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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorkammerzündkerze mit einer elastisch federnd angeordneten Masseelektrode. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Brennkraftmaschine mit einer derartigen Vorkammerzündkerze und insbesondere eine mobile Brennkraftmaschine.
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Vorkammerzündkerzen sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Vorkammerzündkerzen weisen eine Mittelelektrode und eine Masseelektrode auf, welche in einer Vorkammer, die durch eine Kappe in Verbindung mit einem Gehäuse oder dgl. der Zündkerze gebildet wird, angeordnet sind. Im Betrieb können die Temperaturen im Bereich der Elektroden aufgrund der Vorkammer sehr hoch werden, wobei häufig ein Gemischaustausch zwischen der Vorkammer und einer Brennkammer, welcher über mehrere Löcher in der Kappe ausgeführt wird, schwierig sein kann. Hierbei kann es zu einer unkontrollierten Glühzündung kommen, was insbesondere einen hohen Elektrodenverschleiß nach sich zieht. Weiterhin werden Vorkammerzündkerzen bisher im Stand der Technik hauptsächlich für stationäre Brennkraftmaschinen verwendet. Derartige stationäre Brennkraftmaschinen mit Vorkammer werden üblicherweise in einem vorbestimmten Lastpunkt der Brennkraftmaschine betrieben. Bei mobilen Brennkraftmaschinen in Fahrzeugen ist das Lastprofil der Brennkraftmaschine je nach Fahrsituation unterschiedlich und reicht vom Leerlauf bis zu einer Vollgasfahrt. Weiterhin müssen Vorkammerzündkerzen für mobile Brennkraftmaschinen massenfertigungstauglich sein, da hier deutlich höhere Stückzahlen als für stationäre Brennkraftmaschinen hergestellt werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Vorkammerzündkerze mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass diese insbesondere für eine Massenfertigung tauglich ist. Hierbei kann besonders bevorzugt eine Masseelektrode sowohl in Axialrichtung als auch in Radialrichtung sehr exakt positioniert und gefügt werden. Dadurch kann eine hohe Genauigkeit bei der Herstellung für einen Abstand zwischen Masseelektrode und Mittelelektrode sichergestellt werden. Diese Genauigkeit ist auch sehr gut reproduzierbar, so dass die erfindungsgemäße Vorkammerzündkerze insbesondere für eine Massenfertigung und damit für eine Verwendung bei mobilen Brennkraftmaschinen, z.B. in Fahrzeugen an Land und/oder zu Wasser, möglich ist. Weiterhin kann eine sehr gute Wärmeableitung durch die erfindungsgemäße Vorkammerzündkerze insbesondere im Bereich der Elektroden sichergestellt werden, so dass unerwünschte, unkontrollierbare Glühzündungen oder dgl., nicht auftreten. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Vorkammerzündkerze eine Mittelelektrode und eine Masseelektrode sowie ein Gehäuse aufweist. Die Masseelektrode ist dabei am Gehäuse fixiert. Ferner ist eine Kappe vorgesehen, welche, insbesondere in Verbindung mit dem Gehäuse, eine Vorkammer definiert. Die Masseelektrode ist dabei elastisch federnd angeordnet. Vorzugsweise ist die Masseelektrode dabei am Gehäuse angeordnet. Dies kann durch eine Pressverbindung oder alternativ durch eine stoffschlüssige Verbindung, z.B. Schweißverbindung, ausgeführt sein. Die federnde Anordnung der Masseelektrode stellt dabei sicher, dass ein Zündfunken, der in der Regel am kürzesten Abstand zwischen Mittelelektrode und Masseelektrode überspringt, sicher erzeugt werden kann. Insbesondere kann bei der Fertigung der Vorkammerzündkerze aufgrund der federnden Eigenschaften der Masseelektrode der Abstand zwischen Masseelektrode und Mittelelektrode zur Funkenerzeugung sehr genau und einfach eingestellt werden. Die elastisch federnden Eigenschaften der Masseelektrode unterstützen dabei diese Einstellung.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Vorzugsweise sind die federnden Eigenschaften in die Masseelektrode integriert. Somit ist die Masseelektrode selbst elastisch federnd ausgebildet. Die Masseelektrode umfasst dabei einen Fixierbereich, einen Federbereich und einen Funkenbereich. Der Federbereich ist dabei zwischen den Fixierbereich und dem Funkenbereich angeordnet. Die Masseelektrode ist vorzugsweise ein Flachdraht, insbesondere mit rechteckigem oder quadratischen Querschnitt. Somit können die federnden Eigenschaften der Masseelektrode einfach in die Masseelektrode selbst integriert werden und eine Befestigung der Masseelektrode kann auf einfache Weise erfolgen. Ein Abstand zwischen Masseelektrode und Mittelelektrode im Bereich des Funkenspaltes kann dabei durch Umformen der Masseelektrode einfach eingestellt werden.
