Die Erfindung betrifft eine passive Vorkammerzündkerze.

Zündkerzen sind bekannt. Sie dienen zur Entflammung des Brennraums eines Ottomotors, indem sie Zündfunken erzeugen, welche das Gasgemisch in der Brennkammer entzünden.

Bei einer normalen Zündkerze entsteht zum Zündzeitpunkt zwischen Mittelelektrode und Masseelektrode ein Funkenüberschlag, der durch die Zündspule erzwungen wird, indem sie den entsprechenden Zündspannungsbedarf zur Verfügung stellt. Vom Ort, an dem der Zündfunken entsteht, welcher abhängt von der Einbaulage und Position der Funkenstrecke, entzündet sich dadurch das im komprimierten Zylinder zur Verfügung stehende entflammbare Gasgemisch, genauer das Kraftstoff-Luftgemisch. Die Flammfront breitet sich dann mit einer entsprechenden Geschwindigkeit in Richtung Zylinderwand aus. Beim Ottomotor möchte man nun aus Effizienzgründen einen möglichst frühen Zeitpunkt umsetzen. Wann der ideale Zündzeitpunkt ist, hängt von vielen Faktoren ab.

Das Problem bei einer normalen Zündung ist die entstehende Flammfront, genauer die Geschwindigkeit, mit der sich das mittels der Zündkerze entflammte Gemisch im Brennraum ausbreitet. Idealerweise soll dieser Vorgang so schnell wie möglich sowie kontrolliert geschehen. Um eine schnelle Ausbreitung der Flammfront und eines dadurch umsetzbaren früheren Zündzeitpunktes zu erreichen, gibt es mehrere Möglichkeiten. Es könnte eine zusätzliche Zündkerze im Brennraum vorgesehen werden, um die Entflammung an unterschiedlichen Positionen im Zylinder gleichzeitig zu starten. Allerdings wird in diesem Fall im Zylinder sehr viel Bauraum für die zusätzlichen Zündkerzen benötigt. Zudem benötigt jede Zündkerze eine eigene Zündspule.

Alternativ kann das Vorkammer-Zündprinzip als Zündungsmethode verwendet werden. Vorkammerzündkerzen sind bereits bekannt. Diese werden allerdings bisher hauptsächlich in großvolumigen Industriemotoren, vor allem bei sehr großen Gasmotoren, eingesetzt. Im Automobilbereich werden Vorkammerzündkerzen bisher nur teilweise im Rennsport eingesetzt, da sie bisher noch nicht gelöste Nachteile mit sich bringen. Im Prinzip ist ein Vorkammerzündsystem so aufgebaut, dass eine vorhandene Zündkerze mit einer Kappe versehen ist, in der sich Löcher befinden. Vorkammersysteme werden in aktive und passive Systeme unterteilt. Vorkammerzündkerzen für die Anwendung im Fahrzeugbereich sind theoretisch bereits bekannt, z.B. aus der DE102017221517A1 , der DE102017011209B3, oder aus der DE102017222084A1.

Das Hauptproblem für die Verwendung von passiven Vorkammerzündkerzen im Automobilbereich ist der Betriebsbereich, in dem sie zuverlässig arbeitet. Den größten nutzbaren Vorteil hat sie bei hohen Drehzahlen und Lasten, weshalb Vorkammerzündkerzensysteme auch bisher nur im Rennsportbereich eingesetzt wurden. Eine Vorkammerzündkerze besteht aus einem durch die Kappe gebildeten Vorkammervolumen und den notwendigen Austrittsöffnungen, welche die in der Vorkammer erzeugte Entflammung mit einem entsprechenden Austrittsdruck seitlich in den Brennraum ableiten, idealerweise gleichzeitig und effizient in viele Bereiche und speziell in die äußeren Brennraumbereiche. Dabei soll der Brennraum so schnell wie möglich entzündet werden, also ohne verschleppte Verbrennung, wie es von normalen Zündsystemen bekannt ist. Nur dann lässt sich der Zündzeitpunkt optimaler auslegen.

Um dies zu gewährleisten wäre es möglich, eine Vorkammer durch eine ideale Umsetzung von Vorkammervolumen, Anzahl, Querschnitte, Lage und Form der Austrittsdüsen zu konstruieren bzw. auszulegen. Allerdings hat sich dies bisher über den gesamten Drehzahl-, Last-, Temperaturbereich aus folgenden Gründen als sehr schwer erwiesen. Wird die Vorkammerzündkerze für den oberen Drehzahl- bzw. Lastbereich ausgelegt, in dem sie die meisten Vorteile hat, können im unteren Drehzahl- bzw. Lastbereich, insbesondere bei niedrigen Temperaturen oder im Startvorgang, Probleme auftreten, da sie dann nicht immer zuverlässig zündet. Wird sie hauptsächlich für einen unteren Drehzahl- bzw. Lastbereich ausgelegt, kann im oberen Drehzahlbereich nicht mehr das volle Potential genutzt werden. Um dieses Problem zu lösen gibt es bereits Überlegungen, eine zweite, kleinere, normale Luftfunkenzündkerze im Bereich der Einlassventile umzusetzen, welche für eine sichere Entflammung im unteren Teillastbereich sorgen soll, siehe Patentanmeldung EP3453856A1. Dies würde aber bedeuten, dass neben einer schon aufwendigeren Vorkammerzündkerze mit Zündspule noch eine zweite, normale Zündkerze mit zusätzlicher zweiter Zündspule pro Zylinder umgesetzt werden muss. Die Kosten, der Aufwand für die bauliche Umsetzung sowie der Ansteuerungsaufwand steigen dadurch extrem.

