Titel

Vorkammerzündkerze

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorkammerzündkerze einer Gasbrennkraftmaschine mit einer verbesserten Ausführung und Anordnung von Überströmbohrungen, die eine Fluidverbindung zwischen einer Vorkammer und einem Brennraum herstellen.

Vorkammerzündkerzen sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Hierbei ist es bekannt, in Kappen von Vorkammerzündkerzen sog. „Überströmbohrungen“ einzubringen, über welche ein Gasaustausch zwischen der Vorkammer und dem Brennraum einer Brennkraftmaschine erfolgt. Mittels der Überströmbohrungen wird einerseits die Vorkammer gespült und andererseits treten nach Entflammung in der Vorkammer sog. „Fackelstrahlen“ aus den Überströmbohrungen in den Brennraum aus, um dort das Kraftstoff-Luft-Gemisch zu entflammen. Ein Problemkreis bei Vorkammerzündkerzen liegt dabei darin, dass nach einer erfolgten Zündung in der Vorkammer wieder Frischgas während eines Ansaug- und Verdichtungstaktes der Brennkraftmaschine in die Vorkammer der Zündkerze einströmen muss, so dass im Bereich der Elektroden der Vorkammerzündkerze ein zündfähiges Gemisch vorhanden ist, welches gezündet werden kann. Die Überströmbohrungen sind hierbei üblicherweise symmetrisch vorgesehen. Aus der DE 102010 003 899 A1 ist eine Laserzündkerze mit Vorkammer bekannt, bei der Überströmbohrungen vorgesehen sind, welche entlang einer Längsachse der Überströmbohrung unterschiedliche Querschnittsflächen und/oder Querschnittsformen aufweisen.

Offenbarung der Erfindung Die erfindungsgemäße Vorkammerzündkerze einer Gasbrennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass Überströmbohrungen derart angeordnet werden können, dass Anforderungen innerhalb einer Vorkammer der Vorkammerzündkerze hinsichtlich ihrer Strömungsverhältnisse optimiert werden können, um eine sichere Entflammung in der Vorkammer zu gewährleisten. In Folge kann durch diese erfindungsgemäße Auslegung der Vorkammerzündkerze eine Effizienz der Brennkraftmaschine sowie ein Abgasverhalten der Brennkraftmaschine verbessert werden. Erfindungsgemäß kann einer hoher Frischgasgehalt im Elektrodenspalt zwischen Mittelelektrode und Masseelektrode erhalten werden und ferner auch zum Zündzeitpunkt eine moderate Strömungsgeschwindigkeit im Elektrodenspalt, wodurch eine sichere Entflammung möglich ist. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Vorkammerzündkerze eine Mittelelektrode und eine Masseelektrode aufweist. Ein Isolator ist zur elektrischen Trennung von Mittelelektrode und Masseelektrode vorgesehen. Ferner umfasst die Vorkammerzündkerze eine Kappe, welche mit einem Gehäuse eine Vorkammer definiert. In der Kappe ist eine Anordnung einer Vielzahl von Überströmbohrungen vorgesehen, welche die Vorkammer mit einem Außenbereich der Vorkammerzündkerze, üblicherweise einem Brennraum einer Brennkraftmaschine, in Fluidverbindung halten. Dabei ist wenigstens eine der Überströmbohrungen eine radiale Überströmbohrung, welche eine Mittelachse aufweist, die in einem ersten Winkel a in einem ersten Winkelbereich zwischen 80° bis 100°, insbesondere 85° bis 95°, weiter bevorzugt 88° bis 92°, zu einer ersten Tangentialebene T1 im Schnittpunkt der Mittelachse mit einer Außenhülle der Kappe angeordnet ist. Ferner ist wenigstens eine andere der Überströmbohrungen eine tangentialartige Überströmbohrung, welche eine Mittelachse aufweist, die in einem zweiten Winkel b in einem zweiten Winkelbereich von 5° bis 45° zu einer zweiten Tangentialebene T2 in einem Schnittpunkt der zweiten Mittelachse mit der Außenhülle der Kappe angeordnet ist. Somit kombiniert die vorliegende Erfindung unterschiedliche Überströmbohrungen, nämlich eine radiale und eine tangentialartige Überströmbohrung miteinander, so dass im Elektrodenspalt zum Zündzeitpunkt eine im Vergleich mit dem Stand der Technik deutlich erhöhte Strömungsgeschwindigkeit erreicht wird und ferner auch ein höherer Frischgasanteil zum Zündzeitpunkt im Elektrodenspalt vorhanden ist.

Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung. Vorzugsweise ist der zweite Winkelbereich in einem Bereich zwischen 10° und 30° zur Tangentialebene im Schnittpunkt der Mittelachse der tangentialartigen Überstrombohrung und der Außenhülle der Kappe, insbesondere im Bereich von 10° bis 20°.

Weiter bevorzugt sind die wenigstens eine radiale und wenigstens eine tangentialartige Überströmbohrung derart in der Kappe angeordnet, dass jeder Gasstrahl, welcher durch eine der Überströmbohrungen in die Vorkammer eintritt, zu einem anderen Gasstrahl der anderen Überströmbohrung eine gezielte Beeinflussung vorhanden ist. D.h., es sind die Überstrombohrungen derart angeordnet, dass durch die gegenseitige Beeinflussung der Gasstrahlen eine gewisse Turbulenz im Inneren der Vorkammer auftritt, welche zu der erwünschten verbesserten Strömungsgeschwindigkeit im Elektrodenspalt zum Zündzeitpunkt und der verbesserten Zufuhr von entflammbarem Gemisch zum Elektrodenspalt unterstützt wird. Die Beeinflussung der durch die Überströmbohrungen in die Vorkammer eintretenden Gasstrahlen kann dabei unterschiedlich erfolgen, beispielsweise durch eine Ablenkung der Gasstrahlen oder eine Durchmischung der Gasstrahlen oder dgl.

Besonders bevorzugt sind eine radiale Überströmbohrung und eine tangentialartige Überströmbohrung derart angeordnet, dass sich die Gasstrahlen dieser beiden Überströmbohrungen in der Vorkammer treffen. Hierdurch kann gezielt eine Ablenkung und Geschwindigkeitsänderung der Strömungsgeschwindigkeit der beiden Gasstrahlen und eine zusätzliche Turbolenz erreicht werden.

Besonders bevorzugt trifft jeder Gasstrahl, der aus einer Überströmbohrung in die Vorkammer tritt, zumindest einen weiteren Gasstrahl in der Vorkammer. Somit wird jeder eintretende Gasstrahl in die Vorkammer durch einen anderen Gasstrahl hinsichtlich seiner Art der Ausbreitung der Vorkammer, insbesondere bezüglich einer Strömungsgeschwindigkeit und eines Ausbreitungsvolumens, beeinflusst.

Besonders bevorzugt ist wenigstens eine der radialen Überströmbohrungen auf einen Mittelpunkt auf einer Mittelachse der Vorkammerzündkerze gerichtet. Der Mittelpunkt ist vorzugsweise ein Raummittelpunkt der Vorkammer, welcher im Zentrum der Vorkammer liegt.

Weiter bevorzugt sind radiale und tangentialartige Überströmbohrungen in Umfangsrichtung an der Kappe abwechselnd angeordnet. Dadurch kann insbesondere auf einfache Weise realisiert werden, dass bevorzugt jeder durch eine radiale Überströmbohrung in die Vorkammer eintretende Gasstrahl durch einen über eine tangentialartige Überströmbohrung eintretenden Gasstrahl beeinflusst wird.

Weiter bevorzugt sind alle Überströmbohrungen zylindrisch ausgestaltet. D.h., ein Durchmesser der Überströmbohrungen in der Kappe ändert sich nicht. Vorzugsweise weisen alle Überströmbohrungen den gleichen, konstanten Durchmesser auf. Weiter bevorzugt sind die Überströmbohrungen derart angeordnet, dass keine Mittelachsen der Überströmbohrungen parallel zueinander angeordnet sind.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Kappe keine mittlere Überströmbohrung auf, welche in der Mittelachse der Vorkammerzündkerze liegen würde. Hierdurch kann verhindert werden, dass ein mittiger Gasstrahl, welcher durch eine derartige mittlere Überströmbohrung in die Vorkammer eintreten würde, die gegenseitige Beeinflussung der anderen Gasstrahlen der weiteren Überströmbohrungen schwächt, da der Gasstrahl einer mittleren Überströmbohrung aufgrund der Anordnung in der Mittelachse üblicherweise bestimmend hinsichtlich des Frischgasgehalts am Elektrodenspalt und der Strömungsgeschwindigkeit am Elektrodenspalt zum Zündzeitpunkt ist. Alternativ weist die Kappe eine in der Mittelachse der Vorkammerzündkerze liegende mittlere Überströmbohrung auf und mindestens ein Gasstrahl einer anderen Überströmbohrung trifft den Gasstrahl der mittleren Überströmbohrung. Dadurch wird verhindert, dass der Gasstrahl der mittleren Überströmbohrung direkt in Richtung des Elektrodenspalts zwischen Mittelelektrode und Masseelektrode gerichtet ist und der den Gasstrahl der mittleren Überströmbohrung treffende Gasstrahl eine Senkung und somit eine Richtungsänderung dieses Gasstrahls ausführt und ferner auch eine Geschwindigkeitsänderung des Einströmverhaltens des Gasstrahls betrifft. Vorzugsweise ist eine gerade Anzahl von radialen Überströmbohrungen und eine gerade Anzahl von tangentialartigen Überströmbohrungen vorhanden. Besonders bevorzugt sind genau zwei oder genau drei radiale Überströmbohrungen und genau zwei oder genau drei tangentialartige Überströmbohrungen vorgesehen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind alle Überströmbohrungen in einem ersten Umfangsbereich der Kappe angeordnet, welcher zwischen 0° und 300° liegt. Somit ist an der Kappe ein Bereich vorgesehen, welcher sich über 60° erstreckt, in welchem keine Überströmbohrungen vorhanden sind. An diesem 60°-Bereich sind somit im Innenbereich der Kappe keine Überströmbohrungen vorhanden, so dass dieser Bereich als Führungsbereich für das über die Überströmbohrungen eintretende Gas dienen kann. Dieser Bereich der Kappe ohne Überströmbohrungen ist vorzugsweise zwischen 60° und 90° entlang des Umfangs der Kappe ausgebildet.

