AT522986A1 - Zündkerze - Google Patents

Abstract

Zündkerze, umfassend eine Mittelelektrode (2) und zumindest eine Masseelektrode (4), wobei die Mittelelektrode (2) stirnseitig sternförmig mit Zacken (1) ausgebildet ist sodass n äußere Ecken (20), n innere Ecken (21) und 2n Mittelelektrodenkanten (22) gebildet werden, wobei die wenigstens eine Masseelektrode (4) n konvexe Ecken (30) aufweist, welche jeweils durch 2n Masseelektrodenkanten (32) gebildet werden, wobei jede der 2n Mittelelektrodenkanten (22) zumindest abschnittsweise parallel zu je einer der 2n Masseelektrodenkanten (32) ausgebildet ist und einen Elektrodenspalt (5) bilden.

Description

Zündkerze

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zündkerze für einen Ottomotor, umfassend eine Mittelelektrode und eine Masseelektrode. Weiters betrifft die Erfindung einen Ottomotor mit

einer Zündkerze.

Gas-Ottomotoren sind Hubkolbenverbrennungsmotoren, die nach dem Prinzip der Fremdzündung (z.B. durch Zündung mittels einer Zündeinrichtung) betrieben werden und

deren Kraftstoff ein brennbares Gas ist.

Solche Gas-Ottomotoren werden vielfach stationär betrieben, d.h. sie sind Teil einer ortsfesten Anlage, wobei die Kraftstoffversorgung durch Anschluss an eine Gasleitung, z.B. an eine Erdgasleitung erfolgt. Der Leistungsbereich dieser Motorenklasse erstreckt sich von wenigen kW bis zu mehr als 18.000 kW pro Motor.

Die technologische Entwicklung der letzten 10 Jahre hat dazu geführt, dass sich die spezifische Leistung der Gas-Ottomotoren mehr als verdoppelt hat und der spezifische Kraftstoffverbrauch um ca. 20 % reduziert werden konnte. Damit wurde die Wirtschaftlichkeit dieser Anlagen erheblich gesteigert und deren Marktposition weiter gefestigt.

Mit der Steigerung der spezifischen Leistung ist allerdings auch eine höhere thermische und mechanische Belastung von Motorbauteilen verbunden, insbesondere jener, die den Brennraum umgeben. Dazu gehören in erster Linie die Zündkerzen, bei denen die Elektrodentemperaturen ein Niveau erreichen, an dem selbst die widerstandsfähigsten

Materialien in den Grenzbereich der Belastbarkeit kommen.

Die thermische Belastung ist vor allem bei jenen Zündkerzen extrem hoch, die in den Vorkammern moderner Hochleistungs-Gas-Ottomotoren eingesetzt werden. Bei diesen Anwendungsfällen verwendet man üblicherweise Zündkerzen, deren Elektroden aus einem Edelmetall oder einer Edelmetalllegierung bestehen und die durch konstruktive und materialtechnische Maßnahmen möglichst gut gekühlt sind. Die Standzeit der Zündkerzen bei Vorkammermotoren beträgt etwa 1000 bis 2000 Volllast-Betriebsstunden, bis ein Austausch

der Zündkerzen oder zumindest ein Nachstellen der Elektroden erforderlich wird.

Bei einer Gesamtlaufzeit einer Motoranlage umfassend einen Gas-Ottomotor von 100.000 bis

150.000 Betriebsstunden müssen etwa 50 bis 100 mal die Zündkerzen gewechselt werden.

Arbeitsaufwand ergeben sich daraus erhebliche Kosten für den Betreiber der Motoranlage.

Um die Standzeit der Zündkerzen zu verlängern, versucht man beispielsweise verschleißbeständigere Elektrodenwerkstoffe zu entwickeln, die Kühlungsbedingungen für

die Elektroden zu verbessern und die Abbrandreserve zu vergrößern.

Zur Vergrößerung der Abbrandreserve werden entweder die Elektrodenflächen vergrößert und/oder mehrere Elektroden parallel eingesetzt. Dabei ergibt sich oft zwangsläufig das Problem, dass bei großflächigen Elektroden die Gemischzugänglichkeit in den Elektrodenspalt behindert und ein Teil der Energie des Funkens oder des Flammenkerns von den Elektrodenflächen absorbiert wird. Dies führt in der Regel zu einer Verschlechterung der Entflammungseigenschaften der Zündkerze, mit negativen Auswirkungen auf das

Startverhalten sowie auf die Erreichbarkeit möglichst geringer Abgasemissionen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Zündeinrichtung bereit zu stellen, bei

der die Gemischzugänglichkeit in den Elektrodenspalt verbessert wird.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Zündkerze, umfassend eine Mittelelektrode und zumindest eine Masseelektrode, wobei die Mittelelektrode stirnseitig sternförmig mit Zacken ausgebildet ist, sodass n äußere (konvexe) Ecken, nz innere (konkave) Ecken und 2n Mittelelektrodenkanten gebildet werden, wobei die wenigstens eine Masseelektrode n konvexe Ecken aufweist, welche jeweils durch 2n Masseelektrodenkanten gebildet werden, wobei jede der 2n Mittelelektrodenkanten zumindest abschnittsweise parallel zu je

einer der 2m Masseelektrodenkanten ausgebildet ist und einen Elektrodenspalt bilden.

Insbesondere bei thermisch sehr hoch beanspruchten Zündkerzen ist es wichtig, die Elektroden gut zu kühlen. Großflächige und nachstellbare Elektroden, sowie eine möglichst gute Kühlung führen aber meist zu Zielkonflikten. Die im vorliegenden Erfindungsvorschlag beschriebene Lösung bezieht sich daher in erster Linie auf die Optimierung der geometrischen

Gestalt sowie der Anordnung der Elektroden für thermisch sehr hochbelastete Zündkerzen.

