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Die Erfindung betrifft eine Zündkerze mit zueinander höhenversetzten Masseelektroden.
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Die
US 2 650 583 A offenbart eine sich selbst reinigende Zündkerze, welche eine unterste Masseelektrode, eine mittlere Masseelektrode und eine obere Masseelektrode aufweist, wobei ein Zündfunke zwischen der oberen Masseelektrode und dem Isolator erzeugt wird, wenn der Isolator mit Karbon belegt ist. So könne die Ablagerung entfernt werden. Die Masseelektroden sind so angeordnet, dass ein Zündfunke bei normaler Funktionsweise in vertikaler Ausrichtung und in senkrechter Ausrichtung zur Mittelelektrode entsteht.
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Die
US 6 064 143 A offenbart eine Zündkerze mit mehreren Elektroden, wobei die Zündkerze eine bessere Beständigkeit gegen Verschmutzung aufweisen soll. Die
US 6 064 143 A offenbart, dass die Elektroden als Elektrodenpaar gegenüberliegend angeordnet sind, und dass die Elektroden als Elektrodenpaar eine Semi-Kriech-Funkentladungsstrecke bilden. Die Semi-Kriech-Funkentladungselektroden werden (zusammen) zum Brenn-Reinigen eingesetzt, also zum Entfernen von Kohlenstoff, welcher sich auf der Oberfläche des Isolators ablagert.
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Die
DE 10 2007 053 428 A1 offenbart eine Zündkerze für einen Gasmotor. Die Zündkerze weist zumindest zwei Masseelektroden auf, welche allerdings nacheinander zum Einsatz kommen, um so die Betriebsdauer der Zündkerze zu steigern. Dies wird erreicht, indem die zweite Masseelektrode zur Mittelelektrode hingebogen wird, wenn die erste abgenutzt ist.
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Die
DE 10 2006 033 578 A1 befasst sich ebenfalls mit einer Zündkerze für stationäre Motoren, also Gasmotoren. Bei der Zündkerze sind jeweils zwei sich gegenüberliegende Elektrodenpaare vorgesehen. Die Masseelektroden eines jeden Paares sind jeweils auf der gleichen Biegehöhe angeordnet.
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Die Zusammenfassung der
JP 2005-050 550 A offenbart ebenfalls eine Zündkerze, welche eine Kriech Masseelektrode aufweist.
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Aus der
DE 696 08 328 T2 ist Multipolarzündkerze zur Anwendung in einem Verbrennungsmotor bekannt, wobei die Zündkerze drei Masseelektroden hat.
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Mit der
DE 26 07 278 A1 wird eine Zündkerze bekannt, bei welcher zwischen der Mittelelektrode und der Masseelektrode einen Hauptfunkenstrecke gebildet wird. Eine im Abstand zwischen der Mittelelektrode und der Masseelektrode liegende Hilfselektrode ist benachbart der Hauptfunkenstrecke angeordnet und weist einen Zünde- bzw. Stirnkante auf, welche die seitliche Begrenzung der Hauptfunkenstrecke bildet.
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Die
DE 25 54 517 A1 bezieht sich auf eine Zündkerze für Verbrennungsmotoren mit einem zylindrischen Kerzengehäuse und einem darin über Dichtungen gasdicht aufgenommenen Kerzenisolator, einer sich durch den Kerzenisolator axial erstreckenden Mittelelektrode und einer sich vom Kerzengehäuse radial nach innen erstreckenden Masseelektrode, zwischen deren einander im Abstand gegenüberliegenden Enden eine oder mehrere Hilfselektroden angeordnet sind. Um eine Verlängerung und tiefere Erstreckung des Zündfunkens in ein brennbares Gemisch hinein zu erzielen, und auch um gleichzeitig eine möglichst hohe Intensität des verlängerten Zündfunkens erhalten zu können, schlägt die
DE 25 54 517 A1 vor, dass zumindest eine Hilfselektrode über ein Element hoher Impedanz mit einem Pol der elektrischen Spannungsquelle für die Mittel- und Masseelektrode verbunden ist, wobei die Mittelelektrode, die zumindest eine Hilfselektrode und die Masseelektrode derart angeordnet sind, dass die zwischen ihnen gebildeten Funkenstrecken aufeinander folgend in Achsrichtung der Zündkerze liegen. Die Masseelektroden sind in einem Querschnitt gesehen mit ihrer Funkenstrecke bildenden Oberfläche in Axialrichtung direkt übereinander liegend angeordnet.
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Die Zusammenfassung der
JP 2006-318 696 A offenbart eine Zündkerze mit einer Mittelelektrode, einer als Masseelektrode ausgeführten Dachelektrode, und zumindest einer Seitenelektrode. Die Seitenelektrode ist mit ihrer zur Mittelelektrode orientierten freien Stirnkante seitlich neben der Mittelelektrode angeordnet und bildet zusätzlich einen zum Zündspalt zwischen der Mittelelektrode und der Dachelektrode weiteren Zündspalt. Zudem ist eine besondere Vorkehrung getroffen, um mit der Dachelektrode kollidierendes Brenngas daran zu hindern in Richtung zur Mittelelektrode reflektiert zu werden.
