  • the center electrodes 4 and the ground electrode 5 together form a radial ignition gap 55, for example.
  • the ignition gap 55 is at a distance T from the combustion chamber-side end face 27 of the housing 2 and is formed within the housing 2 .
  • the breathing space 50 is the space at the combustion chamber end of the spark plug 1, which extends through the housing 2 in the radial direction and through the insulator 3 and, if necessary. a housing section 22 in the axial direction with respect to the longitudinal axis X of the spark plug.
  • the housing 2 has an opening at its end on the combustion chamber side due to the longitudinal bore.
  • the breathing chamber 50 is also open at its end 51 on the combustion chamber side.
  • the plane of the combustion chamber end face 27 of the housing delimits the breathing chamber 50 at its combustion chamber end 51.
  • the housing 2 has a first inner diameter D1 at its combustion chamber end and a second inner diameter D2 within the housing 2 in the plane El.
  • the first inner diameter D1 is greater than the second inner diameter D2, so that the breathing space 50 formed within the housing 2 tapers from its end 51 on the combustion chamber side to its end 52 facing away from the combustion chamber.
  • the second inside diameter D2 of the housing 50 is larger than the diameter D3 of the insulator tip 31.
  • the breathing space 50 is delimited radially by the housing wall 20.
  • FIG. The housing wall 20 has an increasing wall thickness corresponding to the narrowing of the breathing space 50 .
  • a sealing element 10 is arranged between the insulator 3 and the housing 2 and seals the space between the housing 2 and the insulator s.
  • no gases can flow from the breathing chamber 50 along the longitudinal bore of the housing 2 to the end of the housing 2 and the spark plug 1 facing away from the combustion chamber.
  • the insulator tip 31 is flush with the housing surface 22 so that at the end 52 of the breathing space 50 facing away from the combustion chamber, only the center electrode 4 protrudes into the breathing space 50 .
  • the shape of the breathing chamber 50 results from straight surfaces on the inside 21 of the housing wall 20.
  • a first transition 17 from the inside 21 of the housing wall 20 to a front face 27 of the housing 2 on the combustion chamber side can be rounded.
  • the fillet radius of the first transition 17 is RI.
  • a second transition 18 from the inside 21 of the housing wall 20 to a surface 22 of the housing 2 that delimits the breathing chamber 50 at its end 52 facing away from the combustion chamber can be rounded.
  • the fillet radius of the second transition 18 is R2.
  • the fillet radii RI and R2 can be the same or different.
  • the other figures show further exemplary embodiments of the spark plug 1 according to the invention.
  • the same components are denoted by the same reference symbols. In the following, mainly the differences between the exemplary embodiments will be discussed.
  • FIG. 2 shows a second example of a tapering breathing chamber of the spark plug 1 according to the invention.
  • the insulator tip 31 delimits the breathing chamber at its end facing away from the combustion chamber.
  • the inside of the housing wall delimits the breathing space in the radial direction to the longitudinal axis of the spark plug.
  • the inside of the housing wall is made up of several sections that line up parallel to the longitudinal axis. The sections can have a straight surface or a curved surface with different radii of curvature, resulting in a corrugated shape on the inside of the housing wall.
  • FIG. 3 shows a third example of a tapering breathing chamber of the spark plug 1 according to the invention.
  • the insulator tip 31 delimits the breathing chamber at its end facing away from the combustion chamber.
  • the inside of the housing wall delimits the breathing space in the radial direction to the longitudinal axis of the spark plug.
  • the shape of the breathing space (50) is composed of a conical section (53) and a cylindrical section (54) with a constant diameter.
  • the overall result is the shape of a nozzle, such as the diverging part of a Laval nozzle.
  • the ground electrode and the center electrode are arranged, for example, in the cylindrical portion of the breathing space.