Des Weiteren wird eine Lösung vorgestellt, die den Gasaustausch zwischen dem Brennraum

des Motors und dem Atmungsraum der Zündkerze auf spezielle Art und Weise regelt.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Breite des Elektrodenspalts entlang der jeweiligen

Masseelektrodenkante und der jeweiligen Mittelelektrodenkante im Wesentlichen konstant ist.

In einer Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass nı Masseelektroden vorgesehen sind, wobei

jede Masseelektrode eine konvexe Ecke bildet.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass zumindest die äußeren Ecken der Mittelelektroden ein Edelmetall oder eine Edelmetalllegierung aufweisen, besonders bevorzugt, dass sie aus

Edelmetall oder Edelmetalllegierungen bestehen.

In einer Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass den Zacken der sternförmigen Mittelelektrode jeweils ein gleichschenkeliges Dreieck mit maximaler Überdeckung als Referenz-Dreieck zuordenbar ist, dessen Schenkel mit den Seitenlinien der Zacken auf gleicher Linie liegen und dessen Grundlinie die Verbindung zwischen den beiden Basispunkten der Zacken bildet, wobei die Höhe H1 dieses eingeschriebenen Referenzdreieckes zur Länge L1 der Grundlinie in einem Verhältnis H1/L1 steht, welches zwischen 0,75 und 1,40 liegt.

In diesem Fall kann vorgesehen sein, dass die Höhe H1 des Referenzdreieckes im Verhältnis zum Durchmesser (D) des Gewindes der Zündkerze in einem Verhältnis H1/D steht, welches zwischen 0,11 und 0,21 liegt.

In einer Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass den Zacken der stirnseitigen sternförmigen Mittelelektrode ein Referenzdreieck zuordenbar ist, wobei der Abstand der Grundlinie des

Zackens vom Mittelpunkt des Sterns mindestens 1,5 mm beträgt.

Weiters kann vorgesehen sein, dass die Abschnitte der Mittelelektrode, welche aus Edelmetall oder einer Edelmetalllegierung bestehen, durch eine Schweiß- oder Lötverbindung mit dem Mittelelektrodenstempel verbunden sind, wobei dieser Stempel einen Kern aus Kupfer oder einer Kupfer-Basislegierung und einen Mantel aufweist, der aus einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit besteht, die größer ist als 60 W/m K.

In einer Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die Masseelektroden im Bereich der Elektrodenspalte aus einem Edelmetall oder einer Edelmetalllegierung bestehen, die mit dem jeweiligen Masseelektroden-Träger durch eine Schweiß- oder Lötverbindung verbunden sind und wobei diese Träger wiederum aus einem Material bestehen, dessen Wärmeleitkoeffizient

einen Wert aufweist, der größer als 60 W/m K ist.

Ein Ausführungsbeispiel sieht vor, dass im Grundkörper der Zündkerze zwischen je 2

Masseelektroden kanalförmige Freistellungen vorgesehen sind, die den Atmungsraum der

In einer Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass der Grundkörper der Zündkerze im Bereich des Gewindes aus zwei unterschiedlichen Materialien besteht, welche durch eine Schweißoder Lötverbindung miteinander verbunden sind, wobei das Material am brennraumseitigen

Gewindebereich einen Wärmeleitkoeffizienten aufweist, der größer als 65 W/m K ist.

Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass das Volumen (Va) des Atmungsraumes in mm? zur Querschnittsfläche (Q) in mm? im Bereich des Gewindes in einem Verhältnis (Va/Q) steht,

das größer als 0,16 mm, jedoch kleiner als 0,3 mm ist.

In einer Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die Summe der stirnseitigen Oberflächen (O0), die die Mittelelektrode und die Masseelektroden inklusive der Masseelektrodenträger und des Sterns der Mittelelektrode aufweisen, zur gesamten Querschnittsfläche (Q) der Zündkerze

am brennraumseitigen Gewindeende ein Verhältnis (O/Q) aufweist, das größer ist als 0,50.

In einer Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die Dicke (H2) der Elektroden entlang der Längsachse der Mittelelektrode zur Gesamtlänge der jeweiligen Masseelektrodenkante der Mittelelektrode in einem Verhältnis steht, dessen Wertebereich zwischen minimal 0,03 und

maximal 0,1 variieren kann.

In einer Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die gesamte Elektrodenoberfläche der

Mittelelektrode größer ist als 35 mm®.

In einer Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die maximale Distanz (A1) zwischen der Spitze der Masseelektrode und dem brennraumseitigen Gewindeansatz der Zündkerze

geringer ist als das 0,5-fache des Durchmessers des Gewindes.

In einer Ausführungsvariante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der zumindest eine Elektrodenspalt in Richtung der Zündkerzenlängsachse eine definierte Kontur aufweist, wobei in einem oberen, einem Brennraum bzw. einer Vorkammer eines Ottomotors zugewandten Bereich die angrenzenden Elektrodenflächen parallel zueinander angeordnet sind und im unteren, dem Atmungsraum zugewandten Bereich eine Aufweitung des Elektrodenspaltes vorgesehen ist, in einer Art und Weise, dass der Abstand der gegenüberliegenden

Elektrodenflächen an einer Stelle, die um ein Sechstel der Elektrodendicke bzw. der

auf den Neuzustand der Zündkerze.

Weiters kann ich einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass im Gewindebereich der Zündkerze Bohrungen angeordnet sind, die den Außenbereich des Zündkerzengewindes mit dem Atmungsraum der Zündkerze verbinden und durch die das Spülgas für eine Vorkammer geleitet wird, wobei zwischen den Bohrungen und dem

brennraumseitigen Gewindeende mindestens ein ganzer Gewindegang vorhanden ist.

