Titel

Vorkammerzündkerze mit optimierter Kappe sowie Brennkraftmaschine

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorkammerzündkerze mit einer optimierten Kappe sowie eine Brennkraftmaschine mit einer derartigen Vorkammerzündkerze.

Vorkammerzündkerzen sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Eine Vorkammer der Vorkammerzündkerze wird üblicherweise mit einer Kappe gegenüber einem Brennraum einer Brennkraftmaschine abgeschirmt. In der Kappe sind dabei mehrere Durchgangslöcher vorgesehen, so dass einerseits eine Spülung der Vorkammer möglich ist und andererseits nach einer erfolgten Zündung in der Vorkammer Fackelstrahlen durch die Durchgangslöcher in den Brennraum der Brennkraftmaschine gelangen können, um ein dort befindliches Kraftstoff-Luft- Gemisch zu entzünden. Somit muss einerseits sichergestellt werden, dass ein zündfähiges Gemisch in der Vorkammer zum Zündzeitpunkt vorhanden ist und andererseits muss sichergestellt werden, dass der im Brennraum befindliche Kraftstoff möglichst vollständig verbrennt, um Abgasvorschriften zu erfüllen und Kraftstoffverbräuche der Brennkraftmaschine zu optimieren.

Offenbarung der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorkammerzündkerze mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass einerseits eine sehr gute Spülung einer Vorkammer der Vorkammerzündkerze in einer Kappe möglich ist und andererseits sichergestellt ist, dass zum Zündzeitpunkt der Vorkammerzündkerze ein zündfähiges Gemisch in der Vorkammer vorhanden ist. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Vorkammerzündkerze ein Gehäuse und eine Kappe mit wenigstens einem Durchgangsloch mit einer Lochmittelachse aufweist. Die Kappe ist an einem zum Gehäuse gerichteten Bereich mit einem Rücksprung ausgebildet. Hierbei ist ein Abstand A von der Lochmittelachse des Durchgangslochs an einem zur Außenseite des Durchgangslochs gerichteten Austrittspunkt auf der Lochmittelachse bis zum Rücksprung in einem Bereich von A = 2mm bis 7mm. Weiterhin ist ein erster Winkel a zwischen einer Mittelachse X-X der Vorkammerzündkerze und der Lochmittelachse in einem Bereich von 30° bis 70°. Durch den Abstand zwischen dem Austrittspunkt auf der Lochmittelachse und dem Rücksprung an der Kappe wird sichergestellt, dass das Durchgangsloch im montierten Zustand in einem Zylinderkopf nicht zu nah und nicht zu weit von einer einen Brennraum einer Brennkraftmaschine begrenzenden Zylinderkopfwand entfernt ist. In Kombination mit dem Winkel a wird ferner sichergestellt, dass sich das Durchgangsloch hervorragend für eine Spülung der Vorkammer in der Kappe eignet, da der Winkel a so gestaltet ist, dass ein für eine Spülung der Vorkammer notwendiger Gaseintritt des Spülgases optimiert ist.

Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.

Vorzugsweise ist der Abstand A ein eine im Bereich von 4mm bis 7mm und der Winkel a in einem Bereich von 30° bis 50°.

Weiter bevorzugt ist der Abstand A in einem Bereich von 5mm bis 7mm und der Winkel a in einem Bereich von 30° bis 40°.

Gemäß einerweiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung liegen alle Durchgangsöffnungen in der Kappe mit ihrem jeweiligen Austrittspunkt auf der Lochmittelachse in einer gemeinsamen Ebene E. Dadurch wird eine hervorragende Spülung der Vorkammer erreicht und insbesondere sichergestellt, dass die Vorkammerzündkerze auch für unterschiedliche Geometrien unterschiedlicher Brennkraftmaschinenhersteller geeignet ist. Die Ebene E ist vorzugsweise senkrecht zur Mittelachse X-X der Vorkammerzündkerze.

Wenn die Vorkammerzündkerze eingerichtet ist, in einer Brennkraftmaschine verwendet zu werden, in welcher eine Tumbleströmung beim Ladungswechsel erzeugt wird, ist eines der Durchgangslöcher der Kappe bevorzugt derart eingerichtet, dass im montierten Zustand der Vorkammerzündkerze ein Teil der Tumbleströmung direkt in das Durchgangsloch strömt.

Weiter bevorzugt ist die Lochmittelachse des Durchgangslochs sowie ein am Gehäuse der Vorkammerzündkerze angeordneter Gewindeanfang eines Außengewindes und die Mittelachse X-X der Vorkammerzündkerze in einer gemeinsamen Ebene angeordnet. Dadurch kann sichergestellt werden, dass das Durchgangsloch in einer richtigen Position zum Gewindeanfang des Gewindes und zur Mittelachse der Vorkammerzündkerze positioniert ist, damit, wenn die Vorkammerzündkerze in einem Zylinderkopf eingeschraubt ist, eine Endposition des Durchgangslochs, welches hauptsächlich zum Einlass des Spülgases für die Vorkammer während des Ladungswechsels vorgesehen ist, ein optimaler Spülvorgang möglich ist.