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Abstract

Zündkerze (1) mit einer Längsachse X aufweisend: - ein Gehäuse (2) mit einer Längsbohrung, wodurch das Gehäuse (2) eine Gehäusewand (20) mit einer Innenseite (21) hat, - einen innerhalb des Gehäuses (2) angeordneten Isolator (3) mit einer brennraumseitigen Isolatorspitze (30), die bündig mit einer sich senkrecht zur Längsachse X erstreckenden Ebene E1 ist, - eine mindestens teilweise innerhalb des Isolators (3) angeordnete Mittelelektrode (4), und - eine innerhalb des Gehäuses (2) abgeordnete Masseelektrode (5), wobei die Masseelektrode (5) und die Mittelelektrode (4) so angeordnet sind, dass diese einen Zündspalt (55) ausbilden und der Zündspalt (55) innerhalb des Gehäuses (2) ist, wobei das Gehäuse (2) an seinem brennraumseitigen Ende einen ersten Innendurchmesser D1 und innerhalb des Gehäuses (2) in der Ebene E1 einen zweiten Innendurchmesser D2 hat, wobei der erste Durchmesser D1 größer ist als der zweite Durchmesser D2, so dass ein innerhalb des Gehäuses (2) ausgebildeter Atmungsraum (50) sich von seinem brennraumseitigen Ende (51) zu seinem brennraumabgewandten Ende (52) hin verjüngt.

Description

Beschreibung
Titel
Zündkerze mit sich verjüngenden Atmungsraum
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Zündkerze gemäß dem Anspruch 1.
Bei vielen der heute verwendeten Zündkerzen ist die Masseelektrode an der brennraumseitigen Stirnseite des Gehäuses angeordnet und der Zündspalt ist außerhalb des Gehäuses ausgebildet. Häufig ragt auch die Mittelelektrode aus dem Gehäuse raus und in den Brennraum hinein. Dadurch können die Elektroden und der Isolator viel Wärme aus dem Brennraum aufnehmen. Des Weiteren ist in der Regel der Atmungsraum, der sich zwischen dem Gehäuse und dem Isolator mit der Mittelelektrode erstreckt, zylindrisch ausgestaltet und spielt bei Zündkerzen, deren Zündspalt außerhalb des Gehäuses ausgebildet ist, eine untergeordnete Rolle.
Diese Zündkerzen sind auf die Verwendung in Benzin-betriebenen Verbrennungsmotoren optimiert.
Offenbarung der Erfindung
Zunehmend wird geplant Wasserstoff als Kraftstoff im Verbrennungsmotor einzusetzen, wodurch sich neue Herausforderungen bei der Konstruktion und Gestaltung der Zündkerze ergeben. Wasserstoff verbrennt sehr schnell, so dass zu einem späteren Zeitpunkt und bei höherem Brennraumdruck als bei anderen Kraftstoffen gezündet wird. Dabei entstehen hohe Temperaturen im Brennraum. Zusätzlich neigt Wasserstoffen bereits bei vergleichsweisen niedrigen Temperaturen zur Selbstentflammung. Um diese Selbstentflammung zu vermeiden, müssen alle Bauteile der Zündkerze möglichst kalt sein.
Es ist Aufgabe der Erfindung eine Zündkerze bereit zu stellen, die eine niedrige Bauteiltemperatur hat.
Diese Aufgabe wird bei der erfindungsgemäßen Zündkerze der eingangs genannter Art dadurch gelöst, dass das Gehäuse an seinem brennraumseitigen Ende einen ersten Innendurchmesser Dl und innerhalb des Gehäuses in der Ebene El einen zweiten Innendurchmesser D2 hat, wobei der erste Innendurchmesser Dl größer ist als der zweite Innendurchmesser D2, so dass ein innerhalb des Gehäuses ausgebildeter Atmungsraum sich von seinem brennraumseitigen Ende zu seinem brennraumabgewandten Ende hin verjüngt.
