Zündkerze einer Brennkraftmaschine

Abstract

 Zündkerze einer Brennkraftmaschine, insbesondere für den Einsatz bei Ottogasmotoren, mit einem Isolatorkörper, einer Basismittelelektrode, mindestens einer Masseelektrode und mindestens einer Wirbelkammer, wobei die Elektroden der Zündkerze von einer, insbesondere zylindermantelförmigen, Wandung der Wirbelkammer umgeben sind wobei mindestens eine Masseelektrodenträgeranordnung (8) mit mehreren nach innen weisenden, vorzugsweise flächigen, Masseelektroden (9) oder mehrere Masseelektrodenträger (6) mit jeweils nach innen weisenden, vorzugsweise flächigen, Masseelektroden (9) an der Wandung (13) der Wirbelkammer (3) angeordnet ist (sind).

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zündkerze einer Brennkraftmaschine, insbesondere für den Einsatz bei Ottogasmotoren, mit einem Isolatorkörper, einer Basismittelelektrode, mindestens einer Masseelektrode und mindestens einer Wirbelkammer, wobei die Elektroden der Zündkerze von einer, insbesondere zylindermantelförmigen, Wandung der Wirbelkammer umgeben sind. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Zündkerze.

[0002] Bei den derzeit verfügbaren Zündkerzen für Industriegasmotoren handelt es sich vielfach um Produkte, welche aus der Automobilindustrie abgeleitet wurden und durch entsprechende Verbesserungen für den vorzugsweisen Einsatz in Industriegasmotoren angepaßt wurden. Diese Kerzen weisen in der Regel eine zylindrische Mittelelektrode auf, welche mit einem Edelmetallpin versehen ist. Bei den Masseelektroden sind sowohl Varianten mit Hakenelektrode als auch mit zwei bis vier seitlich angebrachten Elektrodenfingern im Einsatz. Die Hakenelektroden können ebenfalls mit einem Edelmetallplättchen versehen sein. Solche Zündkerzen sind z.B. aus der EP 0834973 A2, EP 0859436 A1, EP 1049222 A1, DE 196 41 856 A1 sowie WO 95/25372 bekannt. Der Nachteil dieser Zündkerzen besteht unter anderem im wesentlichen darin, daß die Strömungsverhältnisse im Bereich des Zündortes vollständig von den Strömungsverhältnissen im Brennraum des jeweiligen Zylinders abhängen. So kann es zum Beispiel zum Ausblasen des Zündfunkens kommen, wenn die Strömungsgeschwindigkeiten des Gas-Luftgemisches zu groß sind.

[0003] Um diesen Nachteil zu beseitigen ist es aus den Schriften US 5,554,908 A, US 2,776,394 A und FR 2.131.938 A bereits bekannt, die Elektroden der Zündkerze mit einer zylinderförmigen Wirbelkammer zu umgeben. Die in der US 5,554,908 A gezeigte Anordnung hat jedoch unter anderem den Nachteil, daß keine definierten Masseelektroden vorgesehen sind und die Zündfunken sich zwischen den Mittelelektroden und einem beliebigen Punkt an der als Masseelektrode fungierenden Wirbelkammer ausbreiten. Bei den in den Schriften US 2,776,394 A und FR 2.131.938 A gezeigten Zündkerzen besteht der Nachteil, daß jeweils nur eine oder zwei kleinflächige Masseelektroden vorhanden sind, welche verhältnismäßig kurze Standzeiten aufweisen und durch Abnützung oder Verschmutzung rasch gebrauchsunfähig werden.

[0004] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, eine Zündkerze mit einer Wirbelkammer sowie ein Verfahren zu deren Herstellung zu schaffen, bei der die oben geschilderten Nachteile des Standes der Technik behoben sind.

[0005] Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß mindestens eine Masseelektrodenträgeranordnung mit mehreren nach innen weisenden, vorzugsweise flächigen, Masseelektroden oder mehrere Masseelektrodenträger mit jeweils nach innen weisenden, vorzugsweise flächigen, Masseelektroden an der Wandung der Wirbelkammer angeordnet ist (sind).