Die Erfindung betriff ferner eine Brennkraftmaschine umfassend einen Brennraum, einen hin- und herbewegbaren Kolben sowie einen Injektor zum Einbringen eines Kraftstoffs in den Brennraum, insbesondere direkt in den Brennraum und eine erfindungsgemäße Vorkammerzündkerze. Die Brennkraftmaschine mit der erfindungsgemäßen Vorkammerzündkerze weist dabei die entsprechenden Vorteile der Vorkammerzündkerze auf und ermöglicht einen abgasreduzierten und verbrauchsoptimierten Betrieb, da insbesondere eine Spülung der Vorkammerzündkerze optimal möglich ist.

Besonders bevorzugt weist die Brennkraftmaschine einen Injektor auf, welcher derart ausgelegt ist, dass eine Mittelachse eines Spraykegels des Injektors, welcher in den Brennraum einspritzt, in einem zweiten Winkel ß zur Mittelachse X-X der Vorkammerzündkerze in einem Bereich von 30° bis 70° liegt. Besonders bevorzugt liegt die Mittelachse des Spraykegels dabei in einem Winkel ß = 60°.

Weiter bevorzugt wird im Brennraum eine Tumbleströmung während eines Ladungswechsels derart erzeugt, dass zumindest ein Teil der Tumbleströmung direkt auf das Durchgangsloch der Vorkammerzündkerze gerichtet ist, welches im Abstand A und im Winkel a zur Mittelachse X-X entsprechend der erfindungsgemäßen Vorkammerzündkerze angeordnet ist.

Weiter bevorzugt ist die Vorkammerzündkerze im Wesentlichen mittig, insbesondere genau mittig, am Brennraum der Brennkraftmaschine angeordnet und der Injektor zum Einbringen des Kraftstoffs ist seitlich an der Vorkammerzündkerze angeordnet. Besonders bevorzugt ist der Injektor dabei am Zylinderkopf zwischen einem Auslassventil und der Vorkammerzündkerze angeordnet. Weiter bevorzugt kann der Kolben zur Erzeugung der Tumbleströmung eine oder mehrere Vertiefungen oder einen vorstehenden Dom oder dergleichen aufweisen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:

Figur 1 eine schematische Schnittansicht einer Brennkraftmaschine mit einer Vorkammerzündkerze gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung und

Figur 2 eine Teilschnittansicht einer Kappe der Vorkammerzündkerze von Figur 1.

Ausführungsform der Erfindung

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Figuren 1 und 2 eine Vorkammerzündkerze 1 einer Brennkraftmaschine gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.

Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, umfasst die Vorkammerzündkerze 1 eine Vorkammer 2, welche durch eine im Schnitt U-förmige Kappe 3 definiert ist. Die Kappe 3 ist an einem Gehäuse 6 der Vorkammerzündkerze beispielsweise mittels einer Schweißverbindung fixiert.

Weiter umfasst die Vorkammerzündkerze 1 eine Elektrode 5 und einen Isolator 7. Am Gehäuse 6 ist am Außenumfang an einem zum Brennraum 11 gerichteten Ende 60 ein Außengewinde vorgesehen. Das Außengewinde 4 ist bis zur montierten Kappe 3 ausgebildet und dient zur Fixierung der Vorkammerzündkerze 1 in einem Zylinderkopf 10. Die Kappe 3 weist mehrere Durchgangslöcher 30 auf, welche jeweils in einem ersten Winkel a zu einer Mittelachse X-X der Vorkammerzündkerze 1 angeordnet sind. Die Durchgangslöcher 30 dienen einerseits dazu, eine Spülung der Vorkammer 2 zu ermöglichen und andererseits nach einer Zündung mittels der Elektrode 5 eine Entflammung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs zuerst innerhalb der Vorkammer 2 und dann durch die Durchgangslöcher 30 mittels sogenannter Fackelstrahlen im Brennraum 11 zu ermöglichen. In Fig. 1 ist schematisch ein Injektor 8 dargestellt, welcher ein kegelförmiges Spray 80 aus Kraftstoff im Brennraum 11 erzeugt.

Das Durchgangsloch 30 ist eine Durchgangsbohrung mit kontinuierlichem Durchmesser.

In Figur 1 ist weiterhin schematisch ein Zylinder 13 mit einem Kolben 12, welcher wie durch den Doppelpfeil B angedeutet, sich im Zylinder 13 hin- und herbewegt. Ferner ist ein Einlassventil 14 und ein Auslassventil 15 vorgesehen. Der Injektor 8 ist dabei zwischen dem Auslassventil 15 und der Vorkammerzündkerze 1 angeordnet.

Wie weiter aus Figur 2 ersichtlich ist, welche im Detail die Kappe 3 der Vorkammerzündkerze 1 zeigt, weist die Kappe 3 einen radial nach innen gerichteten Rücksprung 32 auf. Die Kappe 3 liegt dabei am Rücksprung 32 am stirnseitigen Ende 60 des Gehäuses 6 an. Eine Fixierung kann beispielsweise mittels einer Schweißverbindung erfolgen.