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Besonders bevorzugt ist die Masseelektrode spiralförmig ausgebildet. Vorzugsweise ist die Masseelektrode dabei derart ausgebildet, dass ausgehend vom Fixierbereich ein kontinuierlich, bogenförmig mit sich änderndem Radius ausgebildeter Bereich vorgesehen ist, welcher bis zum Funkenbereich reicht, wobei der Funkenbereich dann geradlinig ausgebildet ist.
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Vorzugsweise ist am Funkenbereich ein Edelmetallkörper angeordnet. Dadurch kann eine Standzeit der Vorkammerzündkerze signifikant verbessert werden. Weiter bevorzugt ist auch an der Mittelelektrode ein Edelmetallkörper angeordnet.
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Die Masseelektrode ist besonders bevorzugt ein ausgestanztes und umgeformtes Bauteil, insbesondere aus einem Federdrahtmaterial.
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Weiter bevorzugt ist die Masseelektrode derart angeordnet, dass der Funkenbereich, eine Mitte der Mittelelektrode und der Fixierbereich auf einer gemeinsamen Geraden liegen. Dadurch wird eine exakte Positionierung der Masseelektrode besonders einfach möglich, da bei der Herstellung lediglich überwacht werden muss, ob die drei o.g. Bereiche in einer gemeinsamen Geraden liegen.
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Alternativ bevorzugt ist die Masseelektrode derart ausgebildet, dass der Funkenbereich und die Mitte der Mittelelektrode auf einer ersten Geraden liegen und der Fixierbereich und die Mitte der Mittelelektrode auf einer zweiten Geraden liegen. Dabei schneiden sich die erste und zweite Gerade in einem Winkel von ca. 90° und insbesondere bevorzugt genau bei 90°.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten alternativen Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Masseelektrode einen ringförmig gebogenen Flachdraht, welcher ein erstes und ein zweites freies Ende aufweist, wobei die beiden freien Enden radial nach innen umgebogen sind und zur Mittelelektrode gerichtet sind. Eine derartige Masseelektrode kann dabei derart hergestellt werden, dass der Flachdraht mit einer vorbestimmten Länge bereitgestellt wird, beispielsweise durch Ausstanzen oder Ablängen des Flachdrahts von einer Flachdrahtrolle, wobei die Länge länger als ein Außenumfang der ringförmig gebogenen Masseelektrode ist. Dadurch können die beiden freien Enden des Flachdrahts radial nach innen umgebogen werden und zur Mittelelektrode gerichtet werden.
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Besonders bevorzugt sind dabei die beiden freien Enden der Masseelektrode mittels eines Edelmetallkörpers miteinander verbunden, vorzugsweise durch eine Schweißverbindung. Weiter bevorzugt sind der verbindende Edelmetallkörper der freien Enden, die Mitte der Mittelelektrode und der Fixierbereich der Masseelektrode auf einer gemeinsamen Geraden angeordnet. Somit liegen sich an der Masseelektrode der Fixierbereich und der Funkenbereich an Positionen um 180° zueinander gegenüber.
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Die Masseelektrode ist weiter bevorzugt einstückig mit einer Hülse ausgebildet oder an einer Hülse am Fixierbereich fixiert. Die Hülse ist ihrerseits am Gehäuse der Vorkammerzündkerze fixiert. Dadurch kann eine besonders gute Wärmeableitung von der Masseelektrode auf die Hülse und von der Hülse auf das Gehäuse ermöglicht werden. Hierdurch können die unerwünschten und unkontrollierbaren Glühzündungen aufgrund von zu hohen Temperaturen an der Masseelektrode vermieden werden. Die Hülse ist beispielsweise mittels einer Pressverbindung oder mittels einer Schweißverbindung mit dem Gehäuse verbunden. Die Hülse hat weiterhin den Vorteil, dass auf einfache Weise eine axiale und auch radiale Positionierung der mit der Hülse verbundenen Masseelektrode möglich ist.