[0006] Durch die Einfassung des Elektrodenbereichs mittels Wirbelkammer können am Zündort kontrollierte Strömungs- und Verwirbelungsbedingungen des Brennstoff-Luft-Gemisches bewirkt werden. Dadurch wird sichergestellt, daß am Zündort eine für die Zündung und den Zündverlauf optimale Strömungsgeschwindigkeit und Verwirbelung des Brennstoff-Luft-Gemisches vorliegt. Dies führt zu einer optimierten und schnellen Verbrennung des Brennstoff-Luftgemisches im Brennraum des Zylinders und damit zu einer optimalen und umweltschonenden Energieausbeute der Brennkraftmaschine. Erfindungsgemäß wird durch die Anordnung einer Masseelektrodenträgeranordnung oder mehrerer Masseelektrodenträger an der Wirbelkammer sichergestellt, daß zum einen mehrere Zündfunken gleichzeitig erzeugt werden und diese zum anderen entlang definierter Funkenstrecken verlaufen. Dies erhöht sowohl die Standzeit als auch die Zuverlässigkeit der Zündkerze.

[0007] Besonders günstig ist es hierbei, daß die Wandung der Wirbelkammer Öffnungen zum Durchlaß von Brennstoff-Luftgemisch aufweist. Diese Öffnungen sind dabei derart gestaltet, daß sie guten Gemischzugang ermöglichen.

[0008] Im Sinne einer optimalen Zündung des gesamten im Brennraum befindlichen Brennstoff-Luftgemisches ist es besonders günstig, daß das brennkammerseitige Ende der Wandung der Wirbelkammer eine Öffnung aufweist, oder vollständig geöffnet ist. Günstige Varianten der Öffnungen in der Wandung der Wirbelkammer sehen vor, daß sie als Bohrung(en) oder Schlitz(e) und/oder Vieleck(e) und/oder Ellipse(n) ausgebildet ist (sind).

[0009] Im Sinne einer optimalen Beeinflussung der Strömungsgeschwindigkeiten des Brennstoff-Luftgemisches im Bereich des Zündortes ist es besonders günstig, daß das brennkammerseitige Ende der Wandung der Wirbelkammer über die Elektroden hinausragt.

[0010] Um einen entsprechenden Spannungsaufbau bzw. Stromfluß zu ermöglichen ist die Wandung der Wirbelkammer elektrisch leitend ausgebildet und elektrisch leitend mit einem, vorzugsweise ein Gewinde aufweisendem Gehäuseunterteil verbunden ist. Hierdurch wird sichergestellt, daß die Masseelektroden über die Masseelektrodenträger oder die Masseelektrodenträgeranordnung und über die Wandung der Wirbelkammer und das damit leitend verbundene Zündkerzengehäuse geerdet sind.

[0011] Günstige Ausführungsformen sehen dabei vor, daß die Masseelektrodenträger oder die Masseelektrodenträgeranordnung an der Wandung der Wirbelkammer angeschweißt sind (ist). Alternativ hierzu kann auch vorgesehen sein, daß die Masseelektrodenträgeranordnung als integrierter Bestandteil, vorzugsweise ringartig in die Wandung der Wirbelkammer integriert ist. Hierbei bezeichnet der Begriff Masseelektrodenträgeranordnung eine Anordnung von mehreren Masseelektrodenträgern auf welchen jeweils wiederum mindestens eine Masseelektrode angeordnet ist. Günstige Ausführungsformen der Masseelektrodenträgeranordnung sehen vor, daß mindestens eine Masseelektrodenträgeranordnung vorzugsweise vier senkrecht zueinander angeordnete flächige Masseelektroden aufweist. Besonders günstig in der Herstellung und Haltbarkeit ist es, daß die Wirbelkammer zusammen mit den Masseelektrodenträgern oder der Masseelektrodenträgeranordnung einstückig ausgebildet ist.

[0012] Als Gegenstück zu dieser Art der Masseelektrodenträgeranordnung oder den Masseelektrodenträgern ist es besonders günstig, daß die Zündkerze mindestens einen Mittelelektrodenträger aufweist, wobei vorzugsweise vier senkrecht zueinander angeordnete, flächige, vorzugsweise nach außen weisende Mittelelektroden am Mittelelektrodenträger angeordnet sind. Hierbei kann der Mittelelektrodenträger wieder einen oder mehrere Finger bzw. Einzelmittelelektrodenträger aufweisen, wobei an den Fingern bzw. Einzelmittelelektrodenträgern wiederum jeweils mindestens eine Mittelelektrode angeordnet ist. In günstigen Fortbildungsformen wird bei dieser Kombination erreicht, daß die Elektroden des Mittelelektrodenträgers und der Masseelektrodenträger oder der Masseelektrodenträgeranordnung jeweils paarweise planparallel gegenüberliegend, einen isolierenden Luftspalt zwischen einander aufweisend, angeordnet sind. Hierbei werden bezugnehmend auf die Gesamtbauteilgröße sehr lange Elektrodenabbrandkanten erreicht. Dies trägt wesentlich zu einer Verbesserung der Lebensdauer der Zündkerze bei.

