Zylinder eines Verbrennungsmotors für ein Fahrzeug sowie entsprechendes Herstellungsverfahren, Mittel zur Herstellung des Zylinders, Zündkerze, Verbrennungsmotor und Fahrzeug

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Zylinder eines Verbrennungsmotors für ein Fahrzeug sowie ein Herstellungsverfahren, welches zur Herstellung des Zylinders ausgestaltet ist, und Mittel, welche zur Herstellung des Zylinders eingesetzt werden. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung eine Zündkerze, einen Verbrennungsmotor und ein Fahrzeug, welche jeweils in dem erfindungsgemäßen Zylinder aufnehmbar ist, beziehungsweise einen erfindungsgemäßen Zylinder aufweisen.

Die DE 10 2006 042 457 B4, die DE 103 49 077 A1 und die DE 10 2007 024 878 A1 offenbaren, eine Zündkerze in einer bestimmten Ausrichtung zu den Einlassventilen des Zylinders in einem Zylinder anzuordnen.

Die DE 101 38 976 A1 beschreibt ein Gerät zum Feststellen einer Vorentflammungsverbrennung in einem Verbrennungsmotor.

Nach dem Stand der Technik ist eine Vorentflammung bekannt, bei welcher ein unkontrollierter Zündprozess der Zylinderladung mehr oder weniger deutlich vor dem geplanten Zündzeitpunkt auftritt. Durch die frühzeitige Umsetzung des Luft-Kraftstoff-Gemisches und der zusätzlichen Kompression kommt es dabei zu sehr hohen Zylinderdrücken. Durch den erhöhten thermischen Zustand nach Brennbeginn kommt es häufig zu einer Detonation mit anschließender klopfender Verbrennung. Das Zusammentreffen dieser Bedingungen kann bei einem Ottomotor zu einem Zylinderdruck von größer als 250 bar und damit zum sofortigen Ausfall des Motors führen.

Daher stellt sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe, einen Zylinder bereitzustellen, bei welchem eine Vorentflammung seltener auftritt, als bei einem vergleichbaren Zylinder nach dem Stand der Technik.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Zylinder nach Anspruch 1 , durch ein Herstellungsverfahren zur Herstellung eines Zylinders nach Anspruch 7, durch Mittel zur Herstellung eines Zylinders nach Anspruch 12, durch eine Zündkerze nach Anspruch 13, durch einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 15 und durch ein Fahrzeug nach Anspruch 16 gelöst.

BESTÄTIGUNGSKOPIE Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird ein Zylinder eines Verbrennungsmotors für ein Fahrzeug bereitgestellt. Dabei umfasst der Zylinder einen oder mehrere Einlasskanäle und eine Zündkerze. Die Zündkerze weist ihrerseits eine Massenelektrode auf. Die Zündkerze ist derart in dem Zylinder befestigt, dass die Zündkerze bezüglich des mindestens einen Einlasskanals des Zylinders eine Orientierung in einem vorgegebenen Orientierungsbereich (d.h. eine Ausrichtung des Zylinders in einem vorgegebenen Toleranzbereich (z.B. Winkelbereich)) aufweist, um bei laufendem Verbrennungsmotor die Massenelektrode durch einen Luftstrom, welcher durch den oder durch die Einlasskanäle erzeugt wird, zu kühlen. D.h. die Zündkerze wird derart in dem Zylinder montiert oder angeordnet, dass der von dem mindestens einen Einlasskanal erzeugte Luftstrom die Massenelektrode unter Berücksichtigung von Toleranzen bei der Montage der Zündkerze möglichst optimal kühlt.