Die erfindungsgemäße Zündkerze mit einer Längsachse weist ein Gehäuse mit einer Längsbohrung, wodurch das Gehäuse eine Gehäusewand mit einer Innenseite hat, einen innerhalb des Gehäuses angeordneten Isolator mit einer brennraumseitigen Isolatorspitze, die bündig mit einer sich senkrecht zur Längsachse erstreckenden Ebene El ist, eine mindestens teilweise innerhalb des Isolators angeordnete Mittelelektrode, und eine innerhalb des Gehäuses angeordnete Masseelektrode auf, wobei die Masseelektrode und die Mittelelektrode so angeordnet sind, dass diese einen Zündspalt ausbilden und der Zündspalt innerhalb des Gehäuses ausgebildet ist.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Gehäuse an seinem brennraumseitigen Ende einen ersten Innendurchmesser Dl und innerhalb des Gehäuses in der Ebene El einen zweiten Innendurchmesser D2 hat, wobei der erste Innendurchmesser Dl größer ist als der zweite Innendurchmesser D2, so dass ein innerhalb des Gehäuses ausgebildeter Atmungsraum sich von seinem brennraumseitigen Ende zu seinem brennraumabgewandten Ende hin verjüngt. Der Atmungsraum ist der Raum innerhalb des Zündkerzengehäuses und wird durch die Gehäusewand und dem Isolator begrenzt. Dabei wird der Bereich des Atmungsraums von dessen brennraumabgewandten Ende bis zum Zündspalt als Totraum bezeichnet, da das Kraftstoff-Luft-Gemisch in dieses Gebiet schlecht ein- und ausströmen kann. Durch die Verjüngung des Atmungsraums wird der Totraum reduziert und es befindet sich weniger vom Kraftstoff-Luft-Gemisch im Bereich des Isolators und der Elektroden, dadurch wird nach der Zündung weniger Wärmeenergie durch Konvektion und Strahlung auf die Elektroden, den Isolator und das Gehäuse eingetragen. Das Gehäusevolumen wird zusätzlich vergrößert und führt zu weiterer Temperaturreduzierung im Atmungsraum und bei den Bauteilen. Die dadurch resultierende geringere Temperaturbelastung reduziert den Verschleiß der Elektroden und das Risiko von Vorentflammung oder Glühzündung. Des Weiteren ergibt sich die Möglich die Form des Atmungsraums so zu gestalten, dass die Strömung des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Atmungsraum entsprechend gelenkt wird.
Die Anordnung der Elektroden innerhalb des Gehäuses haben den weiteren Vorteil, dass der Isolator, die Masseelektrode und die Mittelelektrode kürzer ausgebildet werden können. Dadurch ragen diese weniger weit in den Brennraum hinein. Einerseits nehmen die Bauteile weniger Wärme aus dem Brennraum auf und andererseits ist die Wärmeabfuhr aus den Bauteilen über das Gehäuse in einen Zylinderkopf, in den die erfindungsgemäß Zündkerze montiert ist, effektiver. Im Rahmen dieser Anmeldung ist mit dem Begriff „Brenn raum“ der Brennraum eines Verbrennungsmotor- Zylinders gemeint, in dessen Zylinderkopf die erfindungsgemäße Zündkerze montiert werden kann. Der Atmungsraum der Zündkerze zählt im Rahmen dieser Anmeldung nicht zum „Brennraum“.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass der zweite Innendurchmesser D2 35% bis 80 % des ersten Innendurchmessers Dl entspricht. Der zweite Innendurchmesser D2 bestimmt auch den Platz, der für den Isolator, insbesondere für die Isolatorspitze im Gehäuse zur Verfügung steht. Die Isolatorspitze hat einen Durchmesser D3, der kleiner ist als der zweite Innendurchmesser D2. Durch die sich verjüngende Form des Atmungsraums hat die Isolatorspitze eine kleinere Fläche, die Wärme aus dem Atmungsraum aufnehmen kann. Des Weiteren führt die kleinere in den Atmungsraum ragende Fläche des Isolators dazu, dass der Isolator und die Mittelelektrode weniger durch die bei der Verbrennung auftretenden pulsierenden Drücke belastet werden. Die Belastung der mechanischen Fixierung des Isolators im Zündkerzen-Gehäuse wird dadurch verringert und die Zündkerze robuster.
Bei einer Weiterentwicklung ist vorgesehen, dass die Isolatorspitze den Atmungsraum mindestens teilweise an seinem brennraumabgewandten Ende begrenzt. Der Atmungsraum wird durch das Gehäuse und den Isolator begrenzt. In Richtung des Brennraums ist das Gehäuse und der Atmungsraum offen. Beispielsweise ist die Isolatorspitze bündig mit einer Fläche des Gehäuses, die den Atmungsraum an dessen brennraumabgewandten Ende begrenzt. Beispielsweise kann auch nur die Isolatorspitze den Atmungsraum an dessen brennraumabgewandten Ende begrenzen und die Innenseite der Gehäusewand begrenzt den Atmungsraum in radialer Richtung. Dadurch wird erreicht, dass der Atmungsraum keine oder nur einen geringen Totraum aufweist. Des Weiteren wird die mit dem Atmungsraum in Kontakt stehende und wärmeaufnehmende Oberfläche des Isolators auf ein Minimum reduziert. Die Isolatorspitze ragt auch nicht in den Atmungsraum rein, so dass die Strömung des Kraftsoff-Luft-Gemischs im Atmungsraum nicht durch mögliche Kanten der Isolatorspitze gestört wird.