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Auch die
DE 103 400 43 A1 offenbart eine Zündkerze mit einer Mittelelektrode, einer Dachelektrode und zwei Seitenelektroden. Um den Isolator während einer Startphase schnell aufzuheizen, so dass Russablagerungen in der Startphase verhindert werden, schlägt die
DE 103 400 43 A1 vor, dass eine Differenz des Außen- zum Innendurchmessers im vorderen Abschnitt des Isolators nicht größer als 1,9 mm ist.
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Auch die
DE 600 11 017 T2 beschäftigt sich mit dem Problem dass eine Zündkerze bei einem Niedertemperaturstart eine verbesserte Verrußungsbeständigkeit aufweisen soll, wobei die Bildung einer Brücke aus Kohlenstoffteilchen verhindert werden soll. Hierzu sind z.B. zwei Seitenelektroden vorgesehen, welche seitlich neben der Mittelelektrode angeordnet sind. Mittels eines bestimmten Durchmesserreduktionsverhältnisses des Außendurchmessers des Isolators zum Innendurchmesser eines Spitzenendabschnittes einer Metallhülse soll das oben genannte Problem gelöst werden.
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Die
DE 699 27 730 T2 befasst sich mit einem Viertakt-Verbrennungsmotor mit gesteuerter Zündung und mit Direkteinspritzung. Eine Achse eines Einspritzelementes ist innerhalb von 60° zu der Ebene angeordnet, welche eine Längsachse des Zylinders enthält. In einer Ausgestaltung offenbart die
DE 699 27 730 T2 , dass zwei Zündmittel vorgesehen sind, welche jeweils in unterschiedlichen Halbzylindern angeordnet sind, wobei in den Halbzylindern jeweils ein Einspritzelement angeordnet ist.
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In der
DE 10 2005 024 666 A1 ist eine Zündkerze mit einer Mittelelektrode, einer Dachelektrode und zwei Seitenelektroden offenbart, so dass zwei Funkenspalte gebildet sind. Die Zündkerze hat so einen Aufbau, welcher gewährleisten soll, dass bei der Verrußung des Isolators mit Kohlenstoffrückständen ohne Bildung von Furchen auf dem Isolator Seitenfunken entladen werden, wodurch die Isolationseigenschaften des Isolators wieder hergestellt werden.
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Auch die
DE 10 2007 047 893 A1 offenbart eine Zündkerze, welche eine Mittelelektrode, eine Dachelektrode und zumindest eine Seitenelektrode aufweist. Sind zwei Seitenelektroden vorgesehen, sind diese mit ihren freien Stirnkanten jeweils auf gleicher Höhe unterhalb der Dachelektrode angeordnet. Wesentlich ist bei der
DE 10 2007 047 893 A1 , dass eine Distanz A zwischen der Unterkante des inneren Endes des nach innen gerichteten Abschnitts der Hilfsmasseelektrode (Seitenelektrode) und der der Mittelelektrode zugewandten Oberfläche der Hauptmasseelektrode (Dachelektrode) und eine Distanz Gm des Zündspaltes die Beziehung A >= Gm/3 erfüllen muss.
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Die
EP 1 215 392 A2 offenbart ein Element zur Energieeinkopplung in einen mit einem bestimmten Medium gefüllten Raum, mit einer Elektrode, welche einen Anschluss zur Zufuhr der von einer Energiequelle erzeugten Energie und einen in dem Raum anzuordnenden Endbereich zur Einkopplung der Energie in den Raum aufweist. Der Endbereich der Elektrode weist mehrere längliche und voneinander beabstandete Elektrodenabschnitte auf, welche jeweils mit dem Anschluss der Elektrode gekoppelt sind, um die Energie in den Raum einzukoppeln.
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Die
EP 1 895 154 A1 beschäftigt sich mit der Anordnung mehrerer Zündspalte in einem Verbrennungsraum. Einer der Zündspalte wird durch die Zündkerze (Dachelektrode/Mittelelektrode) gebildet. Die anderen Zündspalte werden durch an einer Dichtung peripher angeordnete Elektrodenpaare gebildet, welche so eine Mehrzahl peripherer Zündspalte bilden. Ein Brenngas ist so sowohl über eigentlichen Zündspalt der Zündkerze als auch mittels der peripheren Zündspalte entzündbar.