[0013] Eine günstige Variante sieht darüber hinaus vor, daß die Wandung der Wirbelkammer als integrierter Bestandteil des Gehäuseunterteils gefertigt ist. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, daß die Wirbelkammer im Bereich mindestens eines Masseelektrodenträgers und/oder mindestens einer Masseelektrodenträgeranordnung mindestens eine Freistellung zum Nachstellen des Masseelektrodenträgers und/oder der Massenelektrodenträgeranordnung und/oder der Masseelektrode aufweist. Durch diese Möglichkeit der Nachstellung der Elektroden wird die Lebensdauer der Zündkerze weiter verbessert. Darüber hinaus ist eine Anpassung des Elektrodenabstands an verschiedene Betriebsparameter möglich. Zusätzlich kann auch vorgesehen sein, daß der Mittelelektrodenträger nachstellbar ausgebildet ist.

[0014] Ein besonders günstiges Verfahren zur Herstellung einer Zündkerze gemäß den oben genannten Merkmalen sieht vor, daß die Wandung der Wirbelkammer mit mindestens einer Masseelektrode und/oder mindestens einem Masseelektrodenträger und/oder mit mindestens einer Masseelektrodenträgeranordnung und/oder der Mittelelektrodenträger einzeln gefertigt und anschließend an handelsüblichen Zündkerzen angebracht werden. Dieses erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es somit, kostengünstige Standardindustriezündkerzen, wie sie handelsüblich von diversen Zündkerzenherstellern angeboten werden, zu verwenden. Durch dieses Herstellungsverfahren kann eine erfindungsgemäße Zündkerze aus sehr vielen verschiedenen Standardindustriezündkerzentypen hergestellt werden. Darüber hinaus ist eine kostengünstige Herstellung sehr vieler verschiedener Zündkerzen möglich.

[0015] Bei diesem Verfahren ist es besonders günstig, daß die Wandung der Wirbelkammer an mindestens einer Masseelektrode einer handelsüblichen Zündkerze mittels gepulstem und/oder kontinuierlich arbeitendem Laserschweißverfahren und/oder Elektrodenstrahlschweißverfahren und/oder Lötverfahren und/oder Widerstandsschweißverfahren angeschweißt wird. Darüber hinaus ist es günstig, daß der Mittelelektrodenträger an mindestens einer Basismittelelektrode des Isolatorkörpers einer handelsüblichen Standardzündkerze mittels gepulstem und/oder kontinuierlich arbeitendem Laserschweißverfahren und/oder Elektrodenstrahlschweißverfahren und/oder Lötverfahren und/oder Widerstandsschweißverfahren angeschweißt wird.

[0016] Weitere Merkmale und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung:

[0017] Dabei zeigt:

Fig. 1 eine Standardindustriezündkerze mit erfindungsgemäßer Wirbelkammer,

Fig. 2, 3 und 4 perspektivische Ansichten der erfindungsgemäßen Wirbelkammer aus Richtung des Brennraums,

Fig. 5 eine seitliche Ansicht auf die erfindungsgemäße Wirbelkammer mit Freistellungen und

Fig. 6 eine perspektivische Seitenansicht auf den Mittelelektrodenträger, wobei die erfindungsgemäße Wirbelkammer entfernt ist.

[0018] Bei der in Fig. 1 dargestellten Zündkerze mit Wirbelkammer 3 wird auf eine Standardindustriezündkerze wie sie handelsüblich von diversen Zündkerzenherstellern angeboten wird, zurückgegriffen.

[0019] An dem Gehäuseunterteil 4 wird motorseitig eine Wirbelkammer 3 angebracht, wobei deren brennkammerseitiges Ende 15 offen ist. Im konkreten Fall wird aus Gründen der Temperatur- und Heißkorrosionsbeständigkeit eine offene Wirbelkammer 3 mit einer Wandung 13 aus Inco Alloy 600 (WNr. 2.4816) mittels Laser an der Schweißnaht 7 am Gehäuseunterteil 4 verschweißt. Als Alternativen können ebenfalls andere Nickelbasislegierungen oder Hochtemperaturedelstähle für die Wandung 13 zum Einsatz kommen. Die Wirbelkammer 3 wird alternativ auch in einem Stück also als integrierender Bestandteil des Gehäuseunterteils 4 gefertigt.

[0020] Die Wandung 13 der Wirbelkammer 3 weist Öffnungen 2 auf, welche einen guten Gemischzugang ermöglichen. Die Öffnungen 2 können als Bohrungen, Schlitze, Vielecke oder Ellipsen oder ähnlicher Form ausgeführt werden.