Bei einer Weiterentwicklung ist vorgesehen, dass die Gehäusewand des Gehäuses den Atmungsraum seitlich begrenzt, so dass die sich verjüngende Form des Atmungsraums ergibt.
Bei einer Ausgestaltung der Weiterentwicklung ist vorgesehen, dass die Form des Atmungsraums sich aus geraden Flächen des Gehäuses ergibt, insbesondere wobei ein erster Übergang von der Innenseite der Gehäusewand zu einer brennraumseitigen Stirnseite des Gehäuses und/oder ein zweiter Übergang von der Innenseite der Gehäusewand zu einer Fläche des Gehäuses, die den Atmungsraum an dessen brennraumabgewandten Ende begrenzt, verrundet sind. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die den Atmungsraum begrenzenden Oberflächen keine Kanten aufweisen, durch die die Kraftstoff-Luft-Gemisch-Strömung irritiert werden könnte.
Bei einer alternativen Ausgestaltung der Weiterentwicklung ist vorgesehen, dass die Form des Atmungsraums sich aus mehreren Teilflächen zusammensetzt, die parallel zu Längsachse sich aneinanderreihen, wobei eine einzelne Teilfläche gerade oder gekrümmt sein kann und verschiedene Teilflächen unterschiedliche Krümmungsradien haben können, so dass sich insgesamt eine Kontur mit gekrümmter Form ergibt. Dadurch ergeben sich die oben beschriebene Vorteile.
Bei einer weiteren alternativen Ausgestaltung der Weiterentwicklung ist vorgesehen, dass die Form des Atmungsraums sich aus einem konischen Abschnitt und zylindrischen Abschnitt mit einem konstanten Durchmesser zusammensetzt. Insbesondere ist der konische Abschnitt näher am Brennraum angeordnet als der zylindrische Abschnitt. Dadurch ergibt sich beispielsweise, dass der Atmungsraum die Form des divergenten Teils einer Laval-Düse hat. Dies hat den Vorteil, dass ein größerer Teil des ausströmenden verbrannten Kraftstoff-Luft-gemisches parallel zur Längsachse der Zündkerze geführt wird und so die Eindringtiefe in den Brennraum eines Zylinders vergrößert wird. Bei einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Zündkerze ist vorgesehen, dass die Kontur rotationssymmetrisch und/oder spielsymmetrisch ist, wobei die Längsachse der Zündkerze die Symmetrieachse ist. Dadurch ergibt sich eine einfache Herstellung des Zündkerzengehäuses.
Bei einer anderen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Zündkerze ist vorgesehen, dass die Kontur rotationssymmetrisch und/oder spielsymmetrisch ist, wobei die Symmetrieachse beabstandet zu der Längsachse der Zündkerze ist. Durch die Beabstandung der Symmetrieachse des Atmungsraums von der Längsachse der Zündkerze kann die Strömung des Kraftstoff-Luft-Gemisch gezielt gelenkt werden.
Bei einer weiteren anderen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Zündkerze ist vorgesehen, dass die Kontur unsymmetrisch ist. Dadurch kann die Strömung des Kraftstoff- Luft-Gemisch ebenfalls gezielt gelenkt werden.
Bei einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Zündkerze hat der Zündspalt von einer brennraumseitigen Stirnseite des Gehäuses einen Abstand T mit T= 0,1 mm oder größer und/oder T=15 mm oder kleiner. Der Abstand T erstreckt sich von der brennraumseitigen Stirnfläche des Gehäuses bis zum brennraumseitigen Ende des Zündspalts. Dadurch ergibt sich, dass der Zündspalt innerhalb des Gehäuses angeordnet ist. Durch diese negative Funkenlage ergibt sich die Möglichkeit die Mittelelektrode und den Isolator kürzer als üblich auszugestalten, so dass die Mittelelektrode und der Isolator einerseits nicht so weit in den Brennraum hineinragt und der Weg für die Wärmeabfuhr kürzer und somit die Wärmeabfuhr effektiver ist.