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Bei einem ideal arbeitenden Verbrennungsmotor nach dem Schichtladeprinzip wird Kraftstoff direkt in die verdichtete Luft eingespritzt. Während des Einspritzens wird der Kraftstoff vernebelt, verdampft und mit der Brennluft innerhalb des Brennraums vermischt. Das Brenngas, also die Kraftstoff-Luft-Mischung wird durch die Zündkerze gezündet. Herkömmliche Zündkerzen weisen eine Mittelelektrode und eine Masselelektrode auf, wobei die Masseelektrode als Dachelektrode bezeichnet werden kann. Diese weist einen sich im wesentlichen parallel zur Mittelelektrode verlaufenden senkrechten Steg auf, von dem eine Zündoberfläche als Quersteg in Richtung zur Mittelelektrode abgebogen ist. Der Quersteg weist die freie Stirnkante, also die freie Stirnfläche auf. Die Zündoberfläche ist zu einem Zündende der Mittelelektrode axial beabstandet, so dass ein Zündspalt gebildet ist, in dem eine Zündfunke mittels bekannter Mittel und angepasst an den Einspritzzeitpunkt erzeugt wird. So kann das Brenngas entzündet werden, wobei dies allgemein bekannt ist. Auf weitere Elemente der Zündkerze wird daher nicht näher eingegangen.
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Das Brenngas, also die Kraftstoff-Luft-Mischung muss dabei ein geeignetes Mischungsverhältnis aufweisen, um ein ordnungsgemäßes Zünden und somit eine gewünschte Verbrennung sicherstellen zu können. Durch Toleranzen und Zyklus (Arbeitsspiel) zu Zyklus (Arbeitsspiel) Abweichungen kann das Brenngas von diesem optimalen Mischungsverhältnis abweichen, was in mehr oder weniger stabilen Zündungs- und/oder Verbrennungsbedingungen resultiert. Hierbei ist insbesondere das zwischen der Dachelektrode und der Mittelelektrode befindliche Volumen zum Zeitpunkt der Zündung maßgeblich. Wenn während der Dauer des Zündens kein optimal zündbares Gemisch in Bereich des Zündspaltes vorhanden ist, kann dies zu einem langsamen oder unvollständigen Verbrennungsprozess, schlimmstenfalls sogar zu einer völligen Fehlzündung führen.
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Insofern sind konventionelle Zündkerzen, auch solche, welche Seitenelektroden bzw. Hilfselektroden z. B. zur Vermeidung und/oder Entfernen von Russablagerungen aufweisen, nicht geeignet einen robusten Verbrennungsprozess sicherzustellen, wenn Abweichungen aufgrund von Toleranzen oder Arbeitsspiel zu Arbeitsspiel Abweichungen im Kraftstoff-Luft-Gemisch (Brenngasgemisch) vorliegen. Üblicher weise ist der Injektor so mit seinem Einspritzwinkel relativ zum Zündspalt Zwischen der Dachelektrode und der Mittelelektrode eingestellt, dass das gewünschte, optimale, im Wesentlichen magere Brenngasgemisch gezündet werden kann. Beispielsweise könnte der eingespritzte Kraftstoffstrahl aus seinem eingestellten Einspritzwinkel abweichen, so dass im Bereich des Zündspaltes zwischen der Dachelektrode und der Mittelelektrode ein zu fettes oder zu mageres, nicht optimal zündbares Brenngasgemisch vorhanden ist.
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Ausgehend von diesem erkannten Problem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Zündkerze der Eingangs genannten Art mit einfachen Mitteln so zu verbessern, dass auch bei den beispielhaft beschriebenen Abweichungen stets ein robuster und gewünschter Verbrennungsprozess des Brenngases sichergestellt werden kann.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Zündkerze mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die als Masseelektroden ausgeführten Seitenelektroden sind jeweils mit ihrer freien Stirnfläche um eine Mittelachse der Mittelelektrode herum seitlich zu dieser axial zueinander beabstandet so angeordnet, dass die jeweils freien Stirnflächen, auch der Dachelektrode jeweils auf unterschiedlichen Höhenniveaus angeordnet sind, so dass jeweils voneinander örtlich unabhängige Zündspalte gebildet sind. Erfindungsgemäß sind die Zündspalte voneinander örtlich so unabhängig, dass ein Zündfunke an unterschiedlichen Orten, nämlich dort, wo jeweils ein Widerstand im jeweiligen Zündspalt am geringsten ist, durchschlagen kann, wobei Hochstege der im Längsschnitt L-förmigen Dachelektrode sowie der im Längsschnitt L-förmigen Seitenelektrode mit einer unterschiedlichen axialen Länge ausgeführt sind, und wobei die Dachelektrode mit ihrer Zündoberfläche direkt unterhalb einer freien Zündspitze der Mittelelektrode angeordnet ist, so dass ein erster Zündspalt gebildet ist, wobei eine erste der Seitenelektroden, mit ihrer freien Stirnfläche höhenversetzt, oberhalb der Zündstrecke bildenden Oberfläche der Dachelektrode dazu angeordnet ist, so dass ein zweiter Zündspalt gebildet ist, wobei eine zweite der Seitenelektroden mit ihrer freien Stirnfläche höhenversetzt zur Dachelektrode und zur ersten Seitenelektrode bzw. zu den freien Stirnflächen, oberhalb derselben angeordnet ist, so dass ein dritter Zündspalt gebildet ist.