STAND DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zündkerze und eine
Brennraumanordnung mit einer Zündkerze und einem Einspritzventil.
Obwohl auf beliebige Verbrennungskonzepte mit einer Zündanlage
und einem Einspritzsystem eines Kraftstoffes anwendbar,
werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrunde
liegende Problematik in Bezug auf eine Zündkerze und eine
Benzin-Direkteinspritzung nach dem strahlgeführten
Brennverfahren erläutert.
Beispielsweise ist aus der DE 196 23 989 C2 eine Zündkerze
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt.
Als nachteilig bei einer solchen Zündkerze in einem Brennraum
hat sich die Tatsache herausgestellt, dass eine mangelhafte
Einbautoleranz der Zündkerze hinsichtlich der Empfindlichkeit
der Funkenlage bzw. Funkenstrecke zum Einspritzstrahl
des brennbaren Gemisches besteht. Somit kann
es bei einem Einbau einer Zündkerze in dem Brennraum, die
lediglich etwas von der vorgeschriebenen optimalen Einbauposition
abweicht, zu Problemen bei einer Flammkernbildung
und somit der Gemischentflammung kommen, da die Zugänglichkeit
des brennbaren Gemisches, beispielsweise des Kraftstoff-Luft-Gemisches,
zur Funkenstrecke zwischen der Mittel-
und Masseelektrode der Zündkerze behindert wird.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problematik
besteht also allgemein darin, die mangelhafte Einbautoleranz
der Zündkerze hinsichtlich der Empfindlichkeit der
Funkenlage zum Einspritzstrahl zu verbessern.
VORTEILE DER ERFINDUNG
Die erfindungsgemäße Zündkerze mit den Merkmalen des Anspruchs
1 sowie die Brennraumanordnung mit den Merkmalen
gemäß Anspruch 16 weisen gegenüber dem bekannten Lösungsansatz
den Vorteil auf, dass die Einbautiefe der Zündkerze
nicht mehr exakt auf die Position der benachbarten Einspritzstrahlen
abgestimmt werden muss.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht
darin, dass die Mittel- und/oder die Masseelektrode
einen Zuführbereich zum Zuführen des brennbaren Gemisches
an die Funkenstrecke zwischen der Mittelelektrode und der
Masseelektrode aufweist.
Somit wird eine gute Zugänglichkeit des brennbaren Gemisches
zur Funkenstrecke bzw. ein möglichst freier und ungehinderter
Flammentransport aus dem Umfeld der Funkenstrecke
in den Brennraum hinein gewährleistet.
Ferner schafft die vorliegende Erfindung eine Brennraumanordnung,
bei der die Zündkerze und ein mit mindestens einem
Paar Einspritzlöchern versehenes Einspritzventil derart zueinander
angeordnet sind, dass die entsprechend eingespritzten
Gemischstrahlen die Zündkerze radial flankieren
und der Schwerpunkt der Gemischstrahlenkeule oberhalb der
Funkenstrecke zwischen der Mittelelektrode und der Masseelektrode
der Zündkerze liegt.
Dadurch wird eine weitere Möglichkeit geschaffen, die Einbautiefentoleranz
der Zündkerze zu erweitern.
In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildungen
und Verbesserungen der in Anspruch 1 angegebenen
Zündkerze bzw. der in Anspruch 16 angegebenen Brennraumanordnung.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist der Zuführbereich
als mindestens eine Durchgangsbohrung, Durchgangsschlitz,
ausgesparter Durchgangsbereich oder dergleichen in Höhe der
Funkenstrecke für eine erhöhte Zugänglichkeit des Gemisches
zur Funkenstrecke in der Masseelektrode ausgebildet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Masseelektrode
als dachförmige Elektrode ausgebildet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Masseelektrode
als gabelförmige Elektrode ausgebildet, welche
die, insbesondere stiftförmige, Mittelelektrode umgibt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Masseelektrode
als mindestens eine stufenförmige Elektrode für
eine Überdeckung der Mittelelektrode und/oder des Isolators
ausgebildet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Masseelektrode
als mindestens ein Bügel über der brennraumseitigen
Fläche der Mittelelektrode ausgebildet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Masseelektrode
aus mindestens zwei parallel zueinander
beabstandeten Elektroden gebildet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Masseelektrode
in etwa ringförmig ausgebildet und umschließt
die, insbesondere stufenförmige, Mittelelektrode oder den
Isolator. Die ringförmige Masseelektrode ist insbesondere
mittels einer Trägereinrichtung an dem Gehäuse befestigt.
Die Trägereinrichtung kann ebenfalls Durchgangsbohrungen,
Durchgangsschlitze, ausgesparte Durchgangsbereiche oder
dergleichen in Höhe der Funkenstrecke aufweisen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die
Zündkerze derart gerichtet einbaubar, dass die Masseelektrode
bezüglich der Hauptströmungsrichtung des Gemisches
zwischen dem Einspritzventil und der Mittelelektrode angeordnet
ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die
Zündkerze derart gerichtet einbaubar, dass die Mittelelektrode
bezüglich der Hauptströmungsrichtung des Gemisches
zwischen dem Einspritzventil und der Masseelektrode angeordnet
ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Mittelelektrode
nach außen gebogen ausgebildet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die
Mittelelektrode eine Durchgangsbohrung, einen Durchgangsschlitz,
einen ausgesparten Durchgangsbereich oder dergleichen
für eine erhöhte Zugänglichkeit des Gemisches zur Funkenstrecke
in Höhe der Funkenstrecke auf.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist der
Querschnitt der Mittel- und/oder Masseelektroden rund,
quadratisch, rechteckig, dreieckig oder dergleichen ausgebildet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung beträgt der
Abstand zwischen der Masse- und der Mittelelektrode in etwa
0,3 mm bis 0,6 mm.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist der Zuführbereich
als an der Masseelektrode angebrachter Umlenkbereich
in Höhe der Funkenstrecke für eine erhöhte Zugänglichkeit
des Gemisches zur Funkenstrecke ausgebildet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung beträgt der
Winkel zwischen den beiden eingespritzten Gemischstrahlen
durch das Einspritzventil vorzugsweise 30° bis 60°.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung bilden die
Achsen der Zündkerze und des Einspritzventils einen spitzen
Winkel miteinander.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist das
Einspritzventil einen halbkugelförmigen Kopf auf, in dem
mehrere Paare an Einspritzlöchern vorgesehen sind, wobei
der Winkel zwischen den Strahlebenen zweier den entsprechenden
Einspritzlöchern zugewiesener Strahlenpaare vorzugsweise
zwischen 25° und 30° beträgt.