In einem Aspekt der Erfindung ist ein Ottomotor, insbesondere Gas-Ottomotor, mit einem Brennraum, umfassend eine Zündkerze der vorgenannten Art vorgesehen, wobei im Grundkörper der Zündkerze zwischen je 2 Masseelektroden kanalförmige Freistellungen vorgesehen sind, die den Atmungsraum der Zündkerze mit dem Brennraum eines Ottomotors verbinden und über die der Druckausgleich sowie ein Flammendurchtritt nach der Zündung erfolgt, wobei die Summe (Of) der Querschnittsflächen der Strömungskanäle senkrecht zur Strömungsrichtung zur gesamten OQuerschnittsfläche (Q) der Zündkerze am

brennraumseitigen Gewindeende in einem Verhältnis (Qf/Q) steht, das größer ist als 0,03.

Darüber hinaus werden die verwendeten Materialien hinsichtlich ihrer Verschleißfestigkeit und Wärmeleitfähigkeit auf die erfindungsgemäß vorgeschlagene Bauweise der Zündkerze

abgestimmt.

In der Summe und der Kombination der Merkmale und Besonderheiten, weist die vorgeschlagene Zündkerzenbauart damit deutliche Vorteile hinsichtlich der erreichbaren Standzeit, bei zugleich ausgezeichneter Entflammungseigenschaft des Brennstoff-

Luftgemisches im Motor auf.

Nachfolgend werden weitere Vorteile und Details der Erfindung anhand von Figuren

erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf die Mittel- und Masseelektrode einer Zündkerze. Fig. 2 zeigt einen Schnitt entlang der Achse I-I der Fig. 1.

Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch das Beispiel der Fig. 1.

Fig. 4 zeigt einen Zacken des Beispiels von Fig. 1

Fig. 5 zeigt einen Schnitt durch das Beispiel der Fig. 1.

Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsvariante einer Zündkerze.

Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsvariante einer Zündkerze.

Fig. 8 zeigt einen Schnitt durch die Elektroden einer Zündkerze.

Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Zündkerze. Erkennbar ist die geometrische Ausführung der Masseelektroden 4 und Mittelelektrode 2 in Blickrichtung auf das brennraumseitige Ende der

Zündkerze an einem bevorzugten Ausführungsbeispiel.

Die Zündkerze umfasst eine Mittelelektrode 2 und sechs Masseelektroden 4. Die Mittelelektrode 2 weist stirnseitig sternförmig sechs Zacken 1 auf, sodass sechs äußere (konvexe) Ecken 20, sechs innere (konkave) Ecken 21 und zwölf Mittelelektrodenkanten 22 gebildet werden. Die Masseelektroden 4 weisen sechs konvexe Ecken 30 auf, welche jeweils durch zwei Masseelektrodenkanten 32 gebildet werden. Jede der Mittelelektrodenkanten 22 ist parallel zu je einer der Masseelektrodenkanten 32 ausgebildet. Zwischen den Mittelelektrodenkanten 22 und den Masseelektrodenkanten 32 ist ein Elektrodenspalt 5 ausgebildet.

Die Breite des Elektrodenspalts 5 ist entlang der jeweiligen Masseelektrodenkante 32 und der jeweiligen Mittelelektrodenkante 22 im Wesentlichen konstant. Die Ausführungsvariante der Fig. 1 weist sechs Zacken 1 auf. Die Beispiele der Fig. 6 und der Fig. 7 weisen fünf bzw.

sieben Zacken 1 auf.

Der Außendurchmesser der dargestellten Zündkerzenprojektion ist der Gewindedurchmesser (D) der Zündkerze.

Die Mittelelektrode 2 hat die Form eines sechszackigen Sternes, wobei die Zacken 1 die Form eines gleichschenkeligen Dreieckes aufweisen und die (gedachte) Grundlinie die gerade

Verbindung von zwei benachbarten Kerbpunkten ist.

Die Zacken 1 bestehen aus einem Edelmetall oder einer Edelmetalllegierung, die durch eine Schweiß- oder Lötverbindung mit einem Basiskörper 2 der Mittelelektrode, dem

Mittelelektroden-Stempel (englisch: Stem), verbunden sind.

Dieser Basiskörper besteht bevorzugt aus einem Mantel aus Nickel oder einer Nickelbasislegierung oder einem anderen Material, dessen Wärmeleitfähigkeit einen Wert zwischen 30 und 85 W/m K aufweist, sowie aus einem Kern aus hochwärmeleitfähigen Material, z.B. Kupfer oder einer Kupfer-Basislegierung, über den die an der Oberfläche einströmende Wärme effizient in den Grundkörper 6 und in der Folge in den

Kühlwassermantel des Zylinderkopfes des Motors abgeleitet wird.

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Sternzacken der Mittelelektrode bis auf den freibleibenden Elektrodenspalt 5 ausfüllen.

Die Seitenflächen der Masseelektroden begrenzen zusammen mit den Seitenflächen der Sternzacken der Mittelelektrode den Elektrodenspalt, innerhalb dem die Funkenüberschläge bei der Zündung stattfinden.

Insgesamt hat die Zündkerze in dieser Ausführung dementsprechend 2 x 6 = 12

Elektrodenspalte mit jeweils der Länge L2 der Elektrodenseiten.

Die Masseelektroden 4 bestehen, ähnlich wie die Sternzacken der Mittelelektrode, zumindest teilweise aus einem Edelmetall oder einer Edelmetalllegierung. Diese sind durch eine Schweiß- oder Lötverbindung mit jeweils einem Elektrodenträger 3 verbunden, der aus einem hochwärmeleitendem Material besteht und der mit dem Grundkörper 6 der Zündkerze,

ebenfalls durch eine Schweiß- oder Lötverbindung verbunden ist.

