DE102017202001A1 - Vorkammerzündkerze und ein Verfahren zur Herstellung einer Vorkammerzündkerze - Google Patents

Abstract

Eine Vorkammerzündkerze mit einem Gehäuse (3), einer Masseelektrode, einer die Vorkammer (5) abschließende Kappe (9) und einer innerhalb der Vorkammer (5) angeordneten Mittelelektrode (6, 7), wobei in der Kappe (9) Übertrittsdurchgänge (10) ausgebildet sind, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelachsen (11) der Übertrittsdurchgänge (10) in Richtung des Hauptbrennraums gesehen auseinander laufen. Des Weiteren ist ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorkammerzündkerze angegeben.

Description

• Die vorliegende Erfindung geht aus von einer Vorkammerzündkerze mit einem Gehäuse, einer Masseelektrode, einer die Vorkammer abschließenden Kappe und einer innerhalb der Vorkammer angeordneten Mittelelektrode, wobei in der Kappe Übertrittsdurchgänge ausgebildet sind. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorkammerzündkerze.
• Eine Vorkammerzündkerze ist bspw. aus der WO 2007/092972 A1 bekannt. Diese Zündkerze umfasst eine mit einer Vorkammerwandung und einer Deckelfläche versehene Vorkammer. Die Vorkammerwandung weist einen zylinderförmigen Teil auf, an dem mittels rechteckförmigen Masseelektrodenträgern ebenfalls rechteckförmige Masseelektroden befestigt sind. Den Masseelektroden sind rechteckförmige Mittelelektroden zugeordnet, die an einem zentralen Mittelelektrodenträger befestigt sind. Damit sind mehrere Zündflächenpaare geschaffen, mit denen eine bezüglich der Vorkammer möglichst zentrale Zündung erfolgen soll. Des Weiteren umfasst die Vorkammerwandung mehrere Übertrittsdurchgänge. Die Übertrittsdurchgänge sind dabei derart ausgebildet, dass sie sich parallel zu der Längsachse der Vorkammer erstrecken bzw. auf einander zulaufen. Dadurch soll erreicht werden, dass die sich durch die Übertrittsdurchgänge in den Hauptbrennraum erstreckenden Zündfackeln parallel zueinander verlaufen bzw. auf einander zulaufen.
• Bei der bekannten Vorkammerzündkerze ist problematisch, dass durch die Anordnung der Übertrittsdurchgänge und den dadurch erzielten Verlauf der Zündfackeln keine hinreichend gute Zündung des Brennstoff-Luft-Gemisches erzielt wird. Des Weiteren weist die bekannte Vorkammerzündkerze einen aufwändigen Aufbau auf. Insbesondere ist zunächst eine Vielzahl von Einzelteilen zu fertigen, die zur Bereitstellung einer entsprechenden Vorkammerzündkerze zudem miteinander zu fügen sind. Hinzu kommt, dass die Einzelteile der bekannten Vorkammerzündkerze eine hohe Fertigungskomplexität aufweisen.
• Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorkammerzündkerze der eingangs genannten Art derart auszugestalten und weiterzubilden, dass mit konstruktiv einfachen Mitteln und somit kostengünstig in der Herstellung eine optimale Zündung des Brennstoff-Luft-Gemisches erreicht wird. Des Weiteren soll ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorkammerzündkerze angegeben werden.
• Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Danach ist eine Vorkammerzündkerze mit einem Gehäuse, einer Masseelektrode, einer die Vorkammer abschließenden Kappe und einer innerhalb der Vorkammer angeordneten Zündelektrode, wobei in der Kappe Übertrittsdurchgänge ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelachsen der Übertrittsdurchgänge in Richtung des Hauptbrennraums gesehen auseinander laufen.
• In erfindungsgemäßer Weise ist zunächst erkannt worden, dass die Zündeigenschaften einer Vorkammerzündkerze auf besonders einfache Weise verbessert werden können, indem die Mittelachsen der Übertrittsdurchgänge in Richtung des dem Hauptbrennraum zugewandten Endes der Kappe gesehen auseinander laufen. Mit anderen Worten verlaufen die Mittelachsen der Übertrittsdurchgänge nicht parallel zueinander, so dass die aus den Übertrittsdurchgängen in den Hauptbrennraum eintretenden Zündfackeln auseinander verlaufen. Dadurch wird ein Strömungsprofil und Drallniveau erzeugt, dass zu einem verbesserten Gasaustausch und einer verbesserten Verbrennung in der Vorkammer, sowie zu einer verbesserten Zündung in dem Hauptbrennraum führt. Die erfindungsgemäße Vorkammerzündkerze eignet sich beispielsweise zur Verwendung mit einem stationären Gasmotor. Des Weiteren ist denkbar, dass die erfindungsgemäßen Vorkammerzündkerze in einem nicht-stationären Ottomotor verwendet wird, nämlich aufgrund der durch die Anordnung der Übertrittsdurchgänge erzielten Zündeigenschaften.
• Bei einem symmetrischen Übertrittsdurchgang, bspw. einem zylinderförmigen Durchgang, entspricht die Mittelachse des Übertrittsdurchgangs der Symmetrieachse des Übertrittsdurchgangs. Bei einer asymmetrischen Ausgestaltung des Übertrittsdurchgangs entspricht die Mittelachse der Hauptausbreitungsrichtung der durch den Übertrittsdurchgang verlaufenden Zündfackel. In vorteilhafter Weise können die Übertrittsdurchgänge zylinderförmig ausgebildet sein.
• Es wird darauf hingewiesen, dass im Folgenden bei einer Bereichsangabe ausdrücklich auch die den Bereich abschließenden Grenzwerte Teil des angegeben Bereichs sind.
• In vorteilhafter Weise können, insbesondere in Umfangsrichtung, 4 bis 8 Übertrittsdurchgänge ausgebildet sein. Es ist erkannt worden, dass bei einer solchen Anzahl von Übertrittsdurchgängen eine optimale Zündung durch die Vorkammerzündkerze erfolgt. Zusätzlich ist denkbar, dass ein zentraler Übertrittsdurchgang ausgebildet ist, dessen Mittelachse auf der Längsachse der Vorkammer angeordnet ist bzw. zumindest im Wesentlichen parallel zu der Längsachse der Vorkammer verläuft.
• Um die Zündung weiter zu optimieren, können die Mittelachsen der Übertrittsdurchgänge jeweils in einem Abstand x versetzt von der jeweiligen Hauptachse der Vorkammer verlaufen. Die Hauptachse ist dabei die Achse, die parallel zur Mittelachse des Übertrittsdurchgangs verläuft und die Längsachse der Vorkammer schneidet. Die Längsachse der Vorkammer entspricht bei einer symmetrischen Vorkammer der Symmetrieachse der Vorkammer. Bei einer asymmetrischen Vorkammer entspricht die Längsachse der Mittelachse der Vorkammer. Folglich verlaufen die Übertrittsdurchgänge tangential zum Außendurchmesser der Kappe, nicht radial. Durch diese konstruktive Maßnahme wird ein für die Zündung im Hauptbrennraum ideales Strömungsprofil bzw. Drallniveau erzeugt.
• In besonders vorteilhafter Weise liegt das Verhältnis $\frac{x_i}{D}$