In Figur 2 ist ferner eine Lochmittelachse 31 eines Durchgangslochs 30 dargestellt. Dieses gezeigte Durchgangsloch 30 ist eines von mehreren Durchgangslöchern 30 in der Kappe 3 und ist mit kürzestem Abstand zum Injektor 8 angeordnet. Dadurch wird dieses Durchgangsloch 30 dazu verwendet, eine Spülung der Vorkammer 2 bei einem Hub des Kolbens zu ermöglichen, um in die Vorkammer 2 ein zündfähiges Gemisch einzubringen.

Wie weiter aus Figur 2 ersichtlich ist, ist ein Austrittspunkt 33 auf der Lochmittelachse 31 definiert, welcher an der zum Brennraum 11 gerichteten Seite des Durchgangslochs 30 angeordnet ist. Die Lochmittelachse 31 definiert, wie schon oben dargelegt, den ersten Winkel a. Der Winkel a ist vorzugsweise in einem Bereich von 30° bis 50° und beträgt in diesem Ausführungsbeispiel 35°. Wie weiter aus Figur 1 ersichtlich ist, ist ein Abstand A in Axialrichtung der Mittelachse X-X zwischen dem Austrittspunkt 33 und dem Rücksprung 32 definiert. Dieser Abstand A ist in einem Bereich von 2mm bis 7mm und ist in diesem Ausführungsbeispiel 6mm lang.

Ferner ist der Brennraum 11 geometrisch derart ausgelegt, dass beim Bewegen des Kolbens 12 eine Tumbleströmung 16 erzeugt wird. Diese Tumbleströmung 16 stellt sicher, dass ein Gasaustausch zwischen dem Brennraum 11 und der Vorkammer 2 ermöglicht wird, insbesondere um nach einer erfolgten Zündung wieder ein zündfähiges Gemisch in die Vorkammer 2 einzubringen. Wie aus Figur 2 ersichtlich ist, ist die Tumbleströmung 16 derart erzeugt, dass ein Teil der Tumbleströmung 16 direkt auf das Durchgangsloch 30 der Kappe 3 gerichtet ist. Somit kann Gasgemisch aus der Brennkammer 11 direkt durch das Durchgangsloch 30 in die Vorkammer 2 eingebracht werden.

Die Vorkammerzündkerze 1 ist dabei mittig am Brennraum 11 angeordnet und besonders bevorzugt exakt in einer Mittelachse des Kolbens 12.

Weiterhin liegen die Lochmittelachse 31 des Durchgangslochs 30, welches am nächsten zum Injektor 8 angeordnet ist, sowie die Mittelachse X-X der Vorkammerzündkerze 1 und ein Gewindeanfang 40 des Außengewindes 4 in einer gemeinsamen Ebene. Diese Ebene ist die Schnittebene in Figur 2.

Das durch den Injektor 8 erzeugte kegelförmige Spray 80 weist eine Mittelachse 81 auf. Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, ist die Mittelachse 81 des kegelförmigen Sprays 80 in einem zweiten Winkel ß zur Mittelachse der Vorkammerzündkerze 1 angeordnet. Wie weiter aus Figur 1 ersichtlich ist, fallen dabei eine Mittelachse des Injektors und die Mittelachse 81 des kegelförmigen Sprays 80 auseinander. Der zweite Winkel ß beträgt in diesem Ausführungsbeispiel 60°.

Ferner liegen alle Durchgangsöffnungen 30 der Kappe 3 mit ihrem jeweiligen Austrittspunkt 33 auf ihrer jeweiligen Lochmittelachse 31 in einer gemeinsamen Ebene E, welche senkrecht zur Axialrichtung X-X der Vorkammerzündkerze ist.

Somit kann die Vorkammer 2 der Vorkammerzündkerze 1 im Vergleich mit dem Stand der Technik besser ausgespült werden und ein zündfähiges Kraftstoff-Luft- Gemisch besser in die Vorkammer 2 in der Kappe 3 eingebracht werden. Dadurch ergibt sich eine verbesserte Zündung innerhalb der Vorkammer 2, was zu einer schnelleren Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemischs in der Vorkammer 2 führt. Durch die deutlich schnellere Verbrennung in der Vorkammer 2 können dann die Fackelstrahlen früher und weiter in den Brennraum 11 der Brennkraftmaschine 100 gelangen. Dies führt zu einer schnelleren und effektiveren Entflammung des Kraftstoff-Luft-Gemischs im Brennraum 11 und resultiert in einer schnelleren und vollkommeneren Verbrennung im Brennraum 11. Dadurch wird eine Kraftstoffausnutzung im Brennraum 11 sowie ein Abgasverhalten der Brennkraftmaschine deutlich verbessert.

Weiterhin kann durch die Orientierung des am nächsten zum Injektor 8 liegenden Durchgangslochs 30 in Verbindung mit dem Gewindeanfang 40 des Außengewindes 4 der Vorkammerzündkerze 1 eine exakte Positionierung dieses Durchgangslochs 30 ermöglicht werden. Eine exakte Positionierung der Austrittspunkte 33 an den Durchgangslöchern 30 wird durch ein vollständiges

Einschrauben der Vorkammerzündkerze 1 in den Zylinderkopf 10 erreicht.