Vorteilhafterweise ist beispielsweise die Breite des Zündspalts nicht größer als 0,5 mm, insbesondere nicht größer als 0,2 mm. Je kleiner der Zündspalt umso geringer ist der Spannungsbedarf für die Erzeugung eines Zündfunkens.
Es ist auch vorteilhaft, dass die Breite des Zündspalts mindestens 0,05 mm ist, insbesondere nicht kleiner als 0,1 mm ist. Damit ergibt sich, dass der Zündspalt nicht zu klein ist. Ein sehr kleiner Zündspalt stellt besondere Herausforderungen an die Genauigkeit bei der Zündkerzen-Produktion. Eine Abweichung von der möglichst parallelen Ausrichtung der Elektroden-Zündflächen hat bei einem kleinen Zündspalt größere Auswirkung, wie beispielsweise einen ungleichmäßigen Verschleiß der Zündfläche, als bei einem größeren Zündspalt. Die Untergrenze für die Breite des Zündspalts ist somit ein guter Kompromiss für einerseits einen kleinen Zündspalt 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.
Die erfindungsgemäße Zündkerze und ihre Weiterentwicklung sind eine Wasserstoff- Zündkerze, die dazu eingerichtet ist in einem mit Wasserstoff 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 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. Allerdings ist die erfindungsgemäße Zündkerze auf den Betrieb mit Wasserstoff optimiert.
Beispielsweise kann die Zündkerze eine Kappe aufweisen, die am brennraumseitigen Ende des Gehäuses angeordnet ist, so dass die Zündkerze eine Vorkammer-Zündkerze ist.
Zeichnungen
Figur 1 zeigt ein erstes Beispiel für einen sich verjüngenden Atmungsraum der erfindungsgemäßen Zündkerze
Figur 2 zeigt ein zweites Beispiel für einen sich verjüngenden Atmungsraum der erfindungsgemäßen Zündkerze
Figur 3 zeigt ein drittes Beispiel für einen sich verjüngenden Atmungsraum der erfindungsgemäßen Zündkerze
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In den Figuren 1 bis 3 ist jeweils schematisch die brennraumseitige Hälfte einer erfindungsgemäße Zündkerze 1 dargestellt. Die Zündkerze 1 weist ein Gehäuse 2 auf, das eine Längsbohrung hat, so dass das Gehäuse 2 eine Gehäusewand 20 mit einer Innenseite 21 aufweist. Die Zündkerze 1 weist des Weiteren einen innerhalb des Gehäuses 2 angeordneten Isolator 3 mit einer brennraumseitigen Isolatorspitze 31. Die Isolatorspitze 31 ist bündig mit einer sich senkrecht zur Längsachse X der Zündkerze 1 erstreckenden Ebene El. Die Isolatorspitze 31 hat einen Durchmesser D3.
Innerhalb des Isolators 3 ist eine Mittelelektrode 4 und innerhalb des Gehäuses 2 ist eine Masseelektrode 5 angeordnet. Die Masseelektrode 5 ist hier als Seitenelektrode ausgebildet. Die Masseelektrode 5 kann auch als Dachelektrode ausgebildet werden. Die Masseelektrode 5 kann beispielsweise in einer Ausnehmung der Innenseite 21 der Gehäusewand 20 angeordnet oder in einer Bohrung durch die Gehäusewand 20 eingesteckt oder an einem Vorsprung an der Innenseite 21 der Gehäusewand 20 angeordnet sein.
Diese lokale Ausnehmung oder dieser lokale Vorsprung auf der Innenseite 21 der Gehäusewand 20 kann bei der Betrachtung der Form des Atmungsraums 50 vernachlässigt werden. Die Mittelelektroden 4 und die Masseelektrode 5 bilden zusammen beispielsweise einen radialen Zündspalt 55 aus. Der Zündspalt 55 hat einen Abstand T von der brennraumseitigen Stirnfläche 27 des Gehäuses 2 und ist innerhalb des Gehäuses 2 ausgebildet.