ZEICHNUNGEN
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
In den Figuren zeigen:
- Fig. 1a
- eine Unteransicht einer Brennraumanordnung mit
einer Zündkerze und einem Einspritzventil gemäß
einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung;
- Fig. 1b
- eine Vorderansicht, teilweise im Schnitt, einer
Zündkerze gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel in
Fig. 1a;
- Fig. 2
- eine Vorderansicht, teilweise im Schnitt, einer
Zündkerze gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
- Fig. 3
- eine Vorderansicht, teilweise im Schnitt, einer
Zündkerze gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
- Fig. 4a
- eine Seitenansicht einer Mittelelektrode gemäß
einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- Fig. 4b
- eine Unteransicht einer Zündkerze gemäß dem vierten
Ausführungsbeispiel in Fig. 4a;
- Fig. 4c
- eine Vorderansicht, teilweise im Schnitt, einer
Zündkerze gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel
in den Fig. 4a und 4b;
- Fig. 5a
- eine Unteransicht einer Zündkerze gemäß einem
fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- Fig. 5b
- eine Vorderansicht, teilweise im Schnitt, einer
Zündkerze gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel
in Fig. 5a;
- Fig. 6
- eine Unteransicht einer Zündkerze gemäß einem
sechsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- Fig. 7
- eine Vorderansicht, teilweise im Schnitt, einer
Zündkerze gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
- Fig. 8a
- eine Unteransicht einer Zündkerze gemäß einem
achten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- Fig. 8b
- eine Vorderansicht, teilweise im Schnitt, einer
Zündkerze gemäß dem achten Ausführungsbeispiel in
Fig. 8a;
- Fig. 9
- eine Vorderansicht, teilweise im Schnitt, einer
Zündkerze gemäß einem neunten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
- Fig. 10
- eine Vorderansicht, teilweise im Schnitt, einer
Zündkerze gemäß einem zehnten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
- Fig. 11
- eine Vorderansicht, teilweise im Schnitt, einer
Zündkerze gemäß einem elften Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
- Fig. 12
- eine Vorderansicht, teilweise im Schnitt, einer
Zündkerze gemäß einem zwölften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- Fig. 13
- eine Vorderansicht, teilweise im Schnitt, einer
Zündkerze gemäß einem dreizehnten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- Fig. 14a
- eine Unteransicht einer Zündkerze gemäß einem
vierzehnten Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung;
- Fig. 14b
- eine Vorderansicht, teilweise im Schnitt, einer
Zündkerze gemäß dem vierzehnten Ausführungsbeispiel in Fig. 14a;
- Fig. 15a
- eine Unteransicht einer Zündkerze gemäß einem
fünfzehnten Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung;
- Fig. 15b
- eine Vorderansicht, teilweise im Schnitt, einer
Zündkerze gemäß dem fünfzehnten Ausführungsbeispiel in Fig. 15a;
- Fig. 16
- eine Vorderansicht eines Einspritzventils gemäß
einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
- Fig. 17
- eine Brennraumanordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder
funktionsgleiche Komponenten.
Die Fig. 1a und 1b zeigen eine Unter- bzw. Vorderansicht,
teilweise im Schnitt, einer Zündkerze 1 gemäß einem ersten
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
In einem beispielsweise metallischen, rohrförmigen Gehäuse
2 der Zündkerze 1 ist ein Isolator 4 angeordnet, wobei vorteilhaft
die rotationssymmetrischen Achsen des Gehäuses 2
und des Isolators 4 deckungsgleich liegen. In dem Isolator
4 ist eine vorzugsweise stabförmige Innenleiteranordnung
mit einem Anschlussbolzen 11 (siehe Fig. 12 und 13), einem
strombegrenzenden Widerstand 12 und einem beschichteten
Kontaktstift 13 sowie eine Mittelelektrode 5 angeordnet,
welche beispielsweise aus einer Sonderlegierung, Platin oder
dergleichen, angefertigt ist. Die in dem Isolator 4 angeordneten
Bauteile dienen einer Übertragung der Spannung
vom Anschlussbolzen 11 an die Mittelelektrode 5. Zwischen
dem Gehäuse 2 und dem Isolator 4, der beispielsweise aus
einer Keramik besteht, ist ein Atmungsvolumen 3 vorgesehen.
Der Anschlussbolzen 11 besteht vorzugsweise aus Stahl. Innerhalb
des Isolators 4 werden der Anschlussbolzen 11 und
die Mittelelektrode 5 in einer leitenden Spezialschmelze,
vorzugsweise absolut dicht, verankert. Der Isolator wird
zusammen mit einem Dichtring und beispielsweise einem Bördelring
in das Stahl-Kerzengehäuse 2 eingesetzt und durch
ein Spezialverfahren unter hohem Druck eingebördelt und geschrumpft.