Der Grundkörper der Zündkerze ist jener metallische Teil der Zündkerze, der das Einschraubgewinde und den Schlüsselansatz umfasst und in den der Keramikkörper mit der

Mittelelektrode und dem Hochspannungs-Anschluß eingebaut ist.

Die brennraumseitigen Oberflächen der Masseelektroden sowie der Mittelelektrode sind bis auf eine maximale Abweichung von +/- 0,2 mm bündig zueinander bzw. liegen innerhalb

dieser Toleranz auf einer gemeinsamen Ebene.

Zwischen jeweils zwei Masseelektroden befinden sich schlitzförmige Ausnehmungen 7 im Kerzen-Grundkörper, die eine kanalförmige Verbindung zwischen dem Brennraum bzw. der Vorkammer und dem Gasvolumen zwischen den Elektroden und dem Keramikfuß der Zündkerze darstellen. Der dieses Gasvolumen umfassende Bereich der Zündkerze wird als Atmungsraum 8 bezeichnet, dementsprechend werden diese Verbindungskanäle im weiteren Textverlauf als Atmungskanäle bezeichnet. Ihr Zweck ist es, einen Druckausgleich zwischen dem Brennraum bzw. der Vorkammer des Motors und dem Atmungsraum der Zündkerze

herzustellen. Dabei ist das Verhältnis der Summe der Strömungs-Querschnittsflächen der Ausnehmungen 7

zum Volumen des Atmungsraumes 8 der Zündkerze von besonderer Bedeutung.

Vorzugsweise sollte dieses Verhältnis größer sein, als 0,03.

Mittelelektrode sowie den oberen Teil des Stems 2.

In Fig. 2 ist die Schnittebene dabei so gewählt, dass sie die Masseelektroden in der Mitte schneidet und dementsprechend zwischen 2 Sternzacken hindurchgeführt wird. Daraus ist der maximale Abstand Al der Spitze der Masseelektrode 4 vom brennraumseitigen Gewindeansatz 10 ersichtlich. Dieser Abstand im Verhältnis zum Gewindedurchmesser der Zündkerze ist ein wichtiges Gestaltungsmerkmal, für das erfindungsgemäß ein oberer

Grenzwert angegeben wird.

In Fig. 3 geht die Schnittebene durch die Mitte der Sternzacken 1 sowie durch die Atmungskanäle 7 im Kerzengrundkörper. An der Höhe (H1) der Zacken der Mittelelektrode ist der Überstand der Elektroden über den Stem 2 ersichtlich. Des Weiteren ist in dieser

Abbildung die Strömungskontur der Atmungskanäle erkennbar.

Für den Atmungsraum 8 ist es zur optimalen Funktion der erfindungsgemäßen Zündkerzenausführung sehr vorteilhaft, ein möglichst gut abgestimmtes Volumen vorzusehen. Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass das Volumen (Va) des Atmungsraumes (in mm”) zur Querschnittsfläche (Q) der Zündkerze (in mm”) im Bereich des Kerzengewindes in einem Verhältnis (Va/Q) steht, das größer als 0,16 mm, jedoch kleiner als 0,30 mm ist. Bei einem größeren Volumen ergeben sich deutlich verschlechterte Bedingungen für die Spülung

des Atmungsraumes, sowie für die Wärmeableitung von den Elektroden.

Die Höhe (H2) der Elektroden parallel zur Kerzenachse gibt zugleich auch die Breite der Elektrodenfläche an. Diese Höhe (H2) bzw. Breite soll erfindungsgemäß in einem Verhältnis zur Gesamtsumme der Längen (L2) der Elektrodenflächen der Mittelelektrode stehen, das größer als 0,03 jedoch kleiner als 0,1 ist.

Die Einschränkung des erfindungsgemäß anzustrebenden Wertebereiches ist unter anderem deshalb von Bedeutung, weil in diesem Wertebereich die Neigung des Elektrodenwerkstoffes

zur Perlen- oder Fadenbildung innerhalb des Elektrodenspaltes am geringsten ist.

Zum Zweck einer optimalen Kühlung der Masseelektroden ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zwischen dem brennraumseitigen Gewindeansatz 10 der Zündkerze und der davon am weitesten entfernten Stelle der Masseelektrode 4 keine größere Distanz besteht, als das 0,5-

fache des Gewindedurchmessers (D) der Zündkerze. Damit können die Temperaturen der

der Elektrodenflächen weiter verbessert werden kann.

Die Sternzacken der Mittelelektrode können im Bereich der Spitze auch abgeflacht ausgeführt sein, sodass sie eine Ähnlichkeit mit gleichseitigen Trapezen aufweisen. Die im Folgenden ausgeführten Kriterien und Angaben hinsichtlich der speziellen Merkmale beziehen sich auf ein den Sternzacken eingeschriebenes gleichschenkeliges Referenzdreieck (9) mit maximaler Überdeckung, dessen Schenkel mit den Elektrodenflächen der Sternkörper auf einer gleichen

Linie liegen.

Fig. 4 zeigt einen Segmentbereich der Mittelelektrode mit 2 Sternzacken, wobei der linke Zacken zur Illustration eine abgeflachte Spitze aufweist. Dieser trapezförmige Zacken ist mit einem gleichschenkeligen Referenzdreieck zur Deckung gebracht, dessen mit unterbrochener Linie dargestellte Spitze aus dem Trapez herausragt. Die Höhe des gleichschenkeligen Dreieckes von der Basislinie wird mit H1 bezeichnet, die Seitenlänge der Schenkel mit L2

und die Länge der Basislinie mit L1.