[0021] Integrierender Bestandteil der Wirbelkammer sind erfindungsgemäß die 4 Masseelektrodenträger 6. Die Wirbelkammer 3 und die Masseelektrodenträger 6 können in einem Stück hergestellt werden. Es ist jedoch auch möglich rechteckige Metallquader 5 als Masseelektrodenträger 6 in die Wirbelkammer einzuschweißen (Fig. 3). Dies kann ebenfalls durch das Einschweißen einer Masseelektrodenträgeranordnung 8 erfolgen. Diese ist in Fig. 4 als ringförmige Anordnung 8 dargestellt.

[0022] Im Bereich der Masseelektrodenträger kann die Wandung 13 der Wirbelkammer 3 eine oder mehrere Freistellung(en) 12 aufweisen, wodurch es möglich ist, die Masseelektrodenträger 6 oder die Masseelektrodenträgeranordnung 8 nachzustellen (Fig. 5).

[0023] Die Masseelektrodenträger 6 sind mit Edelmetallplättchen als Masseelektroden 9 versehen, diese werden mittels Laser einseitig oder beidseitig mit dem Träger 6 verschweißt. Die Schweißung ist so angebracht, daß an den Elektrodenseiten der Spalt verschlossen wird. Das heißt, zwischen Edelmetallplättchen 9 und Masseelektrodenträger 6 besteht kein offener Spalt (oder Öffnung) durch welche Gas eintreten kann.

[0024] Durch diese Konstruktion ist es möglich in Bezug auf die Gesamtbauteilgröße sehr lange Elektrodenabbrandkanten herzustellen. Es werden als Masseelektroden 9 Edelmetallplättchen mit einer Kantenlänge von größer 4,0 mm eingesetzt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt die Kantenlänge 6,25 mm.

[0025] Bei den Masseelektroden 9 kommen im dargestellten Ausführungsbeispiel Edelmetallplättchen mit den Abmessungen 6,25 x 1,6 x 0,5 mm (es können auch andere Abmessungen eingesetzt werden) zum Einsatz. Als Edelmetall kann z.B. eine Legierung aus Pt Rh Legierungen (90/10, 95/5, 80/20, 75/25) verwendet werden.

[0026] Als Schweißverfahren können gepulste Laser, kontinuierlich arbeitende Laser (CW-Laser), Elektronenstrahlschweißverfahren oder Vakuum- und Hochvakuumlötverfahren sowie das Plasmaschweißen oder die Widerstandsschweißtechnik eingesetzt werden.

[0027] Wie in Fig. 6 dargestellt, wird die Basismittelelektrode (hier nicht dargestellt) des Zündkerzenisolators 1 mit einem Mittelelektrodenträger 10 verschweißt. Durch den Mittelelektrodenträger 10 kann in Abstimmung mit der Wirbelkammer 3 und den Masseelektroden 6 oder die Masseelektrodenträgeranordnung 8 die Funkenlage festgelegt werden. Der Mittelelektrodenträger 10 wird auf die Basismittelelektrode aufgeschoben, bis er bündig am Keramikmittelelektrodenisolatorsockel 14 aufliegt. In dieser Position wird er mit der Basismittelelektrode an der Schweißverbindung 11 verschweißt. Durch diese Anordnung ist die Basismittelelektrode hochdrucksicher. Ein Auspressen aus dem Keramiksockel bedingt durch den Motordruck ist nicht möglich, da der mit der Basismittelelektrode verschweißte Mittelektrodenträger 10 am Keramiksockel 14 geschultert ist. Die Schweißverbindung 11 zwischen Mittelelektrodenträger 10 und Basismittelelektrode wird durch das Verschweißen mit einem gepulsten Laser hergestellt. Es kann jedoch ebenfalls ein kontinuierlich arbeitender Laser (CW-Laser), das Elektronenstrahlschweißverfahren, ein Lötverfahren oder die Widerstandsschweißtechnik eingesetzt werden.

[0028] Die Schweißung 11 kann entlang der gesamten Länge der Basismittelelektrode erfolgen, wobei von außen also durch den Mittelelektrodenträger 10 auf die Basismittelelektrode durchgeschweißt wird. Es können ein oder mehrere Punktschweißungen sowie ein oder mehrere Nahtschweißungen welche in Längsachse bei Bedarf mehrfach am Umfang oder radial bei Bedarf mehrfach am Umfang angeordnet sein können.