Die Zündkerze 1 weist ferner eine Masseelektrode 6 auf, die
an dem Gehäuse 2 der Zündkerze 1 beispielsweise angeschweißt
ist. Die Masseelektrode 6 besteht zum Beispiel ebenfalls
aus einer Speziallegierung.
Wie in den Fig. 1 und 1b ersichtlich, ist die Masseelektrode
6 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung haken- bzw. dachförmig ausgebildet, wobei die
Masseelektrode 6 die Mittelelektrode 5 abdeckt. Die Masseelektrode
6 besitzt einen parallel zur Achse der Zündkerze
1 verlaufenden Abschnitt 6a, der am Gehäuse 2 angeschweißt
ist, und einen quer zu dieser Achse verlaufenden Dachabschnitt
6b. Die Masseelektrode 6 weist vorzugsweise in Höhe
der Funkenstrecke zwischen der brennraumseitigen Fläche der
Mittelelektrode 5 und der entsprechend gegenüberliegenden
Fläche der Masseelektrode 6 mindestens eine Bohrung 8, einen
Schlitz, eine Aussparung oder dergleichen auf. Dadurch
wird vermieden, dass bei einer Einbauposition, bei welcher
sich die Masseelektrode 6 zwischen einem Einspritzventil 20
und der Mittelelektrode 5 befindet, sich die Funkenstrecke
im Windschatten der Masseelektrode 6 befindet und daher von
der Gemischströmung 25 nicht erfasst werden kann.
Neben der Zündkerze 1 ist in dem Brennraum ein Einspritzventil
20 vorgesehen, welches vorzugsweise einen halbkugelförmigen
Kopf 21 mit mehreren Einspritzlöchern 22, 22'; 23,
23' (siehe Fig. 16 und 17) aufweist. Das aus dem Einspritzventil
20 ausströmende Gemisch ist in den Figuren durch den
Schwerpunktstrahl des jeweiligen Einspritzstrahls 25 repräsentativ
dargestellt.
Somit wird unabhängig von der Einbauposition der Zündkerze
1 eine ausreichende Gemischströmung zur Funkenstrecke a
zwischen der Mittelelektrode 5 und der Masseelektrode 6 und
somit eine zuverlässige Gemischentflammung gewährleistet.
Die Masseelektrode 6 kann auch aus zwei parallel voneinander
beabstandeten Elektroden ausgebildet sein, um den Gemischzutritt
zur Funkenstrecke a sicherzustellen.
In dem ersten Ausführungsbeispiel ist der Abstand a der
Mittelelektrode 5 zur Masseelektrode 6 in axialer Richtung
wesentlich geringer als der Abstand b zwischen dem Isolator
4 und dem parallel zur Achse der Zündkerze 1 verlaufenden
Abschnitt 6a der Masseelektrode 6. Somit erfolgt eine Zündung
bzw. eine Entflammung des Gemisches lediglich an der
Funkenstrecke a, falls die Strecke b größer als der notwendige
Zündabstand gewählt ist.
Wie in Fig. 1b dargestellt, ist die Mittelelektrode 5 im
Vergleich zum Isolator 4 verlängert und ragt brennraumseitig
hervor. Zum Erzielen einer möglichst großen Einbautoleranz
ist die Funkenstrecke a möglichst weit außerhalb des
Kerzengehäuses 2 zu legen, soweit es aus thermischen und
fertigungstechnischen Gründen vertretbar ist. Dadurch können
unterschiedliche Einbautoleranzen der Funkenstrecke,
bezogen auf die jeweiligen benachbarten Einspritzstrahlen,
bei Motoren mit mehreren Zylindern ausgeglichen werden und
es besteht eine Toleranz-Unempfindlichkeit der Funkenstrecke
hinsichtlich unterschiedlicher Einbautiefen der Zünderkerze
1 in den einzelnen Zylindern.
Wie der Fig. 1b zu entnehmen ist, kann die Mittelelektrode
5 frei liegen, d.h. ohne von dem Isolator 4 umgeben zu
sein.
Fig. 2 zeigt eine Vorderansicht in teilweise geschnittener
Darstellung einer Zündkerze 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Die Mittelelektrode
5 besitzt in diesem Ausführungsbeispiel vorzugsweise
die Form eines Stiftes, der axial auf dem brennraumseitigen
Ende des Kontaktstiftes 13 angebracht ist. Vorzugsweise ist
die Mittelelektrode 5 aus Platin gebildet und mittels einem
Schweißverfahren an dem Kontaktstift 13 angebracht. Die
Mittelelektrode 5 kann für eine ausreichende Gemischzugänglichkeit
zur Funkenstrecke zwischen der Mittelelektrode 5
und der Masseelektrode 6 von zwei parallel geführten Masseelektroden
oder von einer gegabelten Masseelektrode 6, wie
in Fig. 2 ersichtlich, flankiert werden. In diesem Fall erfolgt
eine Zündung sowohl in axialer Richtung über die Funkenstrecke
a zwischen dem Kontaktstift 13 und der Masseelektrode
6 als auch in radialer Richtung über die Funkenstrecke
b zwischen der Mittelelektrode 5 und der Masseelektrode
6.
Der jeweils freie Bereich der zwei parallel geführten Masseelektroden
bzw. der gegabelten Masseelektrode dient einem
Zuführbereich zum Zuführen des brennbaren Gemisches an die
jeweilige Funkenstrecke. Zusätzlich kann die Masseelektrode
6 wiederum Bohrungen, Schlitze, Aussparungen oder dergleichen
für eine Gemischzuführhilfe aufweisen.