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich der Zündfunke, also der fließende Strom stets den Weg des geringsten Widerstandes sucht. Dieser geringste Widerstand liegt vor, wenn das Kraftstoff-Luft-Gemisch weder zu fett noch zu mager ist. Der Injektor ist mit seiner Einspritzachse so eingestellt, dass ein Kraftstoff-Luft-Gemisch erzeugt wird, welches an einer (Kegel)mantelfläche des Einspritzstrahls genau das optimale Verhältnis von Kraftstoff zu Luft aufweist, wobei bei konventionellen Zündkerzen der relevante Zündspalt zum Entzünden des Kraftstoff-Luft-Gemisches üblicherweise zwischen der Dachelektrode und der Mittelelektrode genau in diesem Bereich des optimalen Kraftstoff-Luft-Verhältnisses angeordnet ist. Weicht der Einspritzstrahl nun aus der idealen Einspritzachse ab, so liegt in dem relevanten Zündspalt zwischen der Dachelektrode und der Mittelelektrode entweder ein zu fettes oder zu mageres Gemisch vor. Ist das Gemisch zu mager, ist der Widerstand zu groß, so dass kein Strom fließen und sich kein Zündfunke bilden kann. Ist das Gemisch zu fett, kann die Luft nicht ionisiert werden, so dass ebenso kein Strom fließen und kein Zündfunke entzündet werden kann (der Zündfunke wird quasi durch zu viel Flüssigkeit gelöscht). Mit der Erfindung dagegen wird nun eine einzige, quasi als Stufenkerze ausgeführte Zündkerze zur Verfügung gestellt, bei welcher die Masseelektroden, also die Dachelektrode und die Seitenelektroden mit der relevanten Zündoberfläche, also die, die Zündstrecke bildenden Oberflächen jeweils so angeordnet sind, dass das optimale Kraftstoff-Luft-Gemisch trotz Abweichungen des Einspritzstrahls aus seiner idealen Einspritzachse stets in einem der Zündspalte angeordnet ist, so dass sich ein Ionisierungskanal an einer der Masseelektroden zur Mittelelektrode ausbilden kann, so dass ein Strom fließen und sich ein Zündfunke zum Entzünden des Kraftstoff-Luft-Gemisches bilden kann. Der Zündfunke kann so an unterschiedlichen Orten durchschlagen, nämlich dort, wo der Widerstand am geringsten ist. Insofern wird vorteilhaft eine verbesserte Zündkerze zur Verfügung gestellt, welche nicht einen einzigen bevorzugten Zündspalt, sondern mehrere, quasi gleichwertige Zündspalte aufweist. Insgesamt kann so eine stets robuste Verbrennung sichergestellt werden, auch wenn der Einspritzstrahl von Arbeitsspiel zu Arbeitsspiel, oder aus anderen Gründen aus seiner idealen abweicht. Die Anzahl der quasi gleichwertigen Zündspalte entspricht dabei der Summe der Dachelektrode und der Anzahl der Seitenelektroden bzw. der Anzahl von Querstegen.
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Günstig im Sinn der Erfindung ist, wenn die freien Stirnflächen der jeweiligen Masseelektrode, also der Dachelektrode und der Seitenelektroden in Radialrichtung gesehen bezogen auf eine Mittelachse der Mittelelektrode zu derselben jeweils den gleichen radialen Abstand aufweisen. So wird ein quasi kugelförmiges Volumen zwischen den freien Stirnflächen zur freien Zündspitze der Mittelelektrode eingeschlossen. Ersichtlich ist dabei ein weiterer Vorteil der Erfindung. Durch die Vielzahl quasi gleichwertiger Masseelektrode, wobei keine der Masseelektroden einen bevorzugten Zündspalt bildet, wird nämlich das „gesteuerte Mischungsvolumen“ im Vergleich zum Stand der Technik quasi dreidimensional vergrößert. Natürlich können die freien Stirnkanten auch einen in Radialrichtung gesehen unterschiedlichen Abstand zur Mittelelektrode aufweisen. Wesentlich ist aber, dass die freien Stirnflächen jeder Masseelektrode bezogen auf die Mittelelektrode bzw. auf deren freien Zündspitze in Axialrichtung gesehen, also in Hochrichtung der Zündkerze gesehen unterschiedlich beabstandet sind.