Um bei einem aktuellen Verbrennungsmotor nicht das gesamte konstruktive Konzept des Zylinderkopfes anpassen zu müssen und um keinen zusätzlichen Bauraum Vorhalten zu müssen, ist es also nötig, eine Lösung zu finden, um eine konstruktiv und bezüglich Betrieb weniger aufwendige, passive Vorkammerzündkerze bereitzustellen, durch die in allen Drehzahl- bzw. Lastbereichen und möglichst in allen Temperaturbereichen eine zuverlässige Zündung des Kraftstoff-Luftgemischs realisiert werden kann.

In allen diesen Konzepten werden Luftunkenzündkerzen verwendet, da diese im Vergleich zu auch bereits bekannten Gleitfunkenzündkerzen einfacher in der Auslegung und Handhabung sind. Dennoch können Gleitfunkenzündkerzen Vorteile mit sich bringen, die bisher nicht genutzt werden.

Deshalb ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, eine entsprechende passive Vorkammerzündkerze bereitzustellen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Vorgeschlagen wird eine passive Vorkammerzündkerze zur Anwendung im Brennraum eines Fahrzeugmotors, aufweisend eine obere Vorkammer mit mindestens einer oberen Öffnung, über welche die obere Vorkammer mit dem Brennraum verbunden ist, sowie eine obere Luftfunkenstrecke, über welche ein Luft-Zündfunken gebildet werden kann. Ferner ist eine Mittelelektrode an einem oberen Bereich der oberen Vorkammer vorgesehen. Ein diesem Bereich gegenüberliegender Boden der oberen Vorkammer ist als ein Isolator gebildet, wobei durch den Isolator ein elektrisch leitendes Element oder ein Schlitz durchgängig von der oberen Vorkammer in einen unteren Bereich unterhalb des Bodens geführt ist, und wobei der untere Bereich entweder als zweite Vorkammer gebildet ist oder direkt im Brennraum angeordnet ist. In diesem unteren Bereich ist eine Masseelektrode derart vorgesehen, dass eine untere Gleitfunkenstrecke, über welche ein Gleitzündfunken gebildet werden kann, zwischen der Masseelektrode und dem elektrisch leitenden Element oder dem Schlitz gebildet ist.

Durch die vorgeschlagene passive Vorkammerzündkerze, bei der ein Luftfunken und ein Gleitfunken innerhalb einer Zündkerze gebildet werden, wird eine einfache, hoch effiziente Auslegung im obersten Drehzahl- bzw. Lastbereich, sowie gleichzeitig eine sichere Entflammung im unteren Drehzahl- bzw. Lastbereich gewährleistet. Hierfür sind lediglich eine einzige verbaute Zündeinheit und nur eine einzige Zündspule nötig und es wird zudem kein zusätzlicher Bauraum benötigt.

Des Weiteren ist vorgesehen, dass der untere Bereich als eine untere Vorkammer gebildet ist, und wobei in der unteren Vorkammer mindestens eine untere Öffnung vorgesehen ist, über welche die untere Vorkammer mit dem Brennraum verbunden ist. Das elektrisch leitende Element und die Masseelektrode sind derart angeordnet, dass die beiden Funkenstrecken in Reihe zueinander liegen.

Des Weiteren ist vorgesehen, dass der untere Bereich direkt im Brennraum liegt, wobei das elektrisch leitende Element und die Masseelektrode derart angeordnet sind, dass die beiden Funkenstrecken in Reihe zueinander liegen. Des Weiteren ist vorgesehen, dass das elektrisch leitende Element ein metallische Einlegeteil ist.

Des Weiteren ist vorgesehen, dass die Breite des Schlitzes deutlich kleiner ist als der Abstand zwischen Masseelektrode und oberen Öffnungen.

Die Breite des Schlitzes benötigt nur Bruchteile eines Millimeters. Die Öffnung ist im Verhältnis zu den Auslassdüsen vernachlässigbar klein. Wichtig ist, dass die Strecke zwischen den Elektroden möglichst klein bleibt, also die Strecke zwischen Mittelelektrode und dem leitenden Element bzw. Schlitz und dem leitenden Element bzw. Schlitz und der Masseelektrode.

Des Weiteren ist vorgesehen, dass der Isolator als eine isolierende Keramik gebildet ist.

Ferner wird ein Fahrzeugmotor mit mindestens einer beschriebenen passiven Vorkammerzündkerze bereitgestellt.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungsgemäße Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.

Figur 1 zeigt eine Außenansicht einer Ausführung einer Vorkammerzündkerze gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.