Mit anderen Worten besteht die Grundidee der vorliegenden Erfindung darin, den Luftstrom, welcher von dem mindestens einen Einlasskanal im Betrieb des Verbrennungsmotors erzeugt wird, zur Kühlung der Massenelektrode der Zündkerze einzusetzen. Um nun die optimale Orientierung der Zündkerze und damit der Massenelektrode zu ermitteln, in welcher die Massenelektrode von dem Luftstrom des mindestens einen Einlasskanals am besten gekühlt wird, wurden zahlreiche Orientierungen dahingehend untersucht, wie heiß die Massenelektrode im Betrieb des Verbrennungsmotors jeweils wird. Zur Ermittlung der optimalen Orientierung der Zündkerze wurden Temperaturmessungen an der Zündkerze an einem optisch zugänglichen Motor durchgeführt, wobei eine spezielle Messtechnik (Infrarot-Thermometrie) eingesetzt wurde.

Die vorliegenden Erfinder haben erkannt, dass es für die Kühlung der Massenelektrode durch den Luftstrom des mindestens einen Einlasskanals vorteilhaft ist, die Zündkerze derart in dem Zylinder zu befestigen oder zu montieren, dass ein offenes Ende der Massenelektrode im Wesentlichen (d.h. mit einer vorbestimmten Toleranz) in Richtung des mindestens einen Einlasskanals angeordnet ist.

Anders ausgedrückt wird die Zündkerze derart in dem Zylinder montiert (zum Beispiel gedreht), dass das offene Ende (d.h. das nicht befestigte Ende) der Massenelektrode derart zu dem mindestens einen Einlasskanal gerichtet ist, dass der über den mindestens einen Einlasskanal einströmende Luftstrom auf das offene Ende der Massenelektrode auftrifft und diese dadurch kühlt.

Die Erfinder haben zwei unterschiedliche Varianten untersucht. Bei der ersten Variante wurde das offene Ende der Massenelektrode in Richtung der Einlassventile und bei der zweiten Variante in der Richtung der Auslandsventile angeordnet. Bei der anschließenden Temperaturmes- sung wies bei der zweiten Variante die heißeste Stelle der Massenelektrode, welche sich meist am offenen Ende der Massenelektrode befindet, eine um 40 bis 60°C höhere Temperatur auf als die Temperatur der heißesten Stelle der Massenelektrode bei der ersten Variante. Daher reduziert die gezielte Einbaulage der Zündkerze mit einer Ausrichtung der Massenelektrode in Richtung des/der Einlassventile (Einlasskanäle) die Temperatur an der Massenelektrode vorteilhafterweise erheblich, wodurch die maximale Temperatur der Zündkerze und dadurch die Häufigkeit von Vorentflammungen wesentlich abgesenkt werden kann.

Wenn der mindestens eine Einlasskanal aus genau einem Einlasskanal besteht, wird das offene Ende der Massenelektrode genau auf diesen einen Einlasskanal gerichtet. Wenn der mindestens eine Einlasskanal dagegen aus genau zwei Einlasskanälen besteht, wird das offene Ende der Massenelektrode unter Berücksichtigung der Toleranz zwischen die beiden Einlasskanäle gerichtet.

Die Toleranz beträgt vorteilhafterweise höchstens ±90°, besser ±45° und am besten ±5°.

Wenn die Toleranz erfindungsgemäß ±90° (±45° bzw. ±5°) beträgt, wird die Zündkerze bei der erfindungsgemäßen Montage derart um ihre Längsmittelachse gedreht, dass sie bezüglich der optimalen Ausrichtung, bei welcher das offene Ende der Massenelektrode genau auf den Einlasskanal (bei genau einem Einlasskanal) oder genau zwischen die beiden Einlasskanäle (bei genau zwei Einlasskanälen) gerichtet ist, maximal um 90° (45° bzw. 5°) im Uhrzeigersinn oder maximal um 90° (45° bzw. 5°) entgegen des Uhrzeigersinns verdreht ist. Mit genau zwischen den beiden Einlasskanälen ist dabei insbesondere ein Punkt gemeint, welcher sich zwischen den beiden Einlasskanälen auf einer Geraden befindet, welche die Mitte des Austritts des einen Einlasskanals in den Brennraum mit der Mitte des Austritts des anderen Einlasskanals in den Brennraum verbindet. Dabei weist dieser Punkt denselben Abstand von der Mitte des Austritts des einen Einlasskanals von der Mitte des Austritts des anderen Einlasskanals auf.