Ein Kriterium für die optimale Funktion der vorgeschlagenen Zündkerzenbauart bildet das Verhältnis der Seitenlänge (L1) zur Länge der Basislinie (H1). Für dieses Verhältnis (L1/H1)

wird erfindungsgemäß ein Wertebereich zwischen 0,75 und 1,40 vorgeschlagen.

Ein weiteres wichtiges Funktionskriterium ist das Verhältnis der Länge der Basislinie (H1) zum Gewindedurchmesser (D) der Zündkerze. Zur Erzielung optimaler Ergebnisse sollte

dieses Verhältnis (H1/D) nicht geringer als 0,11, jedoch nicht größer als 0,21 sein.

Die wesentlichen Gründe für die Definition und Einschränkung dieser Wertebereiche ergeben sich aus der umfassenden Optimierung von teilweise gegenläufigen Effekten einzelner Maßnahmen zur Steigerung der Lebensdauer und der Verbesserung der

Entflammungseigenschaften der Zündkerze.

Die Masseelektroden-Träger 3 können in den Kerzengrundkörper 6 (bzw. den Gewindekörper) versenkt sein, sodass die brennraumseitigen Begrenzungsflächen der Elektrodenträger und des Kerzengrundkörpers zumindest annähernd bündig sind. Dazu sind für die Elektrodenträger Nuten vorgesehen, in die die Elektrodenträger möglichst spielfrei

eingelassen sind und mit denen sie verschweißt oder verlötet werden.

Einfacher und vielfach ausreichend ist es jedoch, die Masseelektrodenträgen am

brennraumseitigen Ende des Kerzengrundkörpers ohne Versenkung anzubringen, sodaß die

Masseelektroden gegenüber dem brennraumseitigen Ende des Grundkörpers überstehen bzw.

erhaben sind, wie in Fig. 2 und Fig. 3 gezeigt.

Für den Elektrodenträger ist vorzugsweise ein sehr gut wärmeleitender Werkstoff vorgesehen,

mit einem Wärmeleitkoeffizienten von > 60 W/m K, beispielsweise Nickel.

Besonders vorteilhaft hat sich eine Variante herausgestellt, bei der der Kerzengrundkörper aus zwei unterschiedlichen Materialien besteht, die unterschiedliche Wärmeleitkoeffizienten

aufweisen.

In Fig. 5 ist der Aufbau dieser Variante beispielhaft dargestellt. Der dem Brennraum zugewandte Teil 12 des Kerzengrundkörpers 6 besteht dabei aus einem Material mit einem Wärmeleitkoeffizienten von größer als 65 W/m K (z.B. Nickel oder Molybdän). Dieser ist durch eine Schweiß- oder Lötverbindung mit dem Kerzengrundkörper 6 verbunden. Das Material des Kerzengrundkörpers besteht dagegen aus einem kostengünstigen und gut bearbeitbaren Werkstoff mit den erforderlichen Festigkeitseigenschaften, beispielsweise aus

einem Werkzeugstahl.

Anstatt einzelne Sternzacken aus Edelmetall getrennt voneinander auf einen MittelelektrodenStem durch einen Schweiß- oder Lötvorgang anzubringen, können die Sternzacken auch ringbzw. kranzförmig miteinander verbunden sein, wobei die Befestigung am Stem z. B. durch eine einzige durchgehende Schweißverbindung (beispielsweise durch Laserschweißen) erfolgt.

Im Fig. 6 ist eine Variante mit 5 Sternzacken und im Fig. 7 eine Variante mit 7 Sternzacken dargestellt. Die Moasseelektroden sowie die Atmungskanäle sind nur in einem Sektorenausschnitt gezeigt. Auch diese Bauarten führen zu sehr günstigen Ergebnissen, besonders günstig erweist sich jedoch eine 6-zählige Form der Elektroden, der deshalb

erfindungsgemäß der Vorzug gegeben wird.

Grundsätzlich ist der Aufbau der vorgeschlagenen Lösung komplexer und in der Herstellung aufwendiger als handelsübliche bzw. am Markt angebotene Zündkerzentypen. Allerdings können gerade durch die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Konstruktionsmerkmale und Materialeigenschaften eine Reihe sehr günstiger Effekte und Ergebnisse erreicht werden, sodass sich sowohl hinsichtlich der Standzeit als auch hinsichtlich der Entflammungseigenschaften deutliche Vorteile gegenüber Zündkerzentypen nach dem Stand

der Technik ergeben.

Insbesondere ist der Mehraufwand in der Fertigung nur ein Bruchteil der Kosteneinsparungen

aufgrund der gesteigerten Lebensdauer der Zündkerze.

Ein wesentlicher Aspekt, der der vorgeschlagenen Bauweise zugrunde liegt, bezieht sich auf die maximale Kühlung der Elektrodenflächen der Masseelektroden. Diese Temperaturen sind bei den herkömmlichen Kerzenbauarten üblicherweise in einer Größenordnung von 100 °C höher, als die Temperaturen an den Mittelelektroden. Dementsprechend hoch sind auch die Verschleißraten der Moasseelektroden und die Heißkorrosion der Elektrodenträger,

insbesondere im Einsatz in Vorkammern von Hochleistungsmotoren.

Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Bauweise können die Temperaturen an der Masseelektrode jedoch um mehr als 100 °C gegenüber Zündkerzen nach dem Stand der

Technik, bezogen auf gleiche Einsatzbedingungen, abgesenkt werden.