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Eine einfache Herstellmöglichkeit der Masseelektrode mit Hülse ist dadurch gegeben, dass aus einem Blechmaterial ein Hülsenmantel ausgestanzt wird und gleichzeitig an einem axialen Ende der herzustellenden Hülse ein Streifen für die Masseelektrode mit ausgestanzt wird. Der Streifen ist noch über einen Verbindungsbereich, welcher später der Fixierbereich der Masseelektrode an der Hülse ist, mit dem Mantel der Hülse verbunden. Anschließend kann die Hülse aus dem Blechmaterial gerollt werden und die Masseelektrode entsprechend umgeformt werden. Dadurch ist eine besonders einfache und kostengünstige Herstellbarkeit der Masseelektrode gegeben, so dass diese insbesondere für eine Massenfertigung geeignet ist.
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Weiter bevorzugt umfasst die Vorkammerzündkerze mehrere Masseelektroden. Beispielsweise können die Masseelektroden in symmetrischer Weise oder in unsymmetrischer Weise angeordnet werden. Besonders bevorzugt sind zwei oder vier Masseelektroden vorgesehen, welche sich vorzugsweise paarweise aneinander gegenüberliegen.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Brennkraftmaschine, insbesondere eine mobile Brennkraftmaschine, welche beispielsweise bei Fahrzeugen oder Wasserfahrzeugen verwendet wird.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 eine schematische, perspektivische Schnittansicht einer Vorkammerzündkerze gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2 eine schematische Draufsicht der Vorkammerzündkerze von 1 ohne Kappe,
- 3 eine schematische Schnittansicht einer Hülse mit Masseelektrode einer Vorkammerzündkerze gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
- 4 eine schematische, perspektivische Ansicht der Hülse mit Masseelektrode von 3 in perspektivischer Ansicht,
- 5 eine schematische Ansicht einer Vorkammerzündkerze gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,
- 6 eine schematische, perspektivische Ansicht einer Vorkammerzündkerze gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel, und
- 7 eine schematische Schnittansicht der Vorkammerzündkerze von 6.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 und 2 eine Vorkammerzündkerze 1 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel im Detail beschrieben.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst die Vorkammerzündkerze 1 eine Mittelelektrode 2 und eine Masseelektrode 3. Die Mittelelektrode 2 liegt in einer Mittelachse X-X der Vorkammerzündkerze 1.
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Eine Vorkammer 7 der Vorkammerzündkerze 1 wird durch einen Teil eines Gehäuses 4 und einer Kappe 6 definiert. Die Kappe 6 weist mehrere Kappenlöcher 60 auf, um ein entzündetes Gasgemisch durch die Kappenlöcher 60 in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine zuzuführen und dort eine Hauptzündung des im Brennraum befindlichen Gasgemisches auszulösen. Über die Kappenlöcher 60 erfolgt auch ein Gemischaustausch zwischen der Brennkammer der Brennkraftmaschine und der Vorkammer 7, insbesondere, um die Vorkammer 7 zu spülen und dort wieder ein zündfähiges Gemisch einzubringen.
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Die Mittelelektrode 2 umfasst einen ersten Edelmetallkörper 20, welcher an einer Stirnseite der Mittelelektrode 2 angeordnet ist. Die Mittelelektrode 2 ist mittels eines Isolators 5 elektrisch isoliert.
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Die Masseelektrode 3 ist aus einem Flachdraht hergestellt und umgebogen und weist federnde Eigenschaften auf. Die Masseelektrode 3 umfasst dabei einen Fixierbereich 31, einen Federbereich 32 und einen Funkenbereich 33.
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Am Funkenbereich 33 ist ein zweiter Edelmetallkörper 30 angeordnet. Wie insbesondere aus 2 ersichtlich ist, ist die Masseelektrode 3 spiralförmig umgeformt. Dabei verläuft die Masseelektrode 3 ausgehend vom Fixierbereich 31 in einem Bogen mit sich leicht änderndem Radius bis zu einer scharfen Radiusänderung 32' und geht in einen linearen Endteil 33` über, an welchem der Funkenbereich 33 angeordnet ist (vgl. 2).
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Der zweite Edelmetallkörper 30 ist dabei, wie insbesondere aus 2 ersichtlich ist, seitlich am Funkenbereich 33 angeordnet, so dass eine Stirnseite 34 des Funkenbereichs 33 frei in der Vorkammer 7 der Vorkammerzündkerze liegt.