Der Atmungsraum 50 ist der Raum am brennraumseitigen Ende der Zündkerze 1, der durch das Gehäuse 2 in radialer Richtung und durch den Isolator 3 und ggfls. einem Gehäuseabschnitt 22 in axialer Richtung in Bezug auf die Zündkerzen-Längsachse X begrenzt ist. Das Gehäuse 2 hat an seinem brennraumseitigen Ende aufgrund der Längsbohrung eine Öffnung. Entsprechend ist auch der Atmungsraum 50 an seinem brennraumseitigen Ende 51 offen. Die Ebene der brennraumseitige Stirnseite 27 des Gehäuses begrenzt den Atmungsraum 50 an dessen brennraumseitigen Ende 51. Das Gehäuse 2 hat an seinem brennraumseitigen Ende einen ersten Innendurchmesser Dl und innerhalb des Gehäuses 2 in der Ebene El einen zweiten Innendurchmesser D2. Der erste Innendurchmesser Dl ist größer als der zweite Innendurchmesser D2, so dass der innerhalb des Gehäuses 2 ausgebildete Atmungsraum 50 sich von seinem brennraumseitigen Ende 51 zu seinem brennraumabgewandten Ende 52 hin verjüngt. Der zweite Innendurchmesser D2 des Gehäuses 50 ist größer als der Durchmesser D3 der Isolatorspitze 31. Der Atmungsraum 50 ist radial durch die Gehäusewand 20 begrenzt. Die Gehäusewand 20 hat entsprechend der Verjüngung des Atmungsraums 50 eine zunehmende Wandstärke.
Zwischen Isolator 3 und Gehäuse 2 ist ein Dichtelement 10 angeordnet, das den Zwischenraum zwischen Gehäuse 2 und Isolator s abdichtet. Somit können aus dem Atmungsraum 50 keine Gase entlang der Längsbohrung des Gehäuses 2 bis zum brennraumabgewandten Ende des Gehäuses 2 und der Zündkerze 1 strömen. In dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 wird an seinem brennraumabgewandten Ende 52 der Atmungsraum von einer Fläche 22 Gehäuse 2 und von der Isolatorspitze 31 des Isolators 3 begrenzt. Die Isolatorspitze 31 ist bündig mit der Gehäusefläche 22, so dass am brennraumabgewandten Ende 52 des Atmungsraums 50 nur die Mittelelektrode 4 in den Atmungsraum 50 reinragen.
Die Form des Atmungsraum 50 ergibt sich aus geraden Flächen der Innenseite 21 der Gehäusewand 20. Dabei kann ein erster Übergang 17 von der Innenseite 21 der Gehäusewand 20 zu einer brennraumseitigen Stirnseite 27 des Gehäuses 2 verrundet sein. Der Verrundungsradius des ersten Übergangs 17 ist RI. Zusätzlich oder alternative kann ein zweiter Übergang 18 von der Innenseite 21 der Gehäusewand 20 zu einer Fläche 22 des Gehäuses 2, die den Atmungsraum 50 an dessen brennraumabgewandten Ende 52 begrenzt, verrundet sein. Der Verrundungsradius des zweiten Übergangs 18 ist R2. Die Verrundungsradien RI und R2 können gleich oder verschieden sein.
Die weiteren Figuren zeigen weitere Ausführungsbeispiele für die erfindungsgemäße Zündkerze 1. Gleiche Bauteile sind mit dem gleichen Bezugszeichen beschriftet. Im Weiteren wird hauptsächlich auf die Unterschiede der Ausführungsbeispiele eingegangen.
Die Figur 2 zeigt ein zweites Beispiel für einen sich verjüngenden Atmungsraum der erfindungsgemäßen Zündkerze 1. Im Unterschied zum ersten Beispiel gemäß Figur 1 begrenzt nur die Isolatorspitze 31 den Atmungsraum an dessen brennraumabgewandten Ende. Die Innenseite der Gehäusewand begrenzt den Atmungsraum in radialer Richtung zur Längsachse der Zündkerze. Die Innenseite der Gehäusewand setzt sich aus mehreren Abschnitten zusammen, die parallel zu Längsachse sich aneinanderreihen. Die Abschnitte können eine gerade Fläche oder eine gekrümmte Fläche mit unterschiedlichen Krümmungsradien haben, so dass sich eine gewellte Form der Gehäusewand-Innenseite ergibt.