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So kann die Dachelektrode mit ihrer Zündoberfläche in bekannter Weise direkt unterhalb der freien Zündspitze der Mittelelektrode angeordnet sein, so dass ein erster Zündspalt gebildet ist. Eine erste der Seitenelektroden, als weitere Masseelektrode, kann mit ihrer freien Stirnfläche bevorzugt höhenversetzt und in Umfangsrichtung der Mittelelektrode seitenversetzt, oberhalb der Zündstrecke bildenden Oberfläche der Dachelektrode dazu angeordnet sein, so dass ein zweiter Zündspalt gebildet ist. Eine zweite der Seitenelektroden, als weitere Masseelektrode, kann mit ihrer freien Stirnfläche bevorzugt höhenversetzt und in Umfangsrichtung seitenversetzt zur Dachelektrode und zur ersten Seitenelektrode bzw. zu den freien Stirnkanten, bevorzugt oberhalb derselben angeordnet sein, so dass ein dritter Zündspalt gebildet ist. Die Dachelektrode ist dabei bevorzugt so ausgeführt, dass deren freie Stirnfläche mit der Mittelachse der Mittelelektrode deckungsgleich ist, oder über diese etwas übersteht. Die freien Stirnflächen der Seitenelektroden sind seitlich zur Mittelachse der Mittelelektrode angeordnet und weisen einen bevorzugt jeweils gleichen radialen Abstand zu einem Außenumfang der Mittelelektrode bzw. zu dem Außenumfang der freien Zündspitze derselben auf, sind also seitlich dazu und höhenversetzt angeordnet.
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Natürlich können auch mehr als zwei Seitenelektroden vorgesehen werden, wobei die Anzahl der Masseelektroden natürlich zum Vermeiden einer Einhausung der Mittelelektrode begrenzt sein sollte.
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Die Masseelektroden sind im Längsschnitt gesehen L-förmig mit einem sich parallel zur Mittelelektrode erstreckenden Hochsteg und einem in Richtung zur Mittelachse der Mittelelektrode orientierten, von dem Hochsteg abgebogenen Quersteg ausgeführt, an dem die freie Stirnfläche angeordnet ist. Möglich ist, dass an dem Hochsteg ein zum Quersteg axial beabstandeter zweiter Quersteg angeordnet ist, so dass eine sich quasi verzweigende Masseelektrode gebildet ist, von welcher zwei Querstege mit jeweils einer Stirnfläche abzweigen. Der zweite Quersteg ist dabei bevorzugt oberhalb des ersten Quersteges angeordnet. Die freie Stirnfläche des zweiten Quersteges bildet einen weiteren („gleichberechtigten“) Zündspalt.
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In bevorzugter Verwendung ist die erfindungsgemäße Zündkerze in Verbrennungsmotoren mit Direkteinspritzung einsetzbar. Anstelle einer Vielzahl von Zündkerzen in dem Brennraum anzuordnen, wird eine einzige Zündkerze mit mehreren Masseelektroden eingesetzt, welche jeweils einen von dem anderen Zündspalt unabhängigen Zündspalt aufweist. So wird der Verbrennungsprozess im Vergleich zum Stand der Technik auch bei einer Abweichung aus der idealen Zusammensetzung des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Bereich des Zündspaltes zwischen der Dachelektrode und der Mittelelektrode robuster gestaltet, da die voneinander unabhängigen Zündspalte so angeordnet sind, dass das ideale Kraftstoff-Luft-Gemisch zumindest in einem der Zündspalte vorliegt. Natürlich ist das genannte Verwendungsbeispiel nicht auf dieses beschränkt. Denkbar ist, die vorteilhaft ausgeführte Zündkerze bei Verbrennungsmotoren mit Saugrohreinspritzung, bei gemischansaugenden Motoren und/oder bei Motoren mit äußerer Gemischbildung zu verwenden, die quasi ein homogenes Gemisch ansaugen, wobei gewisse Gemischinhomogenitäten auftreten können.
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Mit der Erfindung können so zu den bereits beschriebenen Vorteilen eine unvollständige Verbrennung oder gar eine Fehlzündung vermieden werden, was sich nicht nur vorteilhaft auf einen reduzierten Kraftstoffverbrauch, oder auf verringerte Schadstoffemissionen sondern auch auf eine vergrößerte Lebensdauer des Verbrennungsmotors auswirkt.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der folgenden Figurenbeschreibung offenbart. Es zeigen
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1 eine Zündkerze in einem Längsschnitt,
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2 einen vergrößerten Bereich eines Zündendes des Zündkerze aus 1,
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3 eine Aufsicht auf das Zündende aus 2,
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4 einen beispielhaft, ausschnittsweise dargestellten Einspritzkegel in einem idealen Einspritzwinkel,
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5 einen beispielhaften Einspritzkegel mit einer beispielhaften Abweichung aus dem in 4 dargestellten idealen Einspritzwinkel,
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6 einen beispielhaft, ausschnittsweise dargestellten Einspritzkegel mit einer zu 5 beispielhaft anderen Abweichung aus einem idealen
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Einspritzwinkel
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In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weswegen diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
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Die 1 bis 3 zeigen eine Zündkerze 1, welche eine Mittelelektrode 2, als Masseelektroden eine Dachelektrode 3 und zumindest zwei Seitenelektrode 4, 6 aufweist, wobei sowohl die Seitenelektroden 4, 6 als auch die Dachelektrode 3 jeweils eine in Richtung zur Mittelelektrode 2 orientierte freie Stirnfläche 7, 8, 9 aufweisen. Die als Masseelektroden ausgeführten Seitenelektroden 4,6 sind jeweils mit ihrer freien Stirnfläche 8, 9 um eine Mittelachse X der Mittelelektrode 2 herum seitlich beabstandet zu dieser axial zueinander beabstandet so angeordnet sind, dass die jeweils freien Stirnflächen 7, 8, 9 jeweils auf unterschiedlichen Höhenniveaus angeordnet sind, so dass jeweils voneinander örtlich unabhängige Zündspalte 11, 12, 13 gebildet sind.