Weiter bevorzugt sind die Überströmbohrungen derart vorgesehen, dass eine Strömungsgeschwindigkeit der Gasstrahlen zum Austrittszeitpunkt der Überströmbohrungen in die Vorkammer mindestens 4 m/s beträgt. Die Strömungsgeschwindigkeit liegt vorzugsweise in einem Bereich von 4 m/s bis 15 m/s.

Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Vorkammerzündkerze.

Zeichnungen

Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:

Figur 1 eine schematische Schnittansicht einer Vorkammerzündkerze gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, Figur 2 eine schematische Teilschnittansicht einer Kappe der

Vorkammerzündkerze von Figur 1 mit einer radialen Überströmbohrung,

Figur 3 eine weitere schematische Teilschnittansicht der Kappe von

Figur 1 mit einer tangentialartigen Überströmbohrung,

Figur 4 eine schematische Draufsicht der Vorkammerzündkerze von

Figur 1 aus Richtung der Kappe,

Figur 5 eine weitere schematische Schnittansicht der Kappe der

Vorkammerzündkerze von Figur 1, und

Figur 6 eine schematische Schnittansicht einer Kappe einer

Vorkammerzündkerze gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 5 eine Vorkammerzündkerze 1 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.

Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, umfasst die Vorkammerzündkerze 1 ein metallisches Gehäuse 2 und einen Isolator 3. Ferner umfasst die Vorkammerzündkerze mindestens eine Mittelelektrode 4, die in einer Mittelachse X-X liegt, sowie mindestens eine seitlich angestellte Masseelektrode 5. Am Gehäuse 2 ist ein Außengewinde 21 ausgebildet, welches eingerichtet ist, in einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine eingeschraubt zu werden.

Die Vorkammerzündkerze 1 umfasst ferner eine Kappe 6, welche zusammen mit einem Teilbereich des Gehäuses 2 eine Vorkammer 16 definiert. Die Mittelelektrode und die Masseelektrode sind dabei in der Vorkammer 16 angeordnet. ln der Kappe 6 sind mehrere Überströmöffnungen ausgebildet, welche eine Fluidverbindung zwischen der Vorkammer 6 und einem Brennraum 10 der Brennkraftmaschine herstellen.

Hierbei sind in der Kappe 6 sowohl radiale Überströmbohrungen 7 als auch tangentialartige Überströmbohrungen 8 ausgebildet.

Radiale Überströmbohrungen 7 sind dabei Überströmbohrungen, bei denen eine Mittelachse 71 der radialen Überströmbohrung in einem ersten Winkel a in einem ersten Winkelbereich zwischen 85° und 95° zu einer ersten Tangentialebene T1, die an einem Schnittpunkt der Mittelache 71 und einer Außenhülle der Kappe 6 liegt, angeordnet ist. Tangentialartige Überströmbohrungen 8 sind Überströmbohrungen, welche eine Mittelachse 81 aufweisen, die in einem zweiten Winkel b in einem zweiten Winkelbereich zu einer zweiten

Tangentialebene T2 im Schnittpunkt der Mittelachse 81 und der Außenhülle der Kappe 6 angeordnet sind.

Mit anderen Worten verlaufen die radialen Überströmbohrungen 7 im Wesentlichen senkrecht zur Außenhülle der Kappe 6 und die tangentialartigen Überströmbohrungen 8 verlaufen in einem spitzen Winkel zur Außenhülle der Kappe, wobei der spitze Winkel vorzugsweise in einem Bereich von 10° bis 30° liegt.