Insbesondere umfasst der Zylinder Mittel, um die Zündkerze erfindungsgemäß in dem Zylinder anzuordnen, so dass das offene Ende der Massenelektrode unter Berücksichtigung der Toleranz in Richtung des mindestens einen Einlasskanals angeordnet ist.

Diese Mittel können beispielsweise bestimmte Markierungen umfassen, um die Zündkerze in der gewünschten Weise in dem Zylinder anzuordnen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass ein bestimmter Anschlag vorhanden ist, so dass die Zündkerze, wenn sie unter Berücksichtigung dieses Anschlags montiert wird, erfindungsgemäß zu dem mindestens einen Einlasskanal ausgerichtet ist. Eine bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsform für die erfindungsgemäßen Mittel besteht darin, dass der Zylinder (insbesondere der Zylinderkopf) ein Montageloch mit Innengewinde umfasst, welches zur Aufnahme der Zündkerze ausgestaltet ist. Dabei umfasst die Zündkerze ein Außengewinde, welches derart an das Innengewinde angepasst ist, dass die Zündkerze nach der Montage, bei welcher die Zündkerze mit einem vorbestimmten Drehmoment in das Innengewinde geschraubt wird, mit der vorbestimmten Toleranz in die vorbestimmte Richtung bezüglich des mindestens einen Einlasskanals ausgerichtet wird.

Indem das Innengewinde des Zylinders und das Außengewinde der Zündkerze entsprechend angepasst sind, d.h. insbesondere derart ausgerichtet sind, dass die Zündkerze zur Montage in einer vorbestimmten Ausrichtung bezüglich des Zylinders angeordnet werden muss, damit das Innengewinde mit dem Außengewinde in Eingriff gebracht werden kann, kann die Endstellung (d.h. die Stellung nach der Montage) der Zündkerze und damit die Ausrichtung des offenen Endes der Massenelektrode zu dem mindestens einen Einlasskanal unter Berücksichtigung der Toleranz festgelegt werden.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird auch ein Herstellungsverfahren zur Herstellung eines Zylinders eines Verbrennungsmotors für ein Fahrzeug bereitgestellt. Gemäß diesem Herstellungsverfahren wird eine Zündkerze derart in dem Zylinder montiert, dass sichergestellt ist, dass die Zündkerze bezüglich eines oder mehrerer Einlasskanäle des Zylinders eine Orientierung in einem vorgegebenen Orientierungsbereich aufweist, damit bei laufendem Verbrennungsmotor eine Massenelektrode der Zündkerze durch einen von dem mindestens einen Einlasskanal erzeugten Luftstrom möglichst optimal gekühlt wird.

Mit anderen Worten stellt das Herstellungsverfahren sicher, dass die Zündkerze (insbesondere das offene Ende der Massenelektrode) nach der Montage die gewünschte Ausrichtung bezüglich des mindestens einen Einlasskanals aufweist. Ein Herstellungsverfahren, welches diese gewünschte Ausrichtung nur zufällig erreicht (also nicht bei jedem Zylinder gewährleistet), ist laut obiger Definition des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens kein erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren, da es die gewünschte Ausrichtung der Zündkerze zu dem mindestens einen Einlasskanal nicht sicherstellt.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren wird die Zündkerze insbesondere durch eine Drehung um die Mittellängsachse (oder Längsmittelachse) der Zündkerze in dem Zylinder angebracht. D.h. die Zündkerze wird durch die Drehung um die Mittellängsachse in den Zylinder (insbesondere den Zylinderkopf) geschraubt. Dabei wird die Zündkerze derart in eine Endstellung gedreht, dass das offene Ende der Massenelektrode unter Berücksichtigung der Toleranz in Richtung des mindestens einen Einlasskanals weist. Gemäß einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform des Herstellungsverfahrens umfasst die Zündkerze ein Außengewinde und der Zylinder ein Innengewinde. Dabei sind das Innengewinde und das Außengewinde derart zueinander angepasst, dass das offene Ende der Massenelektrode aufgrund der Anpassung des Innengewindes an das Außengewinde quasi zwangsläufig mit der vorbestimmten Toleranz in Richtung des mindestens einen Einlasskanals zeigt, wenn die Zündkerze in das Innengewinde geschraubt worden ist.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden auch Mittel zur Herstellung eines Zylinders eines Verbrennungsmotors für ein Fahrzeug bereitgestellt. Dabei sind diese Mittel derart beschaffen, dass mit Hilfe dieser Mittel die Zündkerze derart in dem Zylinder montiert werden kann, dass sichergestellt ist, dass die Zündkerze bezüglich eines oder mehrerer Einlasskanäle des Zylinders eine Orientierung in einem vorgegebenen Orientierungsbereich aufweist, damit bei laufendem Verbrennungsmotors eine Massenelektrode der Zündkerze durch einen von dem mindestens einen Einlasskanal erzeugten Luftstrom möglichst optimal gekühlt wird.