Figur 2 und 3 zeigen einen Querschnitt von Vergrößerungen des unteren Bereichs einer Vorkammerzündkerze gemäß unterschiedlichen Ausführungen der vorliegenden Erfindung. Figur 4 und 5 zeigen einen Querschnitt von Vergrößerungen des unteren Bereichs einer Vorkammerzündkerze gemäß alternativen, unterschiedlichen Ausführungen der vorliegenden Erfindung

In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Das Grundkonzept der Erfindung ist es, eine passive Vorkammerzündkerze bereitzustellen, durch die in allen Drehzahl- bzw. Lastbereichen und möglichst in allen Temperaturbereichen eine zuverlässige Zündung des Kraftstoff-Luftgemischs realisiert werden kann, ohne zusätzlichen Bauraum zu benötigen.

Dies wird durch die vorgeschlagene passive Vorkammerzündkerze erreicht, bei der lediglich eine einzige Zündeinheit mit nur einer einzigen Zündspule nötig ist. Somit wird das Problem bisher bekannter Vorkammerzündkerzen gelöst, nämlich, dass eine optimale Auslegung bisher nur entweder für Voll-Last oder für Teillast bzw. Kaltstart möglich war.

Die Methodik der Bereitstellung eines Zündfunkens in einem Fahrzeug am Verbrennungsmotor ist bekannt. Eine Spule mit einer Primärwicklung mit relativ geringer Wicklungszahl sowie einer Sekundärwicklung mit hoher Wicklungszahl wird bereitgestellt. Somit kann eine Spannung hoch transformiert werden. Die Primärseite der Spule ist an einem Wicklungsende an der Versorgungsspannung gekoppelt. Das andere Wicklungsende wird über einen IGBT als Endstufe der Masse zugeführt. Um einen Zündfunken zu erzeugen, muss zunächst die Primärseite der Zündspule mit Energie geladen werden. Um dies zu erreichen, muss man zu einem ersten Zeitpunkt den IGBT durchschalten, damit durch die Spule ein Strom fließen kann. Die Spule hat eine Induktivität, so dass der Strom mit L*di/dt ansteigt. Der Ladestrom hat durch die Induktivität keinen linearen Verlauf, aber er geht nach dem induktiven Verhalten in den ohmschen Bereich bzw. in die Sättigung über. Das ist der Bereich, dem eine Spule nicht lange standhält, da sie sich dadurch stark erwärmt und letztendlich selbst zerstört.

Daher sollte kurz vor diesem stationären Punkt der Zündzeitpunkt sein. Bei normalen Zündspulen beträgt die Ladezeit bis zum idealen Zündzeitpunkt beispielsweise etwa 3ms. Die Anpassung erfolgt über ein Kennfeld abhängig von der aktuellen Bordnetzspannung. Das heißt, wenn das Bordnetz von der Spannung her eher schwach ist, dann wird eine etwas längere Schließzeit gewählt, und wenn das Bordnetz eine sehr hohe Spannung hat, dann wird die Schließzeit etwas kürzer gewählt. Bei der softwareseitigen Applikation einer Zündung muss also genau bekannt sein, wann die Zündung erfolgen soll, wie lange die Ladezeit einer Zündspule ist und wann begonnen werden muss, die Zündspule mit Energie zu versorgen.

Zum idealen Zeitpunkt entsteht der Zündfunken dann in etwa wie folgt. Wenn die Endstufe (IGBT) nicht mehr angesteuert wird, wird diese sehr schnell hochohmig. Die Endstufe lässt also keinen Stromfluss mehr zu. Die Spule verhält sich wie ein induktiver Energiespeicher. Sie hat das Verlangen, den Strom aufrecht zu erhalten, was jedoch wegen der hochohmigen Endstufe nicht geht. Zum Ausgleich treibt sie dadurch zwischen den Wicklungsenden die Spannung hoch. Da die Zündspule wie ein Transformator aufgebaut ist, passiert dies auch an der Sekundärwicklung, jedoch mit der entsprechend hohen Übersetzung. Die Spannung an den Wicklungsenden der Sekundärwicklung steigt also zu diesem Zeitpunkt nochmals um ein Vielfaches. Die Sekundärwicklung ist im Prinzip an jedem Ende der Wicklung an Massen angebunden. Es gibt jedoch die Unterbrechung durch die Luftstrecke an der Zündkerze, die sogenannte Funkenstrecke. Diese Luftstrecke bzw. Funkenstrecke ist jedoch für den Stromfluss kein Hindernis, wenn eine entsprechend hohe Spannung an der Zündkerze anliegt. Irgendwann ist die Spannung ausreichend, damit sich ein Plasmakanal bildet und der Strom in Form eines kleinen Blitzes (Zündfunkens) überschlägt.

Bei normalen atmosphärischen Bedingungen werden etwa 1kV pro Millimeter Luftstrecke benötigt, um den Überschlag zu erreichen. In einem Brennraum, in dem der Kolben das entflammbare Gemisch extrem komprimiert hat, kann die benötigte Spannung aber auch bei etwa 30kV liegen, um diesen einen Millimeter zu überspringen. Eine Zündspule kann außerdem relativ einfach auf alle möglichen benötigen Zündspannungsbedarfe auslegen. Auch höhere Spannungen von 40kV oder 60kV sind kein Problem, wenn die entsprechenden Isolationsbedarfe in der Zündspule, auf dem Weg zur Zündkerze und an der Zündkerze bis hin zur Funkenstrecke entsprechend ausgelegt werden. Der Zündspannungsbedarf, damit ein Funke überschlägt, ist also abhängig von der Luftstrecke und von den Umgebungsbedingen, also dem Medium im Bereich der Funkenstrecke, dem Druck, der Temperatur und Luftfeuchtigkeit. Bei einer Funkenstrecke von 1mm und unter normalen atmosphärischen Bedingungen springt der Funke über, wenn eine Zündspule eine Sekundärspannung von 1kV erreicht.