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Aufgrund der gewählten Ansicht ist von den Seitenelektroden 4 bzw. 6 lediglich die Seitenelektrode 4 vollständig erkennbar. Von der Seitenelektrode 6 ist in 2 nur die freie Stirnfläche 9 (gestrichelt dargestellt) erkennbar.
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Die Mittelelektrode 2 ist kongruent zu einer Mittelachse X der Zündkerze 1 verlaufend angeordnet, und weist an ihrem Zündende 14 einen im Längsschnitt gesehen zylinderförmigen Fortsatz als Zündspitze 16 auf. Die Dachelektrode 3 und die Seitenelektroden 4 bzw. 6 weisen jeweils einen parallel zur Mittelelektrode 2 bzw. zur Mittelachse X verlaufenden Hochsteg 17 auf, von denen sich jeweils ein Quersteg 18 abgebogen in Richtung zur Mittelelektrode 2 erstreckt. Die Seitenelektrode 6 ist analog dazu ebenfalls L-förmig ausgeführt.
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Wie erkennbar sind die Hochstege 17 der Dachelektrode 3 sowie der Seitenelektrode 4 jeweils mit einer unterschiedlichen axialen Länge ausgeführt, so dass die freien Stirnflächen 7, 8, 9 bezogen auf das Zündende 14 bzw. auf die Zündspitze 16 unterschiedlich hoch angeordnet sind.
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Die Dachelektrode 3 ist mit ihrer Zündoberfläche 19 in bekannter Weise direkt unterhalb der freien Zündspitze 16 der Mittelelektrode 2 angeordnet, so dass der erste Zündspalt 11 gebildet ist. Die erste der Seitenelektroden 4, als weitere Masseelektrode, ist mit ihrer freien Stirnfläche 8 bevorzugt höhenversetzt und in Umfangsrichtung des Mittelelektrode seitenversetzt, oberhalb der Zündstrecke bildenden Oberfläche 19 der Dachelektrode 3 dazu angeordnet sein, so dass der zweite Zündspalt 12 gebildet ist. Die zweite der Seitenelektroden 6, als weitere Masseelektrode, ist mit ihrer freien Stirnfläche 9 bevorzugt höhenversetzt und in Umfangsrichtung des Mittelelektrode seitenversetzt zur Dachelektrode 3 und zur ersten Seitenelektrode 4 bzw. zu den freien Stirnflächen 7, 8, bevorzugt oberhalb derselben angeordnet, so dass der dritte Zündspalt 13 gebildet ist. Die Dachelektrode 3 ist dabei bevorzugt so ausgeführt, dass deren freie Stirnfläche 7 mit der Mittelachse X der Mittelelektrode 2 deckungsgleich ist. Die freien Stirnflächen 8, 9 der Seitenelektroden 4, 6 sind seitlich zur Mittelachse X der Mittelelektrode 2 angeordnet und weisen einen bevorzugt jeweils gleichen radialen Abstand zu einem Außenumfang der Mittelelektrode 2 bzw. zu dem Außenumfang der freien Zündspitze 16 derselben auf, sind also seitlich dazu und höhenversetzt angeordnet.
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Das Zündende 14 der Zündkerze 1 ist in einem Brennraum eines Verbrennungsmotors angeordnet. In dem Brennraum ist zumindest ein Kraftstoffinjektor mit seiner Einspritzseite angeordnet. Der Kraftstoffinjektor spritzt einen Kraftstoffstrahl in den Brennraum ein, wobei der Kraftstoffinjektor einen, wie 5 zeigt, beispielhaft dargestellten kegelförmigen Kraftstoffstrahl 21 mit einer Mittellinie X1 erzeugt. Hilfsweise ist eine Achse Y eingezeichnet, welche sich in der Zeichnungsebene von innen, also von der Mittellinie X1 weg nach außen orientiert in Richtung zur Kegelmantelfläche des Kraftstoffstrahls 21 erstreckt. Die Bezeichnung A der Achse Y stellt dabei ein für eine Zündung nicht optimales, zu fettes Gemisch dar, wobei die Bezeichnung B ein für die Zündung nicht optimales, zu mageres Gemisch darstellt. An der Kegelmantelfläche des Kraftstoffstrahls 21 vermischt sich der eingespritzte Kraftstoff mit der verdichteten Luft, so dass ein Kraftstoff-Luft-Gemisch als Brenngas gebildet ist. Der Kraftstoffinjektor ist mit einem vorgegebenen Einspritzwinkel zur Zündkerze 1 eingestellt, so dass zündfähiges Brenngas mit optimalen Mischungsverhältnis Luft-Kraftstoff zum Beispiel in den Zündspalt 11 zwischen der Dachelektrode 3 und der Mittelelektrode 2 gelangen kann (4).