In diesem Ausführungsbeispiel nicht beschriebene Bauteile
und Funktionsweisen entsprechen denen des ersten Ausführungsbeispiels
in den Fig. 1a und 1b und bedürfen daher
keiner weiteren Erläuterung. Analoges gilt im Übrigen auch
für die folgenden Ausführungsbeispiele.
In Fig. 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel einer Zündkerze
1 dargestellt, bei der die Masseelektrode 6 derart
gestuft ausgebildet ist, dass sie die Mittelelektrode 5 sowie
die Isolatorstirnfläche unter Bildung eines bestimmten
Abstandes überdeckt. Bei einer solchen Ausbildung kommt es
in axialer Richtung über der in Fig. 3 gekennzeichneten
Funkenstrecke a, in radialer Richtung über der Funkenstrecke
b und zusätzlich über der Funkenstrecke c zwischen dem
Isolator 4 und dem Überhangabschnitt 6c der Masseelektrode
6 zu einem Zündvorgang.
Vorzugsweise besitzt die Masseelektrode 6 in Höhe der jeweiligen
Funkenstrecke eine Bohrung 8, einen Schlitz, eine
Aussparung oder dergleichen, so dass unabhängig von der
Einbauposition eine ausreichende Gemischströmung zur entsprechenden
Funkenstrecke gewährleistet ist.
Ferner weist gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel die Mittelelektrode
5 in Höhe der Funkenstrecke b bzw. c ebenfalls
eine Bohrung 10, einen Schlitz, eine Aussparung oder dergleichen
für eine ausreichende Zugänglichkeit des Gemisches
zur Funkenstrecke b bzw. c auf.
Der Abstand d zwischen den parallel zueinander beabstandeten
Abschnitten des Isolators 4 und der Masseelektrode 6
ist vorzugsweise um einiges größer gewählt als die Abstände
bzw. Funkenstrecken a, b und c. Somit kommt es an der Strecke
d zu keiner Entflammung bzw. zu keinem Zündvorgang.
Die Fig. 4a, 4b und 4c illustrieren eine Zündkerze gemäß
einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
In Fig. 4a ist eine rechtsseitige Ansicht einer Mittelelektrode
5 dargestellt, die eine in etwa V-förmige Aussparung
aufweist. Die Fig. 4b und 4c illustrieren eine Unter-
bzw. Vorderansicht, teilweise im Schnitt, einer Zündkerze
1 gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel. Die Masseelektrode
6 ist gebogen ausgestaltet, derart, dass sie
brennraumseitig mit der Mittelelektrode 5 abschließt. Die
Masseelektrode 6 besitzt erfindungsgemäß in Höhe der relevanten
Funkenstrecken a und b eine Bohrung 8, einen
Schlitz, eine Aussparung oder dergleichen. In diesem Ausführungsbeispiel
ist der Abstand c größer gewählt als die
Abstände a und b, so dass eine Vollfunkenbildung lediglich
an den Funkenstrecken a und b zustande kommt.
Für eine bessere Entflammung können auch mehrere Masseelektroden,
beispielsweise in gleichmäßigen Winkelabständen,
um die Mittelelektrode 5 angeordnet werden, die allesamt
für eine verbesserte Gemischzugänglichkeit entsprechende
Bohrungen 8, Schlitze, Aussparungen oder dergleichen
aufweisen. Ein Vorteil einer derartigen Konstruktionssymmetrie
besteht in der großen Toleranz in der Einbaurichtung
der Zündkerze 1.
Die Zündung erfolgt hierbei in radialer Richtung zur Mittelelektrode
5 über die Funkenstrecke a und in axialer
Richtung zum Isolator 4 über die Funkenstrecke b. Der Isolator
4 ist vorzugsweise aus Keramik oder dergleichen gebildet.
Ein fünftes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
ist in den Fig. 5a und 5b dargestellt. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel
ist die Masseelektrode 6 gabelförmig ausgebildet
und umschließt die Mittelelektrode 5 zumindest teilweise.
Dadurch wird der Bereich der Funkenstrecke erweitert.
Der die gabelförmige Masseelektrode 6 nicht umschließende
Bereich der Gabelelektrode dient einer Zuführung des
brennbaren Gemisches zur entsprechenden Funkenstrecke. Die
gabelförmige Masseelektrode 6 ist wiederum mit einer Bohrung
8, einem Schlitz, einer Aussparung oder dergleichen
vorzugsweise in Höhe der Funkenlage ausgebildet.
Der Querschnitt der Gabelzinken kann rechteckförmig, quadratisch,
rund, dreieckig oder dergleichen sein. Dies gilt
analog für die Elektrodenquerschnitte der übrigen Ausführungsbeispiele.
Die von der gabelförmigen Masseelektrode 6 umgebene Mittelelektrode
5 ist gegenüber dem Isolator 4 brennraumseitig
verlängert. Eine Entzündung erfolgt hierbei in radialer
Richtung über die Funkenstrecke a zwischen der Masseelektrode
6 und der Mittelelektrode 5 und in axialer Richtung
über die Funkenstrecke b zwischen der Masseelektrode 6 und
dem Isolator 4.