Wie bereits vorab ausgeführt worden ist, existieren für diese erfindungsgemäßen Mittel folgende Möglichkeiten:

• Markierungen, mit welchen dafür gesorgt wird, dass sichergestellt ist, dass die Zündkerze nach der Montage, bei welcher diese Markierungen berücksichtigt werden, die gewünschte Ausrichtung bezüglich des mindestens einen Einlasskanals aufweist.

• Ein Anschlag, mit welchem sichergestellt wird, dass die Zündkerze die gewünschte Ausrichtung bezüglich des mindestens einen Einlasskanals aufweist, wenn die Zündkerze bis zu dem Anschlag gedreht worden ist.

• Ausgerichtete Gewinde, d.h. insbesondere die Anpassung des Außengewindes der Zündkerze an das Innengewinde des Zylinders, wie es vorab beschrieben ist.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird eine Zündkerze bereitgestellt. Dabei ist das Gewinde der Zündkerze derart ausgestaltet, dass das Profil der Oberfläche des Gewindes gewalzt ist. Dieses Gewinde wird erzeugt, in dem ein Werkstück unter enormer Krafteinwirkung zwischen zwei sich drehenden Rollwerkzeugen verformt wird. Durch das Eindringen der Rollwerkzeugprofile in die Werkstückoberfläche wird das Material in kaltem Zustand bis in den Grund der Gewinderollwerkzeuge gedrückt und so bis auf das Nennmaß aufgerollt. Nach dem Walzen wird die Lage des Gewindes geprüft. Mit dem Wissen, wie das Gewinde an der jeweiligen Zündkerze ausgeführt ist, wird danach die Massenelektrode angebracht (geschweißt).

Darüber hinaus wird der Bund des Zündkerzenmetallgehäuses brennraumseitig so verlängert, dass der Zündkerzenbund mit der Zündkerzenkeramik abschließt oder etwas über die Zündkerzenkeramik heraussteht. Somit liegt die Zündkerzenkeramik als Isolator abgeschirmt im Gehäu- se. Durch diese Auslegung wird die mögliche Funkenstrecke so verändert, dass bei hoher Ladungsbewegung eine mögliche Gleitentladung nicht über die Keramik stattfindet, sondern an das Metallgehäuse ausgelenkt wird. Dadurch wird eine sichere Entflammung des Gemisches gewährleistet und die Keramik ist durch diese sichere Entflammung geschützt, da die Keramik auf gleicher Höhe oder unterhalb des Zündkerzengehäuses liegt.

Darüber hinaus wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Verbrennungsmotor für ein Fahrzeug bereitgestellt, wobei der Verbrennungsmotor einen erfindungsgemäßen Zylinder, welcher vorab beschrieben ist, umfasst.

Schließlich wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Fahrzeug bereitgestellt, welches einen erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor umfasst.