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In 5 ist beispielhaft eine Abweichung der Mittellinie X1 aus der ursprünglich eingestellten Mittellinie des Kraftstoffstrahls 21 zu einem in der Zeichnungsebene linken Bildrand dargestellt. Mögliche Abweichungen sind mittels des Kreuzpfeils dargestellt. Bei einer konventionellen Zündkerze würde so in den Zündspalt 11 zwischen der Dachelektrode 3 und der Mittelelektrode 2 ein nicht optimal zündfähiges Gemisch, also z. B. ein zu fettes Gemisch vorliegen. Bei der Zündkerze 1 nach der Erfindung dagegen, liegt im Bereich des Zündspaltes 13 zwischen der zweiten Seitenelektrode 6 und der Mittelelektrode 2 ein optimal zündfähiges Gemisch, mit optimalem Mischungsverhältnis vor, so dass hier ein Zündfunke 22 erzeugt werden kann. Im Bereich des Zündspaltes 12 zwischen der ersten Seitenelektrode 4 und der Mittelelektrode 2 dagegen liegt ein nicht optimal zündfähiges, zu mageres Gemisch vor.
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In 4 ist der Kraftstoffstrahl 21 ausschnittsweise dargestellt, wobei der Kraftstoffstrahl 21 mit dem eingestellten Einspritzwinkel eingespritzt wird, so dass ein zündfähiges Gemisch in dem Zündspalt 11 zwischen der Dachelektrode 3 und der Mittelelektrode 2 vorliegt. Der Zündfunke 22 kann in dem Zündspalt 11 erzeugt werden, wobei in den anderen beiden Zündspalten 12 und 13 ein nicht optimal zündfähiges, zu mageres Gemisch vorliegt.
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Bei dem in 6 dargestellten Beispiel weicht der Kraftstoffstrahl 21 mit seiner Mittelachse X1 aus dem idealen, eingestellten Einspritzwinkel in der Zeichnungsebene nach oben rechts ab. Wie dargestellt kann der Zündfunke 22 in dem Zündspalt 12 zwischen der ersten Seitenelektrode 4 und der Mittelelektrode 2 erzeugt werden, da in diesem Bereich ein optimal zündfähiges Gemisch vorliegt. Die anderen beiden Zündspalte 11 und 13 liegen in einem Bereich mit nicht optimal zündfähigem, also zu fettem Gemisch.
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Der Zündfunke 22 ist in den 4 bis 6 lediglich prinzipiell gezeigt. Es soll lediglich angedeutet werden, dass der Zündfunke 22 entweder in dem Zündspalt 11, in dem Zündspalt 12 oder in dem Zündspalt 13 durchschlägt.
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Ersichtlich ist aus den 4 bis 6, dass die Masseelektroden, also die Dachelektrode 3 und die beiden Seitenelektroden 4 und 6 so mit ihrer freien Stirnfläche 7, 8, 9 zur Mittelelektrode 2 angeordnet sind, dass auch bei Abweichungen des Kraftstoffstrahl 21 aus der idealen stets ein optimal zündfähiges Gemisch in einem der Zündspalte 11, 12 oder 13 angeordnet ist, so dass in einem der Zündspalte 11, 12 oder 13 ein Zündfunke 22 erzeugt werden kann. Auf ein spezielles Steuergerät zum Erzeugen des Zündfunken 22 in einem der Zündspalte 11, 12 oder 13 kann verzichtet werden, da der Zündfunke 22 stets an der Masseelektrode 3, 4 oder 6 durchschlägt, an welcher aufgrund des vorhandenen, optimal zündfähigen Gemisches, der geringste (elektrische) Widerstand anliegt.