Fig. 6 zeigt eine Unteransicht einer Zündkerze 1 gemäß einem
sechsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Die Masseelektrode besteht aus zwei parallel zueinander
geführten Elektroden, die an der Mittelelektrode 5 vorbeigeführt
und sowohl zur Mittelelektrode 5 als auch zur
Stirnfläche des Isolators 4 zünden. Die beiden Elektroden
sind vorzugsweise punktsymmetrisch bezüglich der Achse der
Mittelelektrode 5 an das Gehäuse 2 der Zündkerze 1 oder an
eine weitere Masseelektrode angeschweißt. Der Zwischenbereich
8 zwischen den beiden Elektroden dient einer verbesserten
Zugänglichkeit des brennbaren Gemisches zur Funkenstrecke.
Die beiden Masseelektroden können auch auf derselben Seite
der Mittelelektrode 5 am Gehäuse 2 der Zündkerze 1, d.h.
achsensymmetrisch, befestigt sein. Ebenso können die Masseelektroden
jeweils als Bügel auf beiden Seiten der Mittelelektrode
5 am Gehäuse 2 der Zündkerze 1 befestigt werden.
Durch eine bogenförmige Ausbuchtung im Bereich der Mittelelektrode
5 können die Masseelektroden vorzugsweise zusätzlich
an den Kreisquerschnitt der Mittelelektrode 5 angepasst
werden.
Hierbei erfolgt eine Zündung in radialer Richtung zur Mittelelektrode
5 und in axialer Richtung zum Isolator 4.
Der Querschnitt der Elektroden kann, wie vorher bereits erwähnt,
quadratisch, rund, viereckig, dreieckig oder dergleichen
sein.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel in Fig. 7 ist die Masseelektrode
6 als quer über den Durchmesser des Kerzengehäuses 2
gespannter Bügel ausgebildet. Die Mittelelektrode 5
schließt dabei bündig mit der Stirnfläche des Isolators 4
ab. Die Masseelektrode 6 besitzt vorzugsweise an beiden
Eckbereichen des Bügels jeweils eine Bohrung 8. Anstatt der
beiden Bohrungen 8 kann der Bügel auch teilweise an seinen
Rundungen oder im gesamten Bereich des Bügels durchgeschlitzt
werden.
Anstelle eines einzelnen breiteren Bügels können auch zwei
parallel zueinander beabstandete schmalere Bügel verwendet
werden, die beispielsweise einseitig an dem Gehäuse 2 der
Zündkerze 1 angeschweißt sind.
Eine Zündung erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel über die
Funkenstrecke a zwischen der Stirnfläche der Mittelelektrode
5 und der gegenüberliegenden Fläche der Masseelektrode
6.
Gemäß einem achten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
wie in Fig. 8a und 8b dargestellt, ist die Masseelektrode
6 ringförmig ausgebildet und umschließt die Mittelelektrode
5, welche vorzugsweise über die Stirnfläche
des Isolators 4 verlängert ist und aus dem Isolator 4
brennraumseitig herausragt.
Die ringförmige Masseelektrode 6 ist vorzugsweise mittels
gegenüberliegend angeordneten Ringträgern 7 an dem Gehäuse
2 der Zündkerze 1 angeschweißt. Die Masseelektrode 6 besitzt
vorteilhaft in Höhe der Funkenstrecke a bzw. b Bohrungen
8, Schlitze oder dergleichen, die vorzugsweise in
den Ringträgern 7 für einen besseren Gemischzugang zur Funkenstrecke
vorgesehen sind. Die Ringträger der ringförmigen
Masseelektrode 6 sind vorzugsweise im eingebauten Zustand
parallel zur Strömungsrichtung des brennbaren Gemisches gerichtet,
damit eine Zuführung des Gemisches zur Funkenstrecke
durch den Träger nicht gestört werden und nicht die Gefahr
von eventuell auftretenden Thermoschocks besteht.
Hierbei erfolgt die Zündung in radialer Richtung über die
Funkenstrecke a zur Mittelelektrode 5 und in axialer Richtung
über die Funkenstrecke b zum Keramikisolator 4.
Das Querschnittsprofil der ringförmigen Masseelektrode 6
ist vorzugsweise rund ausgebildet.
Fig. 9 zeigt eine Vorderansicht, teilweise im Schnitt, einer
Zündkerze 1 gemäß einem neunten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung. Die Mittelelektrode 5 weist einen
Kopf auf, dessen Durchmesser dem Außendurchmesser des Isolators
4 an der Berührungsfläche entspricht. Das Gehäuse 2
der Zündkerze 1 übernimmt gemäß diesem Ausführungsbeispiel
die Funktion der Masseelektrode 6, wobei aufgrund der zurückgezogenen
Masseelektrode 6 der Zündfunke vom Nagelkopf
der Mittelelektrode 5 über den Isolator 4 zur Masseelektrode
6 bzw. Gehäuse 2 wandert. Ohne einen nagelförmigen Kopf
würde der Funke direkt von der Mittelelektrode 5 zur Masseelektrode
6 übergehen und Furcheneingrabungen im Isolator 4
zur Folge haben. Dies wiederum könnte ein Aussetzen des Motors
aufgrund einer zu geringen Brenngemischmenge bedeuten.
Der Sitz für den Isolator 4 kann in Richtung des Anschlussbolzens
11 verschoben werden, um einen zusätzlichen Atmungsraum
3 für heißere Zündkerzenvarianten zu gewinnen.
Aufgrund der verlängerten Funkenstrecke wird eine variable
Einbautiefe, eine hohe Nebenschlussempfindlichkeit und eine
vorteilhafte Rotationssymmetrie erreicht.
In Fig. 10 ist eine Zündkerze 1 gemäß einem zehnten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei
die Mittelelektrode 5 analog zum neunten Ausführungsbeispiel
nagelkopfförmig ausgebildet ist.
