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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches
in einem Zylinder einer direkteinspritzenden fremdgezündeten Brennkraftmaschine,
die mit einer Zündkerze
ausgestattet ist, welche mindestens ein Elektrodenpaar aufweist,
das zwei voneinander elektrisch isolierte und beabstandete Elektroden
umfaßt,
von denen eine Elektrode als Masseelektrode verwendet wird, wobei
der Abstand zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode
in einem Bereich, in dem im Rahmen der Fremdzündung eine Funkenstrecke ausgebildet
wird, in Abhängigkeit
von der Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine verändert wird.
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Des
weiteren betrifft die Erfindung eine Zündkerze zur Durchführung eines
derartigen Verfahrens, mit mindestens einem Elektrodenpaar, das zwei
voneinander elektrisch isolierte und beabstandete Elektroden umfaßt, von
denen eine Elektrode als Masseelektrode dient, wobei der Abstand
zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode in einem
Bereich, in dem sich im Rahmen der Fremdzündung eine Funkenstrecke ausbildet,
veränderbar
ist, wozu mindestens eine der beiden Elektroden des mindestens einen
Elektrodenpaares zumindest teilweise in der Art eines Bimetalls
ausgebildet ist, welches zwei Komponenten umfaßt, deren thermisches Ausdehnungsverhalten
unterschiedlich ist.
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Aufgrund
der begrenzten Ressourcen an fossilen Energieträgern, insbesondere aufgrund
der begrenzten Vorkommen an Mineralöl als Rohstoff für die Gewinnung
von Kraftstoffen für
den Betrieb von Verbrennungskraftmaschinen, ist man bei der Entwicklung
von Verbrennungsmotoren ständig
bemüht, den
Kraftstoffverbrauch zu minimieren.
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Problematisch
ist der Kraftstoffverbrauch insbesondere aufgrund des schlechteren
Wirkungsgrades bei Ottomotoren. Der Grund hierfür liegt im prinzipiellen Arbeitsverfahren
des traditionellen Ottomotors. Der traditionelle Ottomotor arbeitet
mit einem homogenen Kraftstoff-Luft-Gemisch, das durch äußere Gemischbildung
aufbereitet wird, indem in die angesaugte Luft im Ansaugtrakt Kraftstoff
eingebracht wird. Die Einstellung der gewünschten Leistung erfolgt durch
Veränderung
der Füllung
des Brennraumes, so daß dem
Arbeitsverfahren des Ottomotors – anders als beim Dieselmotor – eine Quantitätsregelung
zugrunde liegt.
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Diese
Laststeuerung erfolgt in der Regel mittels einer im Ansaugtrakt
vorgesehenen Drosselklappe. Durch Verstellen der Drosselklappe kann
der Druck der angesaugten Luft hinter der Drosselklappe mehr oder
weniger stark reduziert werden. Je weiter die Drosselklappe geschlossen
ist d. h. je mehr sie den Ansaugtrakt versperrt desto höher ist
der Druckverlust der angesaugten Luft über die Drosselklappe hinweg
und desto geringer ist der Druck der angesaugten Luft hinter der
Drosselklappe und vor dem Einlaß in
den Brennraum. Bei konstantem Brennraumvolumen kann auf diese Weise über den
Druck der angesaugten Luft die Luftmasse d.h. die Quantität eingestellt
werden. Dies erklärt
auch, weshalb sich diese Art der Quantitätsregelung gerade im Teillastbereich
als nachteilig erweist, denn geringe Lasten erfordern eine hohe
Drosselung und Druckabsenkung im Ansaugtrakt. Die Quantitätsregelung
mittels Drosselklappe hat daher thermodynamische Nachteile.
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Um
die beschriebenen Drosselverluste zu senken, wurden verschiedene
Strategien zur Laststeuerung entwickelt. Ein Lösungsansatz zur Entdrosselung
des ottomotorischen Arbeitsverfahrens besteht in der Verwendung
eines variablen Ventiltriebs.
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Ein
anderer Lösungsansatz
zur Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs von Ottomotoren basiert
auf der Übernahme
technischer Merkmale, die ursprünglich
als Kennzeichen des dieselmotorischen Verfahrens galten. Dies führt zu neuen
sogenannten hybriden Brennverfahren.
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Das
traditionelle ottomotorische Verfahren ist dabei gekennzeichnet
durch eine Gemischverdichtung, ein homogenes Gemisch, eine Fremdzündung, sowie
die Quantitätsregelung,
wohingegen das dieselmotorische Verfahren charakterisiert ist durch
eine