Bei der Mittelelektrode wirkt sich besonders der sehr hohe Wärmeleitkoeffizient des Edelmetall-Materiales der Sternzacken günstig aus, insbesondere wenn z.B. Irıdium oder eine Irıdium-Rhodium-Legierung eingesetzt wird, deren Wärmeleitfähigkeit höher ist, als 120 W/m K.

Da der Stem der Mittelelektrode einen massiven Kern (11) aus einem hochwärmeleitfähigen Material aufweist (z.B. Kupfer) sowie einen relativ dünnen Mantel mit ebenfalls guter Wärmeleitfähigkeit (z.B. Nickel), ist die Wärmeableitung auch hier sehr effizient, sodaß trotz ausladender Geometrie der Mittelelektrode mit einer relativ großen, der Verbrennungshitze ausgesetzten Oberfläche der Sternzacken die Temperatur an den Elektrodenflächen relativ

niedrig gehalten werden kann.

Durch die vorgeschlagene Elektrodenform kann eine maximal große, funkenwirksame Elektrodenfläche und damit eine sehr hohe Abbrandreserve realisiert werden. Damit werden

auch ohne Elektrodennachstellung sehr lange Kerzenstandzeiten erreicht.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Elektrodengeometrie ergibt sich aus der Spitzenwirkung der Elektroden auf die für den Funkenüberschlag erforderliche Durchbruchsspannung. Durch die Feldstärkenüberhöhung an den Elektrodenspitzen wird die Durchbruchsspannung deutlich reduziert, und damit kann bei einem vom Zündsystem vorgegebenen Limit für das maximale Zündspannungsangebot ein deutlich größerer

Elektrodenspalt (bzw. Elektrodenabstand) gefahren werden.

Da trotz der maximal vergrößerten Elektrodenfläche beim vorgeschlagenen Design keine

erhöhte Abschirmwirkung der Elektroden hinsichtlich der Gemisch-Zugänglichkeit in den

Elektrodenspalt sowie der Energieabsorption durch die Elektrodenflächen gegeben ist, wird die Flammenkernbildung nicht behindert. Die erfindungsgemäße Zündkerze weist dementsprechend sehr gute Entflammungseigenschaften auch bei einem sehr kleinen Elektrodenspalt auf. Damit ergibt sich insgesamt ein sehr großer zulässiger Variationsbereich für den Elektrodenspalt, sodass eine sehr große Elektrodenmaterial-Reserve genützt werden kann und damit entsprechend hohe Kerzenstandzeiten ohne Nachstellerfordernisse erreichbar

sind.

Das vorgeschlagene Konzept unterstützt die gegenwärtige Entwicklung von Zündsystemen für stationäre Hochleistungsmotoren, wo unter anderem daran gearbeitet wird, die Hochspannungsfestigkeit und das Zündspannungsangebot des gesamten Zündsystems

inklusive der Zündkerzen zu steigern.

Bei der Herstellung der Zündkerze können die Masseelektroden sehr präzise positioniert werden. Dadurch ergibt sich ein genauer und gut kontrollierbarer Elektrodenabstand, sodaß für das Betreiberpersonal der Motoranlage von Beginn an keine Einstellarbeiten erforderlich

sind.

Grundsätzlich können bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen sternförmigen Geometrie der Mittelelektroden die Masseelektrodenträger auch hakenförmig oder gekrümmt ausgeführt sein, wobei ein gewisser Längenabschnitt des Trägers parallel zur Kerzenachse ausgerichtet ist. Damit kann der Elektrodenspalt durch Verbiegen der Elektrodenträger eingestellt bzw. die Elektrodenabstände auf diese Weise nachgestellt werden. Damit geht jedoch der Vorteil der starken Kühlwirkung teilweise verloren. Darüber hinaus ist eine präzise Ein- oder Nachstellung der Elektroden oft schwer zu erreichen und der bei den hohen Betriebstemperaturen schwer vermeidbare thermische Verzug führt häufig zu einer

unerwünschten Veränderung des Elektrodenspaltes.

Für den Einsatz in hochbelasteten Vorkammergasmotoren wird deshalb auf die Nachstellbarkeit der Elektroden zugunsten einer besseren Kühlung der Masseelektroden

verzichtet.

Ein weiteres vorteilhaftes Merkmal bezieht sich auf die mögliche Geometrie des Elektrodenspaltes 5. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Gestalt der Elektroden sowie die Implementierung der Atmungskanäle ermöglicht die Nutzung des gezielten EntladungskanalWandereffektes während der Bogenphase. Dabei handelt es sich um die Verlagerung und Dehnung des Entladungskanales während der Zeit der Funkenbrenndauer im Anschluss an den Funkendurchbruch. Diese Phase ist sowohl für die Ausbildung des Flammkernes und

damit für die Einleitung der Verbrennung als auch für den Elektrodenverschleiß von großer

Bedeutung. Im Idealfall sollte der Entladungskanal aus dem Inneren des Elektrodenspaltes an den äußeren Rand wandern und dort in den Brennraum ausgedehnt werden, sodass das freie

Volumen des Flammkernes unbehindert zunehmen kann.

Dieser Vorgang wirkt sich außer zur Verbesserung des Entflammungsverhaltens auch günstig auf den Elektrodenverschleiß aus, da der Ort, an dem der Entladungskanal die Elektrodenflächen berührt, sich während der Funkenbrennphase verlagert und durch die

Dehnung des Entladungskanals der lokale Energieeintrag in die Elektroden abnimmt.