Zwischen dem Gehäuse 2 der Zündkerze 1 und dem Nagelkopf
der Mittelelektrode 5 ist eine vorzugsweise ringförmige
Masseelektrode 6 vorgesehen, die mittels Ringträgern 7 am
Gehäuse 2 der Zündkerze 1 befestigt ist. Der Abstand zwischen
der ringförmigen Masseelektrode 6 und dem Keramikisolator
4 sollte möglichst klein gehalten werden, jedoch derart
toleriert sein, dass die unterschiedlichen Wärmeausdehnungen
des Isolators 4 und der ringförmigen Masseelektrode
6 berücksichtigt sind.
Die Ringträger 7 der ringförmigen Masseelektrode 6 können
für eine bessere Zugänglichkeit des Gemisches zur Funkenstrecke
Bohrungen, Schlitze, Aussparungen oder dergleichen
aufweisen. Ferner kann die Masseelektrode 6 auch als
Halbring mit einem oder zwei Ringträgern ausgebildet sein,
wobei sich der Halbring vorzugsweise auf der strömungszugewandten
Seite befindet.
Somit wird vorteilhaft eine Rotationssymmetrie, eine Nebenschluss-Unempfindlichkeit
und eine variable Einbautiefe geschaffen.
In Fig. 11 ist eine Vorderansicht, teilweise im Schnitt,
einer Zündkerze 1 gemäß einem elften Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Mittelelektrode
5 ist dabei gekröpft ausgebildet und derart radial nach außen
gebogen, dass die Funkenstrecke außerhalb der Achse der
Zündkerze 1 verlegt ist. Die Masseelektrode 6 ist am Gehäuse
2 der Zündkerze 1 vorzugsweise angeschweißt und parallel
zur Achse der Zündkerze 1 ausgerichtet.
Die Masseelektrode 6 kann auch als doppelte, parallel geführte
Masseelektrode ausgebildet sein, die vorzugsweise in
Höhe der Funkenlage eine Bohrung, einen Schlitz, eine Aussparung
oder dergleichen aufweist.
Wie in Fig. 11 dargestellt, weist die Mittelelektrode 5
vorzugsweise in Höhe der Funkenstrecke eine Bohrung 10 für
eine bessere Zugänglichkeit des Gemisches zur Funkenstrecke
auf. Eine derartige Zuführhilfe kann auch mittels Schlitzen,
Aussparungen oder dergleichen ausgebildet sein.
Gemäß einem zwölften Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung ist die Masseelektrode 6 analog zum ersten Ausführungsbeispiel
dachförmig ausgebildet und weist vorzugsweise
in Höhe der Funkenstrecke eine Bohrung 8, einen
Schlitz, eine Aussparung oder dergleichen für eine bessere
Zugänglichkeit des brennbaren Gemisches zur Funkenstrecke
auf.
Die Mittelelektrode 5 ist gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
in die Isolationskeramik 4 eingebettet, wodurch
eine Luftfunkenzündung über den Isolator 4 stattfindet,
welche die Verbrennungsablagerungen beim Zündvorgang
beseitigt. Somit werden die Isolationseigenschaften des Isolators
4 aufrecht erhalten. Die Mittelelektrode 5 kann
mit einem dünnen Platinstift, der in den Isolator 4 eingebettet
ist, verschweißt werden.
Anstatt einer dachförmig gebogenen Masseelektrode 6 können
beispielsweise auch zwei parallel geführte Masseelektroden
vorgesehen sein.
Wie vorher bereits erwähnt, treffen die Strahlen des brennbaren
Gemisches vorzugsweise oberhalb der Funkenstrecke auf
die Zündkerzenanordnung, wodurch eine Teilablenkung des
Einspritzstrahls für eine zufriedenstellende Zulieferung
des Gemisches an die Funkenstrecke sorgt.
Die Mittelelektrode 5 kann gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
wie in Figur 13 dargestellt, nagelkopfförmig
ausgebildet sein und mit einer dachförmigen Masseelektrode
6 eine ausreichend zugängliche Funkenstrecke bilden. Die
Masseelektrode 6 ist beispielsweise analog zum zwölften
Ausführungsbeispiel ausgestaltet. Die nagelkopfförmige Mittelelektrode
5 überdeckt dabei den Isolator 4.
Durch die oben beschriebene Ausführung werden die Gemischstrahlen
analog zum vorherigen Ausführungsbeispiel teilabgelenkt
und zur Funkenstrecke für einen Zündvorgang geführt.
Figur 14a und 14b illustrieren eine Unteransicht
bzw. eine Vorderansicht, teilweise im Schnitt, einer Brennraumanordnung,
gemäß einem vierzehnten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Die Mittelelektrode 5 ist gegenüber
dem Isolator 4 verlängert ausgebildet und ragt
brennraumseitig über die Stirnfläche des Isolators 4 stiftförmig
hinaus. Dies kann entweder durch eine Verkürzung der
Isolationskeramik 4 oder einer Verlängerung der Mittelelektrode
5 erfolgen.
Die Masseelektrode 6 besteht beispielsweise aus zwei in einem
spitzen Winkel zueinander angeordneten Elektroden, welche
parallel zur Achse der Zündkerze an dem Gehäuse 2 angeschweißt
sind und brennraumseitig bezüglich der Mittelelektrode
5 verlängert sind. Zudem weisen die beiden Elektroden
vorzugsweise einen Umlenkbereich 9 auf, der am unteren
Ende als Reflektionsfläche derart angeordnet ist, dass
die auf die Elektroden auftreffenden Gemischstrahlen in
Richtung Funkenstrecke umgelenkt werden. Dabei wird das
brennbare Gemisch vorzugsweise auf der strömungsabgewandten
Seite der Mittelelektrode 5 gezündet, an der eine höhere
Gemischkonzentration vorhanden ist.