Im Rahmen von Untersuchungen zur Vorentflammung konnte ein klarer Trend beobachtet werden. Je kälter die Zündkerze ist, desto geringer ist die Häufigkeit, mit welcher Vorentflammungen für ein Betriebspunkt auftreten. Es wurde erkannt, dass die Zündkerze das heißeste Bauteil im Brennraum ist und somit eine Vorentflammung unterstützt. In der gesamten Ansaug- und Verdichtungsphase wird Wärme von der heißen Zündkerze auf das kältere Kraftstoff-Luft- Gemisch übertragen. Durch den erfindungsgemäßen gerichteten Einbau der Zündkerze werden die Temperaturen im gesamten Betriebskennfeld reduziert. Diese Temperaturabsenkung reduziert neben der Wahrscheinlichkeit einer Vorentflammung auch die Empfindlichkeit gegenüber Glühentzündungen, thermischer Überlastung und resultierenden Zündkerzenschäden.

Zusammenfassend weist die vorliegende Erfindung insbesondere den Vorteil auf, dass die Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer Vorentflammung verringert wird. Darüber hinaus wird die Belastung der Zündkerze vorteilhafterweise gesenkt und somit die Haltbarkeit der Zündkerze verlängert.

Die vorliegende Erfindung ist insbesondere zum Einsatz in Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen geeignet. Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf diesen bevorzugten Anwendungsbereich eingeschränkt, da die vorliegende Erfindung auch für Verbrennungsmotoren von Schiffen, Flugzeugen sowie gleisgebundenen Fahrzeugen oder spurgeführten Fahrzeugen geeignet ist.

Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter erfindungsgemäßer Ausführungsformen mit Bezug zu den Figuren im Detail beschrieben.

Fig. 1 stellt einen Zylinderkopf aus dem Zylinderinnenraum gesehen dar. Fig. 2 stellt einen Schnitt durch den Zylinderkopf gemäß der Schnittlinie 6 in Fig. 1 dar. Fig. 3 stellt eine erfindungsgemäße Zündkerze dar.

Fig. 4 stellt ein erfindungsgemäßes Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor dar.

In Fig. 1 ist ein Zylinderkopf betrachtet aus dem Innenraum eines Zylinders dargestellt. Man erkennt zwei Einlasskanäle 4 und zwei Auslasskanäle 5, wobei symmetrisch in der Mitte dieser Einlasskanäle 4 und Auslasskanäle 5 eine Zündkerze 1 angebracht ist.

In Fig. 2 ist eine Schnittdarstellung dargestellt, welche einen mit dem Bezugszeichen 6 in Fig. 1 dargestellten Schnitt durch die Mitte des Zylinderkopfs bzw. des Brennraums abbildet. Dabei ist links (in Fig. 2) ein Einlasskanal 4, rechts ein Auslasskanal 5 und in der Mitte die Zündkerze 1 dargestellt. Man erkennt die vom äußeren Rand der Zündkerze 1 zur Längsmittelachse der Zündkerze 1 hin gebogene Massenelektrode 2 der Zündkerze 1. Das mit dem Bezugszeichen 3 bezeichnete offene Ende der Massenelektrode 2 ist in der Fig. 2 genau nach links (also genau in Richtung des Schnitts 6) ausgerichtet. Daher ist das offene Ende 3 der Massenelektrode 2 genau zwischen die beiden Einlasskanäle 4 ausgerichtet.

In Fig. 3 ist ein Schnitt durch die Zündkerze 1 dargestellt. Der Zündkerzenbund 12 schließt mit der Zündkerzenkeramik 14 ab oder steht sogar über die Zündkerzenkeramik 14 heraus. Die Zündkerzenkeramik 14 liegt abgeschirmt in dem Zündkerzengehäuse 1 1 und bildet den Isolator.

In Fig. 4 ist ein erfindungsgemäßes Fahrzeug 10 dargestellt, welches einen erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor 8 aufweist. Dieser Verbrennungsmotor 8 umfasst seinerseits vier erfindungsgemäße Zylinder 7.