Figur 2 zeigt im Detail eine radiale Überströmbohrung 7, bei der die Mittelachse 71 in einem rechten Winkel a zur ersten T angentialebene T1 an der Außenhülle der Kappe 6 angeordnet ist.

Die Mittelachse 71 der radialen Überströmbohrung 7 ist dabei in Richtung auf einen Mittelpunkt M gerichtet, welcher auf der Mittelachse X-X der Vorkammerzündkerze liegt. Der Mittelpunkt M ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Mittelpunkt, welcher Innenradien der halbkugelförmigen Kappe 6 definiert.

Figur 3 zeigt im Detail eine tangentialartige Überströmbohrung 8, bei der die Mittelachse 81 in einem spitzen Winkel b zur zweiten Tangentialebene T2 an der Außenhülle der Kappe 6 angeordnet ist. Der spitze Winkel b ist ungefähr 45°. Somit weist die erfindungsgemäße Vorkammerzündkerze 1 eine Mischung von radialen Überströmbohrungen 7 und tangentialartigen Überströmbohrungen 8 auf. Hierbei ist, wie aus den Figuren 1 und 4 ersichtlich ist, keine mittlere Überströmbohrung, welche in der Mittelachse X-X in der Kappe 6 vorgesehen wäre, vorhanden.

Wie weiter aus Figur 4 ersichtlich ist, sind alle Überströmbohrungen 7, 8 in einem ersten Umfangsbereich 11 von ca. 300° angeordnet. In einem zweiten Umfangsbereich 12, welcher ca. 60° aufweist, sind keinerlei Überströmbohrungen oder andere Öffnungen oder dgl. vorgesehen. Somit sind die Überströmbohrungen nicht über den gesamten Umfang der Kappe 6 verteilt, sondern ausschließlich im ersten Umfangsbereich 11 ausgebildet.

Somit kann durch die Anordnung von radialen und tangentialartigen Überströmbohrungen 7, 8 eine gezielte Strömungsbeeinflussung bei einem Gaswechsel innerhalb der Vorkammer 16 erfolgen. Tangentialartige Überströmbohrungen 8 haben tendenziell hohe Strömungsgeschwindigkeiten an der Innenwandung der Kappe 6 in der Vorkammer 16 zur Folge. Radiale Überströmbohrungen 7 erzeugen üblicherweise beim Gaswechsel in der Vorkammer 6 einen tief in die Vorkammer eindringenden Gasstrahl. Durch die Kombination der radialen und tangentialartigen Überströmbohrungen kann somit eine gezielte Strömungsbeeinflussung beim Gaswechsel innerhalb der Vorkammer 6 ermöglicht werden.

Wie aus Figur 4 ersichtlich ist, sind entlang des Umfangs radiale und tangentialartige Überströmbohrungen abwechselnd angeordnet. Die Anordnung der Überströmbohrung 7, 8 ist dabei derart, dass die interne Strömung innerhalb der Vorkammer 16 eine optimale Frischgaskonzentration in einem Elektrodenspalt zwischen der Mittelelektrode 4 und der Masseelektrode 5 und eine optimale Gasgeschwindigkeit im Elektrodenspalt bereitstellt. Dies ermöglicht es auch, dass eine Position des Elektrodenspalts beispielsweise derart angeordnet werden kann, dass Edelmetallelemente, welche üblicherweise an den Elektroden angeordnet sind, in geringerer Menge an den Elektroden angeordnet werden müssen, wobei trotzdem eine überlegene hohe Standzeit der Vorkammerzündkerze erreicht wird. Figur 5 zeigt schematisch die gegenseitige Wechselwirkung der Anordnung von radialen Überströmbohrungen 7 und tangentialartigen Überströmbohrungen 8. Die radiale Überströmbohrung 7 in Figur 5 weist beim Gaswechsel einen nach innen gerichteten ersten Gasstrahl 72 auf, welcher im Wesentlichen in Richtung der Mittelachse 71 gerichtet ist. Die tangentialartige Überströmbohrung 8 von Figur 5 weist einen zweiten Gasstrahl 82 auf, welcher im Wesentlichen in Richtung der Mittelachse 81 der tangentialartigen Überströmbohrung 8 gerichtet ist. Die Anordnung der radialen und der tangentialen Überströmbohrung 8 ist nun derart, dass sich der erste Gasstrahl 72 und der zweite Gasstrahl 82 in der Vorkammer 16 treffen. Wie in Figur 5 schematisch dargestellt, ergibt sich dadurch eine erste Ablenkung 73 des ersten Gasstrahls 72 und eine zweite Ablenkung 83 des zweiten Gasstrahls 82.