  

  zwischen dem Abstand x_i der Mittelachse eines Übertrittsdurchgangs i von der Hauptachse der Vorkammer und dem größten Innendurchmesser D der Kappe jeweils im Bereich von 0,04 bis 0,40, insbesondere 0,05 bis 0,35, vorzugsweise von 0,06 bis 0,30.
• Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Verhältnis $\frac{A}{D}$

  

  der Gesamtquerschnittsfläche A aller Übertrittsdurchgänge zum größten Innendurchmesser D der Kappe im Bereich von 0,04 mm bis 0,40 mm, vorzugsweise von 0,45 mm bis 0,80 mm, liegen. Für eine Anzahl von n kreiszylindrischen Übertrittsdurchgängen berechnet sich die Gesamtquerschnittsfläche gemäß $A={\displaystyle {\sum }_{i=1}^n\frac{\pi }{4}}{d}_i^2.$

  

  Bei einer entsprechend realisierten Vorkammerzündkerze wird ein für den Gasaustausch verbessertes Strömungsprofil erzeugt.
• Um das Strömungsprofil und das Drallniveau weiter zu optimieren, kann der durch die Mittelachsen der Übertrittsdurchgänge definierte Öffnungswinkel α im Bereich von 100° bis 160° liegen.
• In weiter vorteilhafter Weise kann das die Kappe bildende Material einen Massenanteil von Nickel von über 99% aufweisen oder aus einer Nickel-Legierung mit Anteilen von Eisen, Cobalt und Chrom hergestellt sein. Eine solche Ausgestaltung hat den Vorteil, dass die Kappe besonders hitze- und korrosionsbeständig ist und eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist. Der Begriff Massenanteil bezeichnet dabei den Wert des Quotienten aus der Masse des Nickels und der Gesamtmasse der Kappe.
• In besonders vorteilhafter Weise kann das die Kappe bildende Material an der Innenseite der Kappe zumindest im Bereich der Übertrittsdurchgänge verdichtet ausgebildet sein. Durch diese Maßnahme wird in diesem besonders stark beanspruchten Bereich der Kappe eine Rissbildung verhindert. Dabei ist des Weiteren denkbar, dass die gesamte Oberfläche der Innenseite der Kappe ein entsprechend verdichtetes Material aufweist.
• Die zugrunde liegende Aufgabe wird des Weiteren durch das Verfahren des nebengeordneten Anspruchs 9 gelöst. Danach ist ein Verfahren zur Herstellung einer Kappe für eine Vorkammerzündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 8 angegeben, wobei die Kappe aus einem Rohmaterialdraht oder aus einer Rohmaterialstange in einem Umformprozess hergestellt wird.
• In erfindungsgemäßer Weise ist erkannt worden, dass eine besonders einfache und somit kostengünstige Herstellung einer erfindungsgemäßen Vorkammerzündkerze möglich ist, indem die Kappe durch einen Umformprozess hergestellt wird. Des Weiteren ist erkannt worden, dass sich die Kappe durch das erfindungsgemäße Verfahren besonders materialsparend hergestellt wird. Bei dem Umformprozess kann es sich vorzugsweise um Fließpressen oder Tiefziehen handeln. Die derart hergestellte Kappe kann mit dem Gehäuse der Vorkammerzündkerze verbunden, insbesondere verschweißt werden. Beispielsweise kann die Kappe mit dem Gehäuse durch ein Vakuumschweißverfahren verschweißt werden. Dabei wird die Schweißung in einer Unterdruckumgebung mit weniger als 50 mbar Unterdruck, insbesondere in einer entsprechenden Kammer, durchgeführt. Alternativ ist denkbar, dass die Kappe mittels Wolfram-Inertgasschweißen, Plasmaschweißen, Laserschweißen oder Elektronenstrahlschweißen mit dem Gehäuse verbunden wird.
• In vorteilhafter Weise können die Übertrittsdurchgänge durch ein spanendes Verfahren, beispielsweise durch Bohren, hergestellt werden. Insbesondere durch Bohren lassen sich die Mittelachsen und Durchmesser der Übertrittsdurchgänge auf besonders einfache und präzise Weise herstellen.
• Um zu vermeiden, dass durch die hohe Beanspruchung Risse entstehen, kann das die Kappe bildende Material an der Innenseite der Kappe zumindest im Bereich der besonders beanspruchten Übertrittsdurchgänge verdichtet werden. In vorteilhafter Weise kann das Material durch Sandstrahlen oder Kugelstrahlen verdichtet werden. Dies hat den weiteren Vorteil, dass durch das Sandstrahlen bzw. Kugelstrahlen gleichzeitig die Übertrittsdurchgänge entgratet werden, was sich positiv auf die Zündeigenschaften und die Langlebigkeit der Vorkammerzündkerze auswirkt. In besonders einfacher und effektiver Weise kann das Material der Kappe an der gesamten Innenseite entsprechend verdichtet werden.
• Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Anspruch 1 nachgeordneten Ansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen
• 1 in einer schematischen, teilweise geschnittenen Darstellung ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorkammerzündkerze,
• 2 in einer vergrößerten Darstellung einen Ausschnitt aus 1,
• 3 einen in einer schematischen Darstellung einen Schnitt durch die Kappe einer erfindungsgemäßen Vorkammerzündkerze und
• 4 in einer schematischen, teilweise geschnittenen Darstellung einen Teil einer weiteren erfindungsgemäßen Vorkammerzündkerze.
• In den 1 und 2 ist in einer schematischen, teilweise geschnittenen Darstellung ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorkammerzündkerze gezeigt. Die Vorkammerzündkerze weist ein aus einem ersten Gehäuseteil 1 und einem zweiten Gehäuseteil 2 gebildetes Gehäuse 3 auf. Die Gehäuseteile 1, 2 sind über eine Schweißnaht miteinander verbunden. Das Gehäuse 1 umgibt einen Teil eines Isolators 4. Innerhalb des Isolators 4 ist eine nicht dargestellte Versorgungsleitung angeordnet, welche die innerhalb der Vorkammer 5 vorgesehene Mittelelektrode 6 mit elektrischer Spannung versorgt. Die Mittelelektrode 6 umfasst insgesamt vier Elektrodenarme 7. Die Mittelelektrode 6 kann jedoch auch eine andere Geometrie aufweisen.
• Im hier darstellten Ausführungsbeispiel dient der erste Gehäuseteil 1 als Masseelektrode und weist ein Außengewinde 8 auf, um die Vorkammerzündkerze in einen Gehäusedeckel des Hauptbrennraums einzuschrauben. Die Vorkammer 5 ist durch die Kappe 9 in Richtung des Hauptbrennraums abgeschlossen. Die Kappe 9 ist im hier dargestellten Ausführungsbeispiel mit dem ersten Gehäuseteil 1 verschweißt. Dabei ist denkbar, dass sich die Kappe 9 bis hin zu der Mittelelektrode 6 erstreckt und als Masseelektrode dient. Die Kappe 9 weist mehrere Übertrittsdurchgänge 10 auf, die in Umfangsrichtung um die Kappe 9 herum angeordnet sind. In 2 sind von zwei Übertrittsdurchgängen 10 die Mittelachsen 11 dargestellt. Die Mittelachsen 11 laufen in Richtung des Hauptbrennraums gesehen auseinander. Durch diese tangentiale Anordnung der Übertrittsdurchgänge 10 wird ein für die Verbrennung in der Vorkammer 5 sowie die Zündung im Hauptbrennraum optimales Strömungsprofil und Drallniveau erzeugt.
• In 2 ist der durch die Hauptachsen der Übertrittsdurchgänge 10 definierte Öffnungswinkel α dargestellt. Der Öffnungswinkel α liegt vorzugsweise im Bereich von 100° bis 160°. Des Weiteren ist der größte Innendurchmesser D der Vorkammer 5 dargestellt.
• In 3 in einer schematischen Darstellung ein Schnitt durch die Vorkammer 5 einer erfindungsgemäßen Vorkammerzündkerze dargestellt. Daraus geht deutlich hervor, dass die Mittelachsen 11 der Übertrittsdurchgänge 10 jeweils in einem Abstand x versetzt von der jeweiligen Hauptachse 12 angeordnet sind. Die mit einer Mittelachse 11 korrespondierende Hauptachse 12 ist dabei durch die Gerade definiert, die parallel zur Mittelachse 11 eines Übertrittsdurchgangs 10 verläuft und die Längsachse 13 der Vorkammer schneidet. Weiterhin ist in 3 der Durchmesser d_i eines Übertrittsdurchgangs 10 dargestellt.
• Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorkammerzündkerze ist in 4 dargestellt. Die Vorkammerzündkerze gemäß 4 entspricht dem in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel, wobei zusätzlich ein zentraler Übertrittsdurchgang 14 ausgebildet ist. Die Mittelachse 15 des zentralen Übertrittsdurchgangs 12 verläuft auf der Längsachse 13 der Vorkammer 5. Durch den weiteren Übertrittsdurchgang 12 werden die Zündeigenschaften der Vorkammerzündkerze nochmals optimiert. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird des weiteren auf die Ausführungen zu den 1 bis 3 verwiesen, die analog für das in 4 dargestellte Ausführungsbeispiel gelten.
• Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung sowie auf die beigefügten Ansprüche verwiesen.
• Schließlich sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens lediglich zur Erörterung der beanspruchten Lehre dienen, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele einschränken.
• Bezugszeichenliste