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Wie aus 2 ersichtlich ist, liegen dabei der Fixierbereich 31, die Mitte der Mittelelektrode 2 und der Funkenbereich 33 in einer gemeinsamen Geraden 10.
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Die Masseelektrode 3 ist mittels einer Schweißverbindung 8 mit dem Gehäuse 4 am Fixierbereich 31 verbunden. Somit ist praktisch eine punktförmige Verbindung zwischen der Masseelektrode 3 und dem Gehäuse 4 durch die Schweißverbindung 8 realisiert, so dass der restliche Bereich der Masseelektrode 3 bis zum Funkenbereich 33 elastisch federnd angeordnet ist. Hierdurch ist es möglich, dass ein Funkenspalt 13 zwischen der Masseelektrode 3 und der Mittelelektrode 2 durch eine Umformung am Federbereich 32, welche sehr einfach durchgeführt werden kann, sicher auf ein exaktes Maß eingestellt werden. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die Vorkammerzündkerze 1 keine unerwünschten und unkontrollierbaren Fehlzündungen ausführt.
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Die Elastizität der Masseelektrode 3 hängt dabei vom gewählten Radius des Federbereichs 32, dem Material der Masseelektrode 3 und einer Dicke und einem Querschnittsprofil der Masseelektrode 3 ab. Somit ist es insbesondere möglich, dass durch die Masseelektrode 3 bei der Herstellung der Vorkammerzündkerze auch toleranzbedingte Abweichungen, welche beispielsweise durch die Fixierung der Masseelektrode 3 am Gehäuse 4 oder der Positionierung der Mittelelektrode 2 im Isolator 5 resultieren können, ausgeglichen werden können. Die federnde Masseelektrode 3 kann dabei entsprechend angepasst werden, so dass die Funkenstrecke 13 zwischen Masseelektrode 3 und Mittelelektrode 2 für alle hergestellten Vorkammerzündkerzen immer auf einem vorbestimmten Maß verbleibt. Somit ist insbesondere eine einfache und schnelle Massenfertigung von Vorkammerzündkerzen möglich.
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Wie unmittelbar aus 2 ersichtlich ist, ist es auch denkbar, dass die Vorkammerzündkerze zwei Masseelektroden aufweist, welche sich an der Mittelelektrode einander gegenüberliegen. Die zweite Masseelektrode kann dabei gleich wie die erste Masseelektrode nur in entgegengesetzter gebogener Richtung ebenfalls in elastisch federnder Weise angeordnet sein.
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Die 3 und 4 zeigen beispielhaft eine Masseelektrode 3 einer Vorkammerzündkerze gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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Wie aus den 3 und 4 ersichtlich ist, ist die Masseelektrode 3 des zweiten Ausführungsbeispiels an einer Hülse 9 angeordnet. Dabei ist die Masseelektrode 3 einstückig mit der Hülse 9 vorgesehen. Die Hülse 9 weist einen zylindrischen Hauptkörper 90 auf, wobei die Masseelektrode 3 aus dem gleichen Materialstück wie die Hülse 9 hergestellt ist. Hierbei ist ein kontinuierlicher Übergang am Fixierbereich 31 vom Hülsenhauptkörper 90 zur Masseelektrode 3 ausgebildet. Die mit Hülse 9 hergestellte Masseelektrode 3 kann beispielsweise aus einem flachen Blechmaterial derart hergestellt werden, dass zuerst ein entsprechend großes Blech ausgestanzt wird, wobei auch ein Schlitz zwischen dem Bereich, welcher später den Hülsenhauptkörper 90 bildet und dem Bereich, welcher später die Masseelektrode 3 bildet, hergestellt wird. In 4 ist der Schlitz mit dem Bezugszeichen 18 angedeutet. In einem nächsten Umformschritt wird dann aus dem flachen ausgestanzten Vorprodukt der Hülsenhauptkörper 9 gerollt und gleichzeitig auch die Masseelektrode 3 umgeformt. Die geometrische Form der Masseelektrode 3 entspricht dabei der im ersten Ausführungsbeispiel in den 1 und 2 gezeigten spiralförmigen Ausgestaltung der Masseelektrode 3.