Verdoppelt sich die Strecke, verdoppelt sich auch die Spannung, die notwendig ist, um die Luftstrecke zu überwinden. In diesem Fall werden zum Überspringen von 2mm Luftstrecke 2kV benötigt. Werden die Umgebungsbedingungen verändert, indem sich z.B. der Umgebungsdruck, das Medium um die Funkenstrecke herum oder die Temperatur erhöhen, dann steigt auch die Spannung an, die notwendig ist, um den Luftspalt zu überwinden. Aus 1kV für 1mm Luftspalt können dann auch schnell 20kV oder mehr werden. Das ist z.B. der Fall, wenn in einem Zylinder der Kolben das Luftkraftstoffgemisch komprimiert hat. Andererseits sucht sich der Funke den leichtesten Weg, um ein gut isolierendes Element wie Luft oder Gas zu überbrücken. Gegenüber isolierender Keramik ist Luft oder ein komprimiertes Gas jedoch immer noch ein guter Leiter. Im Falle eines Gleitfunkens sucht sich der Funke ebenfalls den leichtesten Weg, der aber nicht durch einen Überschlag in Luft, sondern durch ein Kriechen entlang eines festen Mediums gegeben ist.

Genau diese beiden Effekte werden für die vorliegende Erfindung wie folgt genutzt. Wenn in die Funkenstrecke ein sehr gut leitendes Element, das jedoch vom Gesamtsystem isoliert ist, eingefügt wird, verringert sich die Funkenstrecke um die Länge des leitenden Elements. Es ist also egal, ob 2*0, 5mm oder 1*1 mm Funkenstrecke vorhanden sind. Es ist auch egal, ob die leitende Unterbrechung der Funkenstrecke 1mm oder 1m beträgt, solange sie gut leitend ist. Der Zündspannungsbedarf, den die Zündspule erreichen muss, bleibt gleich. Der Zündfunke entsteht zudem an beiden Funkenstrecken zum gleichen Zeitpunkt. Wichtig ist, dass der Abstand von der Zündelektrode zu einer Fremdmasse deutlich länger ist als die gewünschte Funkenstrecke, da ansonsten der Funke nicht an der gewünschten Funkenstrecke überschlägt. Im Falle des Gleitfunkens ist die Masseelektrode möglichst nahe an der Zündelektrode oder, wie in der nachfolgend beschriebenen vorliegenden Erfindung, möglichst nahe am leitenden Element bzw. Schlitz am unteren Bereich unterhalb der Vorkammer vorgesehen, damit ein Kriechen des Funkens möglich ist.

Dasselbe gilt, wenn eine isolierende Blockade in der Funkenstrecke verwendet wird. Wenn die Zündspannung, welche die Zündspule zur Verfügung stellen kann, größer ist als der Zündspannungsbedarf, um an dieser Blockade vorbei zu kommen, dann wird trotzdem der Zündfunkte überspringen. Wenn jedoch die gesamte Zündfunkenstrecke eine isolierende Einhüllende mit einer Blockade enthält, dann springt kein Funken über. Bei einer isolierenden Keramik reicht allerdings bereits ein kaum sichtbarer Flaarriss, damit ein Funke eine solche isolierende Keramik durchdringen kann. Genau diesen beschriebenen physikalischen Umstand nutzt die Erfindung, um eine spezielle Art von Vorkammerzündkerze bereitzustellen.

Zündspulen sind wie folgt beschrieben und in den Figuren gezeigt aufgebaut, wobei hier lediglich eine sehr vereinfachte Beschreibung erfolgt, um das Grundprinzip zu erläutern. Die Zündkerze 1 weist an ihrem obersten Bereich einen Anschlussadapter 10 zur Zündspule bzw. Zündleitung auf. Dieser kann z.B. ein SAE-Kopf oder eine Ausführung mit Gewinde sein. Der Anschlussadapter 10 ist leitend mit der Mittelelektrode 11 der Zündkerze 1 verbunden. Diesen leitenden Flochspannungskern umgibt eine isolierende Keramik 12. Unterhalb der isolierenden Keramik 12 ist eine Metalleinheit 13 angeordnet, mit deren Hilfe die Zündkerze 1 in den Zylinderkopf verschraubt werden kann. Dabei bildet das Zündkerzengewinde 14 die mechanische, elektrische und thermische Verbindung zum Zylinderkopf. Der Anschlussadapter 10, die darunterliegende isolierende Keramik 12, sowie der Verschraubansatz für den Zündkerzenschlüssel sind im Kerzenschacht untergebracht.