1

erstes Gehäuseteil

2

zweites Gehäuseteil

3

Gehäuse

4

Isolator

5

Vorkammer

6

Mittelelektrode

7

Elektrodenarm

8

Außengewinde

9

Kappe

10

Übertrittsdurchgang

11

Mittelachse

12

Hauptachse

13

Längsachse

14

zentraler Übertrittsdurchgang

15

Mittelachse

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• WO 2007/092972 A1 [0002]

Claims (12)

1. Vorkammerzündkerze mit einem Gehäuse (3), einer Masseelektrode, einer die Vorkammer (5) abschließende Kappe (9) und einer innerhalb der Vorkammer (5) angeordneten Mittelelektrode (6, 7), wobei in der Kappe (9) Übertrittsdurchgänge (10) ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelachsen (11) der Übertrittsdurchgänge (10) in Richtung des Hauptbrennraums gesehen auseinander laufen.
2. Vorkammerzündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass 4 bis 8 Übertrittsdurchgänge (10) in der Kappe (9) ausgebildet sind.
3. Vorkammerzündkerze Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelachsen (11) der Übertrittsdurchgänge (10) jeweils in einem Abstand x versetzt von der jeweiligen Hauptachse (12) der Vorkammer (5) verlaufen.
4. Vorkammerzündkerze nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen dem Abstand x der Mittelachse (11) eines Übertrittsdurchgangs (10) von der Hauptachse (12) der Vorkammer (5) und dem größten Innendurchmesser D der Kappe (9) im Bereich von 0,04 bis 0,40, insbesondere von 0,05 bis 0,35, vorzugsweise von 0,06 bis 0,30, liegt.
5. Vorkammerzündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Gesamtquerschnittsfläche A aller Übertrittsdurchgänge (10) zum größten Innendurchmesser D der Kappe (9) im Bereich von 0,04 mm bis 0,40 mm, vorzugsweise von 0,45 mm bis 0,80 mm, liegt.
6. Vorkammerzündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die Mittelachsen (11) der Übertrittsdurchgänge (10) definierte Öffnungswinkel α im Bereich von 100° bis 160° liegt.
7. Vorkammerzündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kappe (9) aus einem Material mit einem Massenanteil von Nickel von über 99% oder aus einer Nickel-Legierung mit Anteilen von Eisen, Cobalt und Chrom hergestellt ist.
8. Vorkammerzündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das die Kappe (9) bildende Material an der Innenseite der Kappe (9) zumindest im Bereich der Übertrittsdurchgänge (10) verdichtet ist.
9. Verfahren zur Herstellung einer Vorkammerzündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Kappe (9) aus einem Rohmaterialdraht oder einer Rohmaterialstangen in einem Umformprozess hergestellt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Umformprozess um Fließpressen oder Tiefziehen handelt.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines spanenden Verfahrens, insbesondere mittels Bohren, mindestens ein Übertrittsdurchgang (10) in der Kappe (9) erzeugt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das die Kappe (9) bildende Material an der Innenseite der Kappe (9) zumindest im Bereich der Übertrittsdurchgänge (10) verdichtet wird, beispielsweise durch Sandstrahlen oder Kugelstrahlen.

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