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Die Verwendung der Hülse 9 integral mit der Masseelektrode 3 hat dabei den Vorteil, dass die Masseelektrode 3 sowohl in Radialrichtung als auch in Axialrichtung der Vorkammerzündkerze optimal positionierbar ist. Die Hülse 9 kann dabei mit dem Gehäuse 4 beispielsweise über eine Pressverbindung oder alternativ über eine stoffschlüssige Verbindung, z.B. eine Schweißverbindung, mit dem Gehäuse verbunden werden. Hierdurch ergeben sich insbesondere fertigungstechnische Vorteile. Ein weiterer großer Vorteil der Masseelektrode 3 des zweiten Ausführungsbeispiels liegt darin, dass Wärme, welche im Betrieb entsteht, unmittelbar von der Masseelektrode 3 auf die Hülse 9 und von der Hülse 9 über eine große Fläche des Hülsenhauptkörpers 90 auf das Gehäuse 4 übertragen werden kann. Dadurch können hohe Temperaturspitzen im Betrieb im Bereich der Masseelektrode 3, insbesondere am Funkenbereich 33, vermieden werden, wodurch Fehlzündungen unterbunden werden können.
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5 zeigt eine Vorkammerzündkerze 1 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind wiederum wie im ersten Ausführungsbeispiel bezeichnet. Die Vorkammerzündkerze des dritten Ausführungsbeispiels entspricht im Wesentlichen der des ersten Ausführungsbeispiels, wobei im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel die Anordnung des Fixierbereichs 31 unterschiedlich ausgestaltet ist. Wie aus 5 ersichtlich ist, ist der Funkenbereich 33 der Masseelektrode 3 ähnlich wie beim ersten Ausführungsbeispiel radial umgebogen, allerdings liegt der Edelmetallkörper 30 nicht mehr seitlich zur Mittelelektrode 2 wie beim ersten Ausführungsbeispiel, sondern radial zum Mittelpunkt der Mittelelektrode 2. Dabei ist der Edelmetallkörper 30 am stirnseitigen freien Ende des Funkenbereichs 33 angeordnet. Der Fixierbereich 31 der Masseelektrode 3 und eine Mitte der Mittelelektrode 2 liegen dabei auf einer ersten gemeinsamen Geraden 11. Der Funkenbereich 33 und die Mitte der Mittelelektrode 2 liegen auf einer zweiten gemeinsamen Geraden 12. Dabei schneiden sich die beiden Geraden 11, 12 im rechten Winkel. Bei dieser Ausgestaltung der Vorkammerzündkerze 1 ist insbesondere eine Einstellung des Abstands 13 zwischen der Mittelelektrode 2 und der Masseelektrode 3 sehr einfach ausführbar.
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Die 6 und 7 zeigen eine Vorkammerzündkerze 1 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind dabei wieder mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Wie aus den 6 und 7 ersichtlich ist, ist beim vierten Ausführungsbeispiel die Masseelektrode 3 wieder mit einer Hülse 9 verbunden. Hierbei ist jedoch eine Schweißverbindung 8 zwischen der Masseelektrode 3 und der Hülse 9 ausgebildet. Wie aus 6 ersichtlich ist, ist die Schweißverbindung 8 dabei um 180° gegenüber dem Funkenbereich 33 der Masseelektrode 3 angeordnet.
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Die Masseelektrode 3 ist wiederum aus einem ringförmig gebogenen Flachdraht 15 hergestellt, welcher ein erstes freies Ende 16 und ein zweites freies Ende 17 aufweist. Diese beiden freien Enden 16, 17 sind dabei radial nach innen gebogen, wie insbesondere in 6 dargestellt. Die beiden freien Enden 16, 17 sind dabei mittels eines zweiten Edelmetallkörpers 30 der Masseelektrode 3 miteinander verbunden, beispielsweise durch eine Schweißverbindung. Diese Ausgestaltung der Masseelektrode 3 ist sehr robust, wobei die Masseelektrode 3 durch die ringförmige Ausgestaltung, ausgehend vom Fixierbereich 31 zwei Federbereiche 32 aufweist, welche jeweils in eines der Enden 16, 17 übergehen.
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Durch diese Ausgestaltung in den 6 und 7 kann somit eine Vorkammerzündkerze hergestellt werden, bei der die Masseelektrode 3 zwar federnd ausgebildet ist, jedoch eine gewisse Robustheit aufweist und insbesondere für schwierige Einsatzbedingungen geeignet ist.