Die Funkenstrecke liegt hierbei vorzugsweise etwas unterhalb
der einfallenden Gemischstrahlen, da eine direkte Einspritzung
die Gefahr eines Verblasens des Funkens beinhaltet.
Durch die Teilablenkung bzw. Umlenkung kann somit eine
stabile Entflammung erreicht werden, ohne dass der Funkenkern
durch die einfallenden Gemischstrahlen "Verblasen"
wird.
Es sind verschiedene Ausgestaltungen der Masseelektrode 6
denkbar, entscheidend ist lediglich, dass diese einen Umlenkbereich
für eine Umlenkung der Gemischstrahlen zur Funkenstrecke
aufweisen.
Beispielsweise, wie in Figur 15a bzw. 15b dargestellt,
weist die Masseelektrode 6 bezüglich des vorherigen Ausführungsbeispiels
einen zusätzlichen, zur Stirnfläche der Mittelelektrode
5 parallel verlaufenden Umlenkbereich 9 auf,
d.h. die Masseelektrode 6 ist dachförmig verlängert und um
die nagelkopfförmig ausgebildete Mittelelektrode 5 herumgeführt.
Somit werden die Einspritzstrahlen wiederum teilabgelenkt
und der Funkenstrecke indirekt zugeführt.
Eine weitere Möglichkeit, die Einbautiefentoleranz einer
Zündkerze 1 zu erweitern, besteht in einer Modifikation des
Einspritzventils 20 bzw. in der Modifikation der Brennraumanordnung
von Einspritzventil 20 und Zündkerze 1.
Das Einspritzventil 20 besitzt vorzugsweise einen halbkugelförmigen
Kopf 21, wie aus Figur 16 ersichtlich, in dem
eine spezielle Anordnung an Einspritzlöchern vorgesehen
ist. Der Einspritzlochquerschnitt sollte möglichst klein
gewählt sein, um eine Überfettung an der Zündkerze zu vermeiden.
Vorzugsweise sind das Einspritzventil 20 und die
Zündkerze 1 derart zueinander angeordnet, dass deren Achsen
einen spitzen Winkel miteinander bilden, wie in Figur 17
dargestellt.
Der kugelförmige Kopf 21 des Einspritzventils 20 besitzt
vorzugsweise mehrere Paare von Einspritzlöchern 22, 22';
23, 23', die vorzugsweise derart angeordnet werden, dass
jeweils die eingespritzten Gemischstrahlen 25 eines Paares
an Einspritzlöchern 22, 22' die Zündkerze jeweils seitlich
flankieren und der Schwerpunkt der Gemischstrahlenkeule
vorzugsweise oberhalb der Funkenstrecke zwischen der Mittelelektrode
5 und der Masseelektrode 6 der Zündkerze 1
liegt.
Vorzugsweise sind für verschiedene Einbaupositionen bzw.
Einbautiefen der Zündkerze 1 verschiedene Lochpaare zugeordnet,
so dass in verschiedenen Einbaupositionen das entsprechend
zugeordnete Lochpaar für eine günstige Gemischstrahlenzuführung
sorgt.
Der Winkel β zwischen den aus den beiden Einspritzlöchern
22 und 22' bzw. 23 und 23' austretenden Gemischstrahlen
liegt jeweils vorzugsweise zwischen 30° und 60°, d.h. die
beiden die Zündkerze 1 flankierenden Strahlen weisen vorzugsweise
einen solchen Winkel auf.
Der Winkel α zwischen den beiden Ebenen, die jeweils durch
die aus den Löchern 22, 22' und 23, 23' austretenden Strahlen
dreieckförmig aufgespannt werden, liegt vorzugsweise
zwischen 20° und 35°.
Die Wirksamkeit der Toleranzerweiterung für die Einbautiefe
der Zündkerze 1 besteht darin, dass die Strahlen der Einspritzlöcher
22 und 22' jeweils rechts und links der Zündkerze
1 eine Ebene aufspannen, die eine zuverlässige Zündung
und Entflammung der entstehenden Gemischwolke im Bereich
der Funkenstrecke in relativer Unabhängigkeit von der
Einbautiefe der Zündkerze 1 sicherstellt. Durch die zweite
Strahlebene, bestehend aus dem den Löchern 23 und 23' zugewiesenen
Strahlenpaar kann die Einbautiefentoleranz der
Zündkerze zusätzlich erweitert werden.
Für eine optimierte Zünd- und Entflammungsbedingung weist
die Zündkerze 1 vorteilhaft eine möglichst weit nach vorne
vorgezogene Funkenlage auf. Zudem sollte der Schwerpunkt
der Einspritzstrahlkeulen bzw. der von ihnen erzeugten Gemischwolke
oberhalb der Funkenstrecke liegen, d.h. in Richtung
des Kerzengehäuses 2. Bei einer derartigen Anordnung
werden zumindest ein Teil der Gemischstrahlen aufgrund ihrer
eigenen Geschwindigkeit von den entsprechenden Zündkerzenelektroden
zur Funkenstrecke hin abgelenkt, gezündet und
entflammt. Eine derartige Ablenkung kann sowohl an entsprechend
gestalteten Masseelektroden 6 als auch Mittelelektroden
5 erfolgen. Vorzugsweise sind die Ablenkbereiche 9 der
Elektroden gerade und im Bereich der Funkenstrecke ausgeführt.
Erfolgt eine Ablenkung an der Masseelektrode 6,
sollte die Funkenstrecke bezüglich der Längsachse der Zündkerze
1 in Richtung des Einspritzventils 20 liegen. Dies
kann beispielsweise mittels einer gebogenen Mittelelektrode
erreicht werden.