Die Figur 3 zeigt ein drittes Beispiel für einen sich verjüngenden Atmungsraum der erfindungsgemäßen Zündkerze 1. Im Unterschied zum ersten Beispiel gemäß Figur 1 begrenzt nur die Isolatorspitze 31 den Atmungsraum an dessen brennraumabgewandten Ende. Die Innenseite der Gehäusewand begrenzt den Atmungsraum in radialer Richtung zur Längsachse der Zündkerze. Die Form des Atmungsraum (50) sich aus einem konischen Abschnitt (53) und zylindrischen Abschnitt (54) mit einem konstanten Durchmesser zusammensetzt. Insgesamt ergibt sich die Form einer Düse, wie beispielsweise dem divergierende Teil einer Laval-Düse. Die Masseelektrode und die Mittelelektrode sind beispielsweise im zylindrischen Abschnitt des Atmungsraum angeordnet.

Claims

Ansprüche
1. Zündkerze (1) mit einer Längsachse X aufweisend:
• ein Gehäuse (2) mit einer Längsbohrung, wodurch das Gehäuse (2) eine Gehäusewand (20) mit einer Innenseite (21) hat,
• einen innerhalb des Gehäuses (2) angeordneten Isolator (3) mit einer brennraumseitigen Isolatorspitze (31), die bündig mit einer sich senkrecht zur Längsachse X erstreckenden Ebene El ist,
• eine mindestens teilweise innerhalb des Isolators (3) angeordnete Mittelelektrode (4), und
• eine innerhalb des Gehäuses (2) abgeordnete Masseelektrode (5), wobei die Masseelektrode (5) und die Mittelelektrode (4) so angeordnet sind, dass diese einen Zündspalt (55) ausbilden und der Zündspalt (55) innerhalb des Gehäuses (2) ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) an seinem brennraumseitigen Ende einen ersten Innendurchmesser Dl und innerhalb des Gehäuses (2) in der Ebene El einen zweiten Innendurchmesser D2 hat, wobei der erste Innendurchmesser Dl größer ist als der zweite Innendurchmesser D2, so dass ein innerhalb des Gehäuses (2) ausgebildeter Atmungsraum (50) sich von seinem brennraumseitigen Ende (51) zu seinem brennraumabgewandten Ende (52) hin verjüngt.
2. Zündkerze (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Innendurchmesser D2 35% bis 80 % vom ersten Innendurchmesser Dl entspricht.
3. Zündkerze (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolatorspitze (31) den Atmungsraum (30) mindestens teilweise an seinem brennraumabgewandten Ende (52) begrenzt.
4. Zündkerze (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäusewand (20) des Gehäuses (2) den Atmungsraum (50) seitlich begrenzt, so dass die sich verjüngende Form des Atmungsraums (50) ergibt.
5. Zündkerzen (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Form des Atmungsraum (50) sich aus geraden Flächen der Innenseite (21) der Gehäusewand (20) ergibt, insbesondere wobei ein erster Übergang (17) von der Innenseite (21) der Gehäusewand (20) zu einer brennraumseitigen Stirnseite (27) des Gehäuses (2) und/oder ein zweiter Übergang (18) von der Innenseite (21) der Gehäusewand (20) zu einer Fläche (22) des Gehäuses (2), die den Atmungsraum (50) an dessen brennraumabgewandten Ende (52) begrenzt, verrundet sind. Zündkerze (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Form des Atmungsraum (50) sich aus mehreren Teilflächen der Innenseite (21) der Gehäusewand zusammensetzt, die parallel zu Längsachse sich aneinanderreihen, wobei eine einzelne Teilfläche gerade oder gekrümmt ist und verschiedene Teilflächen unterschiedliche Krümmungsradien haben, so dass sich insgesamt eine gekrümmte Form des Atmungsraum (50) ergibt. Zündkerze (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Form des Atmungsraum (50) sich aus einem konischen Abschnitt (53) und zylindrischen Abschnitt (54) mit einem konstanten Durchmesser zusammensetzt. Zündkerzen (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Form des Atmungsraum (50) rotationssymmetrisch und/oder spielsymmetrisch ist, wobei die Längsachse der Zündkerze die Symmetrieachse ist. Zündkerze (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Form des Atmungsraum (50) rotationssymmetrisch und/oder spielsymmetrisch ist, wobei die Symmetrieachse beabstandet zu der Längsachse der Zündkerze ist. Zündkerze (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Form des Atmungsraum (50) unsymmetrisch ist. Zündkerze (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am brennraumseitigen Ende des Gehäuses (2) eine Kappe angeordnet ist, so dass die Zündkerze (1) eine Vorkammer-Zündkerze ist. Zündkerze (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündkerze 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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