Das untere Gewinde schließt im Normalfall bündig mit dem Zylinder ab. Unterhalb des Zündkerzengewindes 14 ragt die Mittelelektrode 11 in den Brennraum. Unterhalb davon befindet sich im Abstand über einen definierten Luftspalt die Masseelektrode 15. Die Masseelektrode 15 ist elektrisch mit dem Zündkerzengewinde 14 verbunden. Die Mittelelektrode 11 und Masseelektrode 15 mit Zündkerzengewinde 14 sind mittels der isolierenden Keramik 12 voneinander getrennt. Den engsten Punkt bildet dabei die Luftfunkenstrecke im Brennraum. Die isolierende Keramik 12, d.h. die genaue Ausführung der Verbindung zwischen Mittelelektrode 11 und Befestigungsmasse, hat noch eine weitere wichtige Aufgabe. Sie sorgt für den richtigen Wärmewert der Zündkerzen-Mittelelektrode. An der Mittelelektrode 11 dürfen bestimmte Temperaturen nicht erreicht werden, damit es z.B. nicht zu ungewollten Glühzündungen kommt. Daher müssen die Temperatur, die durch den Brennraum an die Mittelelektrode 11 eingeleitet wird, die Temperaturentwicklungen an der Mittelelektrode oder am übertragenden, leitenden Pin möglichst effizient weggeführt werden. Dies wird sichergestellt, indem die isolierende Keramik 12 breitbandiger und nur schmal an die Verschraubungsmasse herangeführt wird.

Nachfolgend wird kurz das Prinzip von Vorkammerzündkerzen 1 beschrieben. Passive Vorkammerzündkerzen unterscheiden sich von normalen Luftfunkenzündkerzen nur durch eine Kappe 16 im unteren Teil. Die Funkenstrecke liegt also nicht mehr direkt im Brennraum, sondern ist durch diese Kappe 16 davon getrennt. In der Kappe 16 befinden sich mehrere Öffnungen 17. In der durch die Kappe 16 gebildeten Vorkammer befindet sich, ähnlich wie bei einer normalen Luftfunkenzündkerze, eine Funkenstrecke.

Wenn im Zylinder der Kompressionstakt einsetzt, dann kommt es auch zwischen Zylinder und Vorkammer durch die vorhandenen, als Bohrungen oder Austrittsdüsen wirkenden Öffnungen 17 zu einem Druckausgleich. Es strömt also etwas vom im Zylinder befindlichen Kraftstoff-Luft-Gemisch in die Vorkammer. Wenn die Steuereinheit nun die Bestromung der Zündspule beendet, kommt es zur Hochspannungsentwicklung an der Zündspulensekundärseite und somit auch an der Mittelelektrode 11. In der Vorkammer kommt es nun ähnlich wie bei einer normalen Luftfunkenzündspule zu einem Funkenüberschlag. Dieser Funkenüberschlag entzündet das entflammbare Gemisch in der Vorkammer. In der Vorkammer passiert nun dasselbe wie üblicherweise im Zylinder einer normalen Luftfunkenzündspule, wenn komprimiertes Gemisch entzündet wird, nur in sehr viel kleinerem Maßstab. Das Gas dehnt sich aus, kann aber im Gegensatz zu einem Zylinder, bei dem dadurch der Kolben nach unten bewegt wird, in der Vorkammer nur durch die Öffnungen 17 entweichen. Diese Öffnungen 17 sind meist ringförmig um die Vorkammer angeordnet, damit die herausgedrückten Vorkammerflammen durch ihren eigenen Druck möglichst viel vom komprimierten Zylinder gleichzeitig erreichen. Gegenüber einer einfachen Zündkerze, die nur an der Luftfunkenstrecke zuerst den komprimierten Brennraum entflammt bzw. die Entflammung anstößt, kann man mittels der Vorkammerzündkerze der komprimierten Brennraum sehr schnell und einheitlich entzündet werden, da die sich ausbreitende Flammfront deutlich reduziert und der Zündzeitpunkt somit nicht verschleppt wird. Ein Verbrennungsmotor kann dadurch effizienter betrieben werden.

Wie bereits einleitend erwähnt, hat die Vorkammerzündkerze 1 sehr viele Vorteile, wenn sie sehr günstig auslegt wird, insbesondere durch die Ausformung und/oder Anzahl der Öffnungen 17 sowie der Gestaltung der Vorkammer 30 mit der Funkenstrecke 20. Speziell das Vorkammervolumen in Verhältnis zu der Anzahl der Öffnungen 17 und deren Querschnitte und Form kann sehr effizient an einen bestimmten Drehzahl- und Lastbereich angepasst werden. Aber genau hier hat das bisher bekannte Vorkammersystem einen Nachteil. Eine normale Luftfunkenzündkerze 1 entzündet zwar nicht so effizient den Brennraum, aber sie entzündet ihn auf jeden Fall über den gesamten Drehzahl- und Lastbereich. Eine Vorkammerzündkerze 1 kann bisher konstruktiv nicht über den gesamten Drehzahl- und Lastbereich ausgelegt werden. Somit kann es zu Schwierigkeiten bei der Zündung im Kaltstart und/oder bei niedrigen Drehzahlen oder in der Teillast kommen. Dies ist dann der Fall, wenn aufgrund der Auslegung z.B. auf den Punkt der maximalen Leistung nicht genügend entflammbares Gemisch in die Vorkammer kommt. Um eine Vorkammerzündkerze 1 über den gesamten Betriebsbereich auszulegen, kann es sein, dass die enormen Vorteile im Volllastpunkt drastisch reduziert werden müssten.