[0029] Der Mittelelektrodenträger 10 ist so ausgelegt, daß er eine gute Gemischzugänglichkeit ermöglicht. Durch seine in Fig. 6 im Detail gezeigte Ausführung ist ein leichtes Nachstellen möglich. Der Mittelelektrodenträger ist so ausgelegt, daß Mittelelektrodenedelmetallplättchen 17 mit einer Länge von größer 4 mm aufgeschweißt werden können. Bei der konkreten Erfindung beträgt die Kantenlänge der Mittelelektrodenträger 17 6,25 mm. Der Mittelelektrodenträger 10 ist mit 4 gesonderten Einzelmittelelektrodenträgern 16 ausgelegt, auf welchen die Edelmetallplättchen als Mittelelektroden 17 aufgeschweißt sind. Diese werden mittels Laser einseitig oder beidseitig mit dem Träger verschweißt. Die Schweißung ist so angebracht, daß an den Elektrodenseiten der Spalt verschlossen wird. Das heißt zwischen Edelmetallplättchen und Elektrodenträgerfingern besteht kein offener Spalt (oder Öffnung)durch welche Gas eintreten kann.

[0030] Als Werkstoff für den Mittelelektrodenträger 10 kommt im konkreten Fall Inco Alloy 600 (WNr. 24816) zum Einsatz. Als Alternativen können ebenfalls andere Nickelbasislegierungen oder Hochtemperaturedelstähle zum Einsatz kommen.

[0031] Bei dem Edelmetall für die Mittelelektroden 17 kommen Plättchen mit den Abmessungen 6,25 x 2,0 x 0,5 mm (es können auch andere Abmessungen eingesetzt werden) zum Einsatz. Als Edelmetall können z.B. wiederum Pt Rh Legierungen (90/10, 95/5, 80/20, 75/25) verwendet werden.

Ansprüche

1. Zündkerze einer Brennkraftmaschine, insbesondere für den Einsatz bei Ottogasmotoren, mit einem Isolatorkörper, einer Basismittelelektrode, mindestens einer Masseelektrode und mindestens einer Wirbelkammer, wobei die Elektroden der Zündkerze von einer, insbesondere zylindermantelförmigen, Wandung der Wirbelkammer umgeben sind, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Masseelektrodenträgeranordnung (8) mit mehreren nach innen weisenden, vorzugsweise flächigen, Masseelektroden (9) oder mehrere Masseelektrodenträger (6) mit jeweils nach innen weisenden, vorzugsweise flächigen, Masseelektroden (9) an der Wandung (13) der Wirbelkammer (3) angeordnet ist (sind).

2. Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung (13) der Wirbelkammer (3) Öffnungen (2) zum Durchlaß von Brennstoff-Luftgemisch aufweist.

3. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das brennkammerseitige Ende der Wandung (13) der Wirbelkammer (3) eine Öffnung aufweist oder vollständig geöffnet ist (Fig. 2,3,4).

4. Zündkerze nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung(en) (2) als Bohrung(en) und/oder Schlitz(e) und/oder Vieleck(e) und/oder Ellipse(n) ausgebildet ist (sind).

5. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das brennkammerseitige Ende (15) der Wandung (13) der Wirbelkammer (3) über die Elektroden (9, 17) hinausragt.

6. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung (13) der Wirbelkammer (3) elektrisch leitend ist und elektrisch leitend mit einem, vorzugsweise ein Gewinde aufweisendem, Gehäuseunterteil (4) verbunden ist.

7. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Masseelektrodenträger (6) oder die Masseelektrodenträgeranordnung (8) an der Wandung (13) der Wirbelkammer (3) angeschweißt sind (ist) (Fig. 3).

8. Zündkerze nach Anspruch einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Masseelektrodenträgeranordnung (8) als integrierter Bestandteil, vorzugsweise ringartig in die Wandung (13) der Wirbelkammer (3) integriert ist (Fig. 2,4).

9. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelkammer (3) zusammen mit den Masseelektrodenträgern (6) oder der Masseelektrodenträgeranordnung (8) einstückig ausgebildet ist.

10. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Masseelektrodenträgeranordnung (8), vorzugsweise vier senkrecht zueinander angeordnete, flächige Masseelektroden (9) aufweist (Fig. 2,3,4).

11. Verfahren zur Herstellung einer Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung (13) der Wirbelkammer (3) mit mindestens einer Masseelektrode (9) und/oder mindestens einem Masseelektrodenträger (6) und/oder mindestens einer Masseelektrodenträgeranordnung (8) und/oder der Mittelelektrodenträger (10) einzeln gefertigt und anschließend an handelsüblichen Zündkerzen angebracht werden.

Zeichnung