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Die Querstege 18 der Masseelektroden, also der Dachelektrode 3, sowie der Seitenelektroden 4 bzw. 6 sind so angeordnet, dass deren jeweils freie Stirnflächen 7, 8, 9 in einem Umfangswinkel von 120° versetzt um die Mittelelektrode 2 herum angeordnet sind, wie beispielhaft in 3 dargestellt. Bei den in den 4 bis 6 gewählten Ansichten sind die Seitenelektroden 4 und 6 diametral gegenüberliegend gezeigt. Der beispielhafte Umfangswinkelbetrag soll natürlich nicht beschränkend sein. Möglich ist, eine der Masseelektroden in Umfangsrichtung gesehen näher oder weiter entfernt zur anderen Masseelektrode anzuordnen. Die günstige Lage der jeweiligen Masseelektrode bzw. deren Zündstrecke bildenden Oberfläche kann zum Beispiel in Testverfahren festgelegt werden, in denen mögliche Abweichungen des Kraftstoffstrahls 21 aus der idealen determiniert werden, um so eine der Masseelektroden immer in dem Bereich anzuordnen, in dem ein optimal zündfähiges Gemisch vorliegt. Die Positionen der jeweiligen Masseelektroden 3, 4 und 6 an der Zündkerze 1 wird im Vorfeld festgelegt. Die Zündkerze kann natürlich ein Massenprodukt sein, bei welcher die Position der Masseelektroden 3, 4 und 6 innerhalb des Brennraums, insbesondere der relativen Position der einzelnen Masseelektroden 3, 4 und 6 zueinander mittels der Testdurchläufe universell festgelegt sein kann. Natürlich wird dabei zunächst die Position der Dachelektrode 3 festgelegt. Die Seitenelektroden 4 und 6 werden an die zu erwartenden Abweichungen relativ zur Dachelektrode 3 positioniert. Die Positionierung des Zündendes 14 innerhalb des Brennraums geschieht in bekannter weise durch festlegen der Zündkerze, worauf nicht näher hinzuweisen ist, da dies hinlänglich bekannt ist.
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Mit der Erfindung wird eine als Stufenkerze zu bezeichnenden Zündkerze 1 zur Verfügung gestellt, welche einen robusten Verbrennungsprozess bei Verbrennungsmotoren mit Direkteinspritzung sicherstellt, da immer einer der Zündspalte 11, 12 oder 13 in dem Bereich mit optimal zündfähigem Gemisch angeordnet ist. Wesentlich dabei ist, dass die jeweiligen Masseelektroden (Dachelektrode 3, Seitenelektroden 4, 6) mit ihrer freien Stirnfläche 7, 8, 9 höhenversetzt (Stufen) und bevorzugt in Umfangsrichtung der Mittelelektrode seitenversetzt zur anderen Masseelektrode angeordnet ist. Der radiale Abstand der freien Stirnfläche 7, 8, 9 zur Mittelelektrode 2 kann dabei bevorzugt jeweils den gleichen Betrag aufweisen.
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Wie den 1 und 2 entnehmbar ist, sind die freien Stirnflächen 7, 8, 9 mit zumindest einer ihrer Ecken, bevorzugt den in der Zeichnungsebene oberen Ecken 23, 24 tangential an einem hilfsweise eingezeichneten Kreis 26 angeordnet, welcher in dreidimensionaler Ansicht ein quasi kugelförmiges Volumen zwischen den Masseelektroden 3, 4 und 6 darstellen soll. Ersichtlich ist daraus, dass ein „gesteuertes Mischungsvolumen“ zwischen den drei Zündspalten 11, 12, und 13 im Vergleich zum Stand der Technik vergrößert ist. Denn im Stand der Technik ist das einzige Volumen in dem bevorzugten Zündspalt zwischen der Dachelektrode und der Mittelelektrode vorgegeben. Bei der Erfindung dagegen, sind eine Mehrzahl voneinander unabhängige Zündspalte unter Vermeidung eines bevorzugten Zündspaltes gebildet. Natürlich ist das in den 1 und 2 idealisiert dargestellte Volumen nicht immer ideal kugelförmig. Wesentlich ist bei der Erfindung, dass durch die höhenversetzte Anordnung der drei „gleichberechtigten“ Masseelektroden 3, 4 und 6 mit ihren freien Stirnflächen 7, 8, 9 bzw. deren Zündstrecke bildenden Oberflächen (Zündoberfläche) 19 örtlich voneinander unabhängige Zündspalte 11, 12 und 13 gebildet sind, so dass stets eine robuste Verbrennung erreicht werden kann, wobei der Zündfunke 22 an unterschiedlichen Masseelektroden, also an unterschiedlichen Orten durchschlagen kann.
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In Ausgestaltung der Erfindung kann an zumindest einem der Hochstege 17 ein zum ohnehin vorhandenen Quersteg 18 ein weiterer bzw. zusätzlicher Quersteg 27 angeordnet sein, welcher höhenversetzt zum ersten Quersteg 18, bevorzugt oberhalb zu diesem angeordnet ist, wie zum Beispiel 2 anhand des gestrichelt dargestellten Quersteges 27 zeigt. Möglich ist demnach, zumindest eine der Masseelektroden quasi als verzweigende Masseelektrode auszuführen, wodurch ein weiterer (vierter) Zündspalt gebildet ist.