Um eine Vorkammerzündkerze 1 über den gesamten Drehzahl- und Lastbereich auszulegen, wird das nachfolgend beschriebene Prinzip angewendet.

Im Wesentlichen sind zwei Ausführungen möglich. In einer ersten Ausführung kann eine passive Vorkammerzündkerze 1 mit einer doppelten Vorkammer 30, 31 , die eine nachfolgend beschriebene Zwischenwand mit Isolator 40 und elektrisch leitendem Element 50 aufweist, bereitgestellt werden, wie in Figur 1 schematisch angedeutet. In einer alternativen, zweiten Ausführung kann eine einzelne Vorkammer 30 bereitgestellt werden, deren zur Masseelektrode 15 weisender Boden wie die Zwischenwand der Vorkammerzündkerze 1 mit doppelter Vorkammer 30, 31 gebildet ist, und bei welcher der untere Bereich unterhalb der oberen Vorkammer 30 direkt in Verbindung mit dem Brennraum steht. In beiden Fällen wird in der oberen Vorkammer 30 eine Luftfunkenstrecke und im unteren Bereich, also unterhalb der Vorkammer 30, eine Gleitfunkenstrecke bereitgestellt, bei welcher der Funke entlang des Isolators 40 kriecht. Für die Gleitfunkenstrecke wird die Masseeielektrode 15 nahe am Isolator 40 angeordnet. Mögliche konstruktive Ausgestaltungen werden nachfolgend im Detail beschrieben.

Grundsätzlich ist der obere Aufbau der Vorkammerzündkerze 1 , also vereinfacht gesehen der Anschlussadapter 10, die Mittelelektrode 11, die isolierende Keramik 12 und die Metalleinheit 13 in allen Ausführungen derselbe wie bei einer normalen passiven Vorkammerzündkerze 1. Im unteren Aufbau unterscheidet sie sich vom Aufbau bisher bekannter Vorkammerzündkerzen 1 wie nachfolgend anhand unterschiedlicher Ausführungsbeispiele beschrieben in einigen Bereichen.

In einer ersten Ausführung wird eine passive Vorkammerzündkerze 1 mit doppelter Vorkammer 30, 31 beschrieben. Die doppelte Vorkammer 30, 31 weist eine obere Vorkammer 30 und eine untere Vorkammer 31 auf. Am oberen Bereich der oberen Vorkammer 30 ragt die Mittelelektrode 11 heraus, und am unteren Bereich der unteren Vorkammer 31 ist die Masseelektrode 15 angeordnet.

In dieser doppelten Vorkammer 30, 31 sind zwei in Reihe liegende Funkenstrecken 20, 21 vorgesehen, d.h. die erste bzw. obere Funkenstrecke 20 ist in der oberen Vorkammer 30 vorgesehen und die zweite, untere Funkenstrecke 21 ist in der unteren Vorkammer 31 vorgesehen. Wie bereits einleitend beschrieben, können durch die in Reihe liegenden Funkenstrecken 20, 21 Zündfunken erzeugt werden, die durch die gleiche Hochspannung und zum gleichen Zeitpunkt erzeugt werden und durch welche die gleichzeitige Entflammung zweier getrennter Vorkammern 30, 31 ermöglicht wird.

In dieser Ausführung sind auch eine Reihe von Öffnungen 17, die der oberen Vorkammer 30 zugeordnet ist und mindestens eine der unteren Vorkammer 31 zugeordnete Öffnung 18, vorhanden, wie in Figur 1 schematisch gezeigt. Wie aber schon in der Einführung beschrieben, benötigt es lediglich für den oberen Drehzahl- und Lastbereich eine Vorkammerzündkerze 1. Im unteren Teillastbereich wird keine Vorkammer benötigt, d.h. es würde eine normale Zündkerze 1 , die nach dem Prinzip des Gleitfunkens funktioniert, ausreichen. Deshalb wird in einer alternativen Ausführung eine kombinierte Zündkerze 1 verwendet, die eine Vorkammerzündkerze 1 und eine Gleitfunkenzündkerze 1 wie folgt kombiniert. Es ist also lediglich eine einzelne Vorkammer, nämlich die obere Vorkammer 30, mit der ersten bzw. oberen Funkenstrecke 20 vorhanden. Die zweite Funkenstrecke 21 wird wie bei einer Gleitfunkenzündkerze 1 bereitgestellt, d.h. die Masseelektrode 15 ist in möglichst geringem Abstand zum Boden der ersten Vorkammer 30 angeordnet, so dass ein Kriechen des Funkens über den Isolator 40 zu Masseelektrode 15 möglich ist. Somit sind dennoch zwei Funkenstrecken 20, 21 vorhanden, wie in Figuren 2 bis 5 zu sehen.