Die radiale Überströmbohrung 7 weist einen ersten Durchmesser D1 auf, welcher gleich ist wie ein zweiter Durchmesser D2 der tangentialartigen Überströmbohrung 8. Dabei sind sowohl die radiale als auch die tangentialartige Überströmbohrung 7, 8 zylindrisch ausgebildet.

Somit sind in diesem Ausführungsbeispiel genau vier Überströmbohrungen 7, 8 vorgesehen, wobei zwei Überströmbohrungen radiale Überströmbohrungen 7 sind und zwei Überströmbohrungen tangentialartige Überströmbohrungen 8 sind. Alle Überströmbohrungen sind dabei in unterschiedliche Richtungen weisend ausgebildet.

Die Auslegung der radialen und tangentialartigen Überströmbohrungen 7, 8 richtet sich dabei an die Anforderungen innerhalb der Vorkammer 16, um eine sichere Entflammung zu gewährleisten. Im Stand der Technik orientiert sich die Auslegung der Überströmbohrungen üblicherweise an den Strömungsverhältnissen im Hauptbrennraum, wovon sich die vorliegende Erfindung jedoch unterscheidet. Die Kombination von radialen und tangentialartigen Überströmbohrungen 7, 8 stellt somit sicher, dass ein im Elektrodenspalt erzeugter Funke eine Entflammung eines genügend großen Frischgasvolumens in der Vorkammer 16 ermöglicht, wobei insbesondere durch die tangentialartigen Überströmbohrungen 8 das Frischgas in der Vorkammer zum Zündzeitpunkt in Bewegung bleibt. Dadurch kann ein großes Gasvolumen gezündet werden. Allerdings darf die Bewegung in der Brennkammer zum Zündzeitpunkt nicht zu groß sein, da sonst ein Abreißen des Funkens im Elektrodenspalt auftreten kann und somit die Entflammung in der Vorkammer 16 beendet werden würde. Hier sorgen die ersten Gasstrahlen 72 der radialen Überströmbohrungen 7 dafür, dass die Bewegungsgeschwindigkeit in der Vorkammer nicht zu groß wird, da diese im Wesentlichen tief in die Vorkammer 6 reichen.

Die tangentialartigen Überströmbohrungen 8 ermöglichen im Wesentlichen eine Tangentialströmung in der Vorkammer, wobei durch die gegenseitige Beeinflussung der Gasstrahlen der beiden unterschiedlichen Arten von Überströmbohrungen ein sehr gutes Gleichgewicht für eine optimale Entflammung erhalten wird.

Somit ist es möglich, dass höhere Frischgaskonzentrationen bei gleichzeitig deutlich geringerer Strömungsgeschwindigkeit in der Vorkammer 16 im Bereich des Elektrodenspalts erreicht werden. Hierbei kann insbesondere auch eine im Vergleich mit dem Stand der Technik viel frühere Spülung im Bereich des Elektrodenspaltes erreicht werden, so dass sich zum Zündzeitpunkt im Elektrodenspalt nur noch ca. 5% Restgas aus der vorhergehenden Zündung befinden. Dadurch wird eine Entflammung weiter begünstigt.

Figur 6 zeigt eine Vorkammerzündkerze mit einer Kappe 6 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel bezeichnet.

Wie aus Figur 6 ersichtlich ist, weist die Vorkammerzündkerze 1 des zweiten Ausführungsbeispiels in der Kappe neben radialen Überströmbohrungen 7 und tangentialartigen Überströmbohrungen 8 zusätzlich noch eine mittlere Überströmbohrung 9 auf, welche in der Mittelachse X-X der Vorkammerzündkerze liegt. Die mittlere Überströmbohrung 9 ist ebenfalls eine radiale Überströmbohrung, da ein Winkel c zu einer dritten Tangentialebene T3 an der Außenhülle der Kappe 6 ca. 90° beträgt. Im zweiten Ausführungsbeispiel treffen dabei der erste Gasstrahl 72 der radialen Überströmbohrung 7 und ein dritter Gasstrahl 92 der mittleren Überströmbohrung 9 aufeinander. Hierdurch ergeben sich die erste Ablenkung 73 des ersten Gasstrahls 72 und eine dritte Ablenkung 93 des dritten Gasstrahls 92. Eine weitere Beeinflussung der beiden Gasstrahlen 72, 92 wird durch den zweiten Gasstrahl 82 der tangentialartigen Überströmbohrung 8 erhalten. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel, so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.