Somit schafft die vorliegende Erfindung eine Brennraumanordnung,
mit der eine Teilablenkung der Gemischwolke hin
zur Funkenstrecke ermöglicht und das brennbare Gemisch relativ
unabhängig von der Einbautiefe der Zündkerze bei fester
Einbauposition des Einspritzventils zuverlässig und sicher
entflammt werden kann. Je größer der Abstand zwischen
der Lage der Funkenstrecke und der Unterkante des Kerzengehäuses
2 ist, desto größer ist die Einbautoleranz bezüglich
der Einbautiefe der Zündkerze 1. Somit können unterschiedliche
Einbautoleranzen der Funkenlage, bezogen auf die jeweiligen
benachbarten Einspritzstrahlen bei Motoren mit
mehreren Zylindern ausgeglichen werden, wodurch eine Toleranzunempfindlichkeit
der Funkenlage hinsichtlich unterschiedlicher
Einbautiefen der Zündkerzen in den einzelnen
Zylindern, den Einbautiefen der Einspritzventile in den
einzelnen Zylindern und eventueller unterschiedlicher
Strahlwinkeltoleranzen der Einspritzventile besteht.
Für den Toleranzausgleich kann die Mittelelektrode frei
liegen, d.h. ohne von einer Isolation umgeben zu sein. Jedoch
besteht in diesem Fall die Gefahr von Glühzündungen im
homogenen Betrieb. Somit werden die Mittelelektroden vorzugsweise
mittels eines Isolationskörpers geschützt.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele
vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf
nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
Insbesondere können, wie vorher bereits erwähnt, sämtliche
Querschnittsprofile der Elektroden runde, quadratische,
rechteckige, dreieckige oder ähnliche Formen entsprechend
dem jeweiligen Anwendungszweck annehmen.
An sämtlichen Stellen, an denen ein Gemischzugang durch die
jeweiligen Elektroden bzw. die entsprechenden Träger behindert
wird, können Durchbrüche, Bohrungen, Schlitze, Aussparungen
oder dergleichen in den Elektroden bzw. deren Träger gebildet
werden.
Die vorgeschlagenen Elektrodenformen können auch unmittelbar
bei Motoren mit Saugrohreinspritzung oder bei Motoren
mit Direkteinspritzung nach dem wandgeführten und/oder
luftgeführten Brennverfahren eingesetzt werden.
Generell kann die Zündkerze und die Zündanlage durch eine
Glühstiftkerze mit Glühstromsteuerung ersetzt werden. Der
Strombedarf der Glühstiftkerze wird in Abhängigkeit der
Einspritzdauer des Kraftstoffs und der Kühlwassertemperatur
gesteuert bzw. geregelt. Die Glühstiftkerze sollte möglichst
aus keramischen Werkstoffen gefertigt werden und zum
Schutz vor der Verbrennung und den heißen Brenngasen in eine
zylindrische Schutzhülse mit Zugangsbohrungen gesteckt
bzw. geschraubt werden.
Mit Hilfe einer Pulszugzündung kann die Nebenschlussempfindlichkeit
weiter reduziert werden. Eine Pulszugzündung
besteht aus mehreren Folgefunken aus einem Ladevorgang der
Zündspule. Selbst wenn ein oder zwei Funken Nebenschluss
haben, besteht eine höhere Wahrscheinlichkeit, dass die anderen
Funken an der vorgesehenen Funkenstrecke überspringen,
an der ein zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch vorhanden
ist und das entsprechende brennbare Gemisch zur Entflammung
bringt.
Ausführungen von Zündkerzen mit lediglich einer oder zwei
Masseelektroden sollten vorzugsweise so eingebaut werden,
dass die Masseelektroden in einer Linie mit der Mittelelektrode
und dem Einspritzventil liegen, d.h. in Strahlausbreitungsrichtung.
Ist nur eine Masseelektrode vorgesehen,
kann diese auch zwischen dem Einspritzventil und der
Mittelelektrode derart liegen, dass die Mittelelektrode
zwischen dem Einspritzventil und der Masseelektrode liegt.
Für eine Erhöhung der Nebenschlussempfindlichkeit beträgt
der Abstand zwischen der Masseelektrode und der Mittelelektrode
vorzugsweise 0,3 mm bis 0,6 mm.
Zündkerze und Brennraumanordnung
BEZUGSZEICHENLISTE:
1 |
Zündkerze |
2 |
Gehäuse |
3 |
Atmungsvolumen |
4 |
Isolator |
5 |
Mittelelektrode |
6 |
Masseelektrode |
6a |
parallel verlaufender Abschnitt |
6b |
Dachabschnitt |
6c |
Überhangabschnitt |
7 |
Trägereinrichtung |
8 |
Bohrung/Schlitz/Aussparung |
9 |
Umlenkbereich |
10 |
Bohrung/Schlitz/Aussparung |
11 |
Anschlussbolzen |
12 |
Widerstand |
13 |
Kontaktstift |
20 |
Einspritzventil |
21 |
Kopf |
22 |
Einspritzloch |
22' |
Einspritzloch |
23 |
Einspritzloch |
23' |
Einspritzloch |
25 |
Einspritzstrahlen |
a |
Funkenstrecke |
b |
Funkenstrecke |
c |
Funkenstrecke |
d |
Abstand zwischen Isolator und Gehäuse |
α |
Winkel zwischen Strahlen zweier Einspritzlochpaare |
β |
Winkel zwischen zwei Strahlen eines Einspritzlochpaares |
γ |
Winkel zwischen Kerzen- und Ventilachse |