Die Trennung der beiden Vorkammern 30, 31 bzw. die Bereitstellung der beiden Funkenstrecken 20, 21 erfolgt dabei durch einen z.B. als isolierende Keramik gebildeten Isolator 40. Der Isolator 40 ist in den Ausführungen mit doppelter Vorklammer 30, 31 als Trennwand, welche gleichzeitig den Boden der oberen Vorkammer 30 und die Decke der unteren Vorkammer 31 bildet, gebildet. In den Ausführungen mit lediglich der oberen Vorkammer 30 bildet er den Boden der oberen Vorkammer 30, der die obere Vorkammer 30 von dem darunterliegenden, unteren Bereich trennt.

In allen Ausführungen ist in der Mitte des Isolators 40 ist ein elektrisch leitendes Element 50 eingefügt, welches den Funken unterbricht, jedoch elektrisch weiterleitet, wie oben bereits beschrieben. Das elektrisch leitende Element 50 kann in unterschiedlichen Arten gebildet sein, wie nachfolgend beschrieben.

Wie in Figuren 2 und 4 gezeigt, welche Querschnitte durch eine erfindungsgemäße Vorkammerzündkerze zeigen, kann das elektrisch leitende Element 50 als Einlegeteil gebildet sein. Die Form des Einlegeteils ist dabei nicht ausschlaggebend. Es muss lediglich eine elektrisch leitende Verbindung von der oberen Vorkammer 30 in den darunterliegenden Bereich, also den unteren, in der Brennkammer befindlichen Bereich, oder die untere Vorkammer 31 ermöglichen, um die Verbindung zur unteren Funkenstrecke 21 bereitzustellen. Das elektrisch leitende Element 50 kann alternativ zum Einlegeteil auch lediglich als durchgehender Schlitz 51 in dem Isolator 40 gebildet sein, wie in Figuren 3 und 5 gezeigt. Hierbei ist darauf zu achten, dass der Schlitz 51 eher die Dicke eines Flaarrisses aufweist als die eines Bohrlochs. Ein Flaarriss ist ein für das bloße menschliche Auge in der Regel nicht sichtbarer Riss von meist deutlich weniger als 1mm, in der Regel eher 0,1mm oder weniger.

Die in der zweiten Vorkammer 31 oder im unteren Bereich bzw. im Brennraum vorgesehene zweite Funkenstrecke ist eine Gleitfunkenstrecke, wie in Figuren 1 bis 5 als prinzipielles Schemabild gezeigt ist. Dabei ist die Masseelektrode 15 in einem sehr geringen Abstand unterhalb des Bodens der oberen Vorkammer 30, also dem Isolator 40, angeordnet, so dass die untere Funkenstrecke 21 als Gleitfunkenstrecke realisiert ist. Um einen Gleitfunken zu erzeugen, muss die Masseelektrode 15 nahe genug an dem Isolator 40 angeordnet werden.

In der Variante ohne elektrisch leitendem Element 50, also in der Variante mit Schlitz 51, ist die Strecke durch den Schlitz 51 auch eine Luftfunkenstrecke, auch wenn an der Stelle, an der der Funken in dem Schlitz 51 durchschlägt, der Funken den Isolator 40 minimal berührt.

In den oben beschriebenen Ausführungen wird lediglich eine einzige Zündkerzeneinheit mit einer einzigen Zündspule benötigt. Jede der beiden Funkenstrecken 20, 21 kann somit für einen bestimmten Drehzahllastbereich ausgelegt werden. Somit kann der gesamte Drehzahl- und Lastbereich effizient abgedeckt werden ohne zusätzlichen Bauraum oder zusätzliche Bauelemente zu benötigen.

Der grundsätzliche Aufbau des unteren Bereichs der passiven Vorkammerzündkerze ist für alle Ausführungen im Wesentlichen gleich. Bereitgestellt wird eine als metallische Außenhülse vorgesehene Vorkammerhülse mit Öffnungen 17, bzw. 17 und 18, Schraubgewinde 14 sowie der Masseelektrode 15. Je nach Ausführung ist die Masseelektrode 15 in der unteren Vorkammer 31 angeordnet. Oder sie ist an einem Trägerbauteil 60 befestigt und direkt im Brennraum unterhalb des Isolators 40 angeordnet. Der untere Boden der zweiten Vorkammer 31 bzw. das Trägerbauteil 60 sind ebenfalls Teil der Masseelektrode. Der mit 15 bezeichnete Teilbereich der eigentlichen Masseelektrode kann, wie in den Figuren dargestellt, als eine Spitze gebildet sein, um einen definierten Überschlagpunkt zu schaffen. Außerdem kann die Spitze aus besonders widerstandsfähigem Material gebildet sein, um den Verschleiß zu verringern. Es ist allerdings nicht nötig, eine Spitze bereitzustellen. Wenn lediglich eine einzelne Masseelektrode 15 vorhanden ist, kann diese direkt unterhalb des elektrisch leitenden Elements 50 angeordnet sein.

Alternativ kann die Masseelektrode 15 auch in Form eines Ringes gebildet sein, der gleichzeitig als Auflage für den Isolator 40 dient und diesen somit stabilisiert, wie in Figuren 4 und 5 für die Ausführung mit elektrisch leitendem Element 50 und für die Ausführung mit Schlitz 51 gezeigt. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass mehrere Masseelektroden 15 vorgesehen sind. Diese können gebildet sein, indem der Ring als unterbrochener Ring gebildet ist, so dass die einzelnen Masseelektroden 15 voneinander beabstandet und dadurch voneinander getrennt sind.