In Fig. 8 ist die vorgeschlagene Gestaltung der Elektrodenflächen in einem Schnittbild durch die Elektroden dargestellt. Die Schnittebene ist dabei senkrecht zu den Elektrodenkanten 34 und parallel zur Mittelachse der Zündkerze. Der Elektrodenspalt 5 wird von den gegenüberliegenden Elektrodenflächen der Masse- sowie der Mittelelektrode begrenzt, wobei es hier nicht von Bedeutung ist, auf welcher Seite sich die Masse- bzw. die Mittelelektrode befindet. Wie auf dem Bild gezeigt, sind die Elektrodenflächen im oberen, dem Brennraum des Motors zugewandten Bereich auf einer Länge H3 parallel zueinander. Im unteren, dem Atmungsraum der Zündkerze zugewandten Bereich weitet sich der Elektrodenspalt dagegen

auf.

Während der Kompressionsphase im Zylinder des Motors bildet sich eine Strömungskomponente durch den Elektrodenspalt in Richtung des Atmungsraumes des Motors aus, wie anhand des Pfeils 33 angedeutet. Der Funkenüberschlag erfolgt im Bereich der engsten Stelle des Elektrodenspaltes und der dabei ausgebildete Entladungsbogen wandert

nach unten, wird dort ausgedehnt und reißt an der untersten Stelle des Elektrodenspaltes ab.

Für die optimale Wirkung des Wandereffektes soll der Abstand (S) der Elektrodenflächen, gemessen an einer Stelle, die im Abstand von H4 = H2/6 von der unteren Grenzfläche der Elektroden entfernt ist, mindestens den doppelten Abstand der Elektrodenflächen im oberen,

parallelen Bereich des Elektrodenspaltes im Neuzustand der Zündkerze aufweisen.

Die geometrischen Merkmale der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Zündkerze inklusive der integrierten Atmungskanäle eröffnen darüber hinaus die Möglichkeit einer effizienten Elektrodenkühlung durch Anblasen der Elektroden über Spülbohrungen im oberen Bereich

des Zündkerzengewindes.

In Fig. 9 wird dazu anhand eines Schnittes durch die Zündkerze gemäß Figur 3 beispielhaft eine Bohrung 35 gezeigt, die den Außenbereich des Zündkerzengewindes an einer Stelle, die mindestens einen vollen Gewindegang (H5) unterhalb des brennraumseitigen Gewindeendes

beginnt, mit dem Atmungsraum der Zündkerze verbindet. Um den Umfang des

Zündkerzengewindes können mehrere solcher Bohrungen auf etwa gleicher Höhe angeordnet

sein.

Im Außenbereich des Zündkerzengewindes ist auf der Höhe der Bohrungen eine (z.B. umlaufende) Nut vorhanden, über die das Spülgas zu den Bohrungen im Kerzengewinde geführt wird. In diese Nut wiederum wird das Spülgas über eine Bohrung eingeleitet, die den

Brennraum bzw. die Vorkammer des Motors mit Spülgas versorgt.

Das Spülgas selbst kann aus demselben Gas bestehen, das dem Motor als Hauptkraftstoff zugeführt wird, oder allgemein aus einem Gemisch aus einem oder mehrerer brennbarer Gase

und einem oder mehreren inerten Gasen.

Beim Spülvorgang der Vorkammer innerhalb des Ladungswechselzyklus strömt das Spülgas über ein Vorkammergasventil, durch einen Verbindungskanal im Zylinderkopf bzw. in der Zündkerzenhülse zu der oben beschriebenen Nut und von dort durch die Spülbohrungen in den Atmungsraum der Zündkerze. Bevor das Spülgas in die Vorkammer des Motors gelangt,

umströmt und kühlt es die Elektroden.

Claims (20)

Patentansprüche

1. Zündkerze, umfassend eine Mittelelektrode (2) und zumindest eine Masseelektrode (4), dadurch gekennzeichnet, dass

die Mittelelektrode (2) stirnseitig sternförmig mit Zacken (1) ausgebildet ist, sodass n äußere Ecken (20), n innere Ecken (21) und 2n Mittelelektrodenkanten (22) gebildet werden,

wobei die wenigstens eine Masseelektrode (4) n konvexe Ecken (30) aufweist, welche jeweils durch 22 Masseelektrodenkanten (32) gebildet werden,

wobei jede der 2n Mittelelektrodenkanten (22) zumindest abschnittsweise parallel zu je einer der 2n Masseelektrodenkanten (32) ausgebildet ist und einen Elektrodenspalt (5) bilden.

2. Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des Elektrodenspalts (5) entlang der jeweiligen Masseelektrodenkante (32) und der jeweiligen Mittelelektrodenkante (22) im Wesentlichen konstant ist.

3. Zündkerze nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass n = 5 bis

7, vorzugsweise 6 ist.

4. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass nm Masseelektroden (4) vorgesehen sind, wobei jede Masseelektrode (4) eine konvexe Ecke (30) bildet.

5. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die äußeren Ecken (20) der Mittelelektroden (2) ein Edelmetall oder eine

Edelmetalllegierung aufweisen.

6. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass den Zacken (1) der stirnseitig sternförmigen Mittelelektrode (2) jeweils ein gleichschenkeliges Dreieck mit maximaler Überdeckung als Referenz-Dreieck zuordenbar ist, dessen Schenkel mit den Seitenlinien der Zacken (1) auf gleicher Linie liegen und dessen Grundlinie die Verbindung zwischen den beiden Basispunkten der Zacken (1) bildet, wobei die Höhe H1 dieses eingeschriebenen Referenzdreieckes zur Länge L1 der Grundlinie in einem Verhältnis HI1/L1 steht, welches zwischen 0,75 und 1,40 liegt.

7. Zündkerze nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe H1 des

Referenzdreieckes im Verhältnis zum Durchmesser (D) des Gewindes der Zündkerze in einem Verhältnis H1/D steht, welches zwischen 0,11 und 0,21 liegt.

8. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass den Zacken (1) der stirnseitig sternförmigen Mittelelektrode (2) ein Referenzdreieck zuordenbar ist, wobei der Abstand der Grundlinie des Zacken (1) vom Mittelpunkt des Sterns mindestens

1,5 mm beträgt.

9. Zündkerze nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschnitte aus Edelmetall oder Edelmetalllegierung durch eine Schweiß- oder Lötverbindung mit dem Mittelelektrodenstempel verbunden sind, wobei dieser Stempel einen Kern aus Kupfer oder einer Kupfer-Basislegierung und einen Mantel aufweist, der aus einem Material

mit einer Wärmeleitfähigkeit besteht, der größer ist als 60 W/m K.

10. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Masseelektroden (4) im Bereich der Elektrodenflächen aus einem Edelmetall oder einer Edelmetalllegierung bestehen, die mit dem jeweiligen Masseelektroden-Träger (3) durch eine Schweiß- oder Lötverbindung verbunden sind und wobei diese Masseelektroden-Träger (3) wiederum aus einem Material bestehen, dessen Wärmeleitkoeffizient einen Wert aufweist, der größer als 60 W/m K ist.

11. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Grundkörper (6) der Zündkerze zwischen je zwei Masseelektroden (4) kanalförmige Freistellungen vorgesehen sind, die den Atmungsraum der Zündkerze mit dem Brennraum bzw. der Vorkammer eines Ottomotors verbinden und über die der Druckausgleich sowie ein Flammendurchtritt nach der Zündung erfolgt, wobei die Summe (Qf) der Querschnittsflächen der Strömungskanäle senkrecht zur Strömungsrichtung zur gesamten Querschnittsfläche (Q) der Zündkerze am brennraumseitigen Gewindeende in einem Verhältnis (Qf/Q) steht, das

größer ist als 0,03.

12. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper der Zündkerze im Bereich des Gewindes aus zwei unterschiedlichen Materialien besteht, welche durch eine Schweiß- oder Lötverbindung miteinander verbunden sind, wobei das Material am brennraumseitigen Gewindebereich einen Wärmeleitkoeffizienten aufweist, der größer als 65 W/m K ist.

13. Zündkerze nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen (Va) des Atmungsraumes in mm? zur Querschnittsfläche (Q) in mm* im Bereich des Gewindes in einem Verhältnis (Va/Q) steht, das größer als 0,16 mm, jedoch kleiner als 0,30

mm ist.

14. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Summe der stirnseitigen Oberflächen (O0), die die Mittelelektrode (2) und die Masseelektroden (4) inklusive der Masseelektrodenträger (3) und des Sterns der Mittelelektrode (2) aufweisen, zur gesamten Querschnittsfläche (Q) der Zündkerze am brennraumseitigen Gewindeende ein Verhältnis (O/Q) aufweist, das größer ist als 0,50.

15. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke (H2) der Mittelelektrode (2) und/oder Masseelektrode (4) entlang der Längsachse der Mittelelektrode (2) zur Gesamtlänge der jeweiligen Masseelektrodenkante (22) der Mittelelektrode (2 in einem Verhältnis steht, dessen Wertebereich zwischen minimal 0,03 und

maximal 0,1 variieren kann.

16. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Elektrodenoberfläche der Mittelelektrode (2) größer ist als 35 mm.

17. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Distanz (Al) zwischen der Spitze der Masseelektrode (4) und dem brennraumseitigen Gewindeansatz (10) der Zündkerze geringer ist als das 0,5-fache des

Durchmessers (D) des Gewindes.

18. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Elektrodenspalt (5) in Richtung der Zündkerzenlängsachse eine definierte Kontur aufweist, wobei in einem oberen, einem Brennraum bzw. einer Vorkammer eines Ottomotors zugewandten Bereich die angrenzenden Elektrodenflächen parallel zueinander angeordnet sind und im unteren, dem Atmungsraum zugewandten Bereich eine Aufweitung des Elektrodenspaltes (5) vorgesehen ist, in einer Art und Weise, dass der Abstand der gegenüberliegenden Elektrodenflächen an einer Stelle, die um ein Sechstel der Elektrodendicke bzw. der Spalthöhe H2 oberhalb der Unterkante der Elektroden liegt, mindestens das Doppelte des Abstands der Elektroden im oberen, parallelen Bereich des

Elektrodenspaltes beträgt, bezogen auf den Neuzustand der Zündkerze.

19. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass im Gewindebereich der Zündkerze Bohrungen (35) angeordnet sind, die den Außenbereich des Zündkerzengewindes mit dem Atmungsraum der Zündkerze verbinden und durch die das Spülgas für eine Vorkammer geleitet wird, wobei zwischen den Bohrungen (35) und dem

brennraumseitigen Gewindeende mindestens ein ganzer Gewindegang vorhanden ist.

20. Ottomotor, insbesondere Gas-Ottomotor, mit einem Brennraum bzw. einer

Vorkammer, umfassend eine Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch

gekennzeichnet, dass im Grundkörper (6) der Zündkerze zwischen je zwei Masseelektroden (4) kanalförmige Freistellungen vorgesehen sind, die den Atmungsraum der Zündkerze mit dem Brennraum bzw. der Vorkammer eines Ottomotors verbinden und über die der Druckausgleich sowie ein Flammendurchtritt nach der Zündung erfolgt, wobei die Summe (Qf) der Querschnittsflächen der Strömungskanäle senkrecht zur Strömungsrichtung zur gesamten Querschnittsfläche (Q) der Zündkerze am brennraumseitigen Gewindeende in einem Verhältnis (Qf/Q) steht, das größer ist als 0,03.