In diese metallische Außenhülse wird nun bündig eine isolierende Keramikeinheit, die aus der isolierenden Keramik 12 und einer Keramik-Einsteckhülse gebildet ist, eingeschoben. Diese Keramik-Einsteckhülse hat sowohl zu den Öffnungen 17 korrespondierende Austrittslöcher 171 für den Plasmaaustritt, als auch einen als isolierende Keramik-Trennwand gebildeten Isolator 40 zur Trennung der oberen Vorkammer 30 von der unteren Vorkammer 31 bzw. zum unteren, offenen Bereich. Mittig in der isolierenden Keramik-Trennwand 40 ist ein leitendes Element 50 oder ein Schlitz 51 eingearbeitet. Die isolierende Keramik 12 und die Keramik-Einsteckhülse müssen nicht zwingend getrennt gebildet sein. Der gesamte Aufbau könnte auch als ein einziges Keramikteil realisiert werden.

Die Öffnungen 17, 18 und die Austrittslöcher 171 können bei der Fierstellung auch erst nachträglich durch einen Bohrvorgang durch metallische Außenhülse sowie keramische Innenhülse umgesetzt werden.

Die Trennung der ersten Vorkammer zum darunterliegenden Bereich kann, wie beschrieben, durch einen Schlitz 51 im Isolator 40 erfolgen, oder durch ein im Isolator von der oberen Vorkammer zum unteren Bereich durchgängiges metallisches Einlegeteil.

Bei der Variante, in der ein Schlitz 51 vorgesehen ist, weist die Keramik zwischen den beiden Elektroden (Zündelektrode und Masseelektrode), also in der gleichen Schnittlinie, einen sehr kleinen Schlitz 51 auf, der es dem Funken erlaubt, hindurch zu schlagen. Dieser Schlitz 51 benötigt nur Bruchteile eines Millimeters und ist z.B. in der Dicke eines Haarrisses gebildet. Der Schlitz 51 ist im Verhältnis zu den Auslassdüsen bzw. Öffnungen 17 vernachlässigbar klein. Wichtig ist, dass die Strecke zwischen den Elektroden 11 und 15 möglichst klein bleibt, also die Strecke zwischen Mittelelektrode 11 und dem leitenden Element 50 bzw. dem Schlitz 51 , und dem leitenden Element 50 bzw. Schlitz 51 und der Masseelektrode 15. Ein Grund für diese Voraussetzung ist der benötigte Zündspannungsbedarf, den die Zündspule liefern muss, und der bei größerem Abstand immer größer wird, insbesondere bei einem Schlitz 51 , also einer durchgängigen Öffnung ohne Einlegeteil, die auch als Luftschlitz bezeichnet werden kann. Außerdem muss in der oberen Vorkammer 30 die Funkenstrecke im Verhältnis zur Strecke zwischen Mittelelektrode 11 und Außenmasse immer deutlich kleiner sein. Ansonsten würde der Funke nicht von der Mittelelektrode 11 zum leitenden Element 50 bzw. Schlitz 51 springen, sondern den leichteren Weg zur Außenelektrode nehmen. Im unteren Bereich sollte die Masseelektrode 15 möglichst nahe am Isolator 40 angeordnet sein, damit der Funke über den Isolator 40 kriecht.

Die Varianten mit dem leitenden Element 50 haben die Vorteil, dass sie weniger Zündspannungsbedarf benötigen, da die Funkenstrecke in zwei Strecken unterteilt ist und das leidende Element 50 keinen Spannungsabfall erzeugt. Bei der Variante mit dem Schlitz 51 ist der Vorteil, dass kein zusätzliches metallisches Element vorgesehen werden muss, das sich erhitzt und evtl zu Glühzündungen führen kann.

Die Keramik, also der Isolator 40, sollte so ausgelegt werden, dass er die zwei Zündbereiche (isolierend zur Außenmasse) trennt, den mechanischen Belastungen standhält und möglichst viel Temperatur ans Gehäuse ableitet. Durch die vorgeschlagene Vorkammerzündkerze werden zwei getrennte Bereiche bereitgestellt, in denen eine Zündung des entflammbaren Gemisches zu unterschiedlichen Betriebspunkten sichergestellt werden kann. Dabei wird lediglich eine Zündspule und eine Zündkerze benötigt. Somit wird neben der Verwendung in einem großen Betriebsbereich eine sehr platzsparende Zündkerze bereitgestellt.

Bezugszeichenliste

I Zündkerze (Vorkammerzündkerze/ Luftfunkenzündkerze)

10 Anschlussadapter

I I Mittelelektrode

12 isolierende Keramik

13 Metalleinheit

14 Zündkerzengewinde

15 Masseelektrode

16 Kappe

17 obere Reihe von Öffnungen

18 untere Reihe von Öffnungen

171 Austrittsöffnungen isolierende Keramikhülse

20, 21 obere bzw. untere Funkenstrecke

30, 31 obere bzw. untere Vorkammer

40 Isolator

50 elektrisch leitendes Element

51 Schlitz

60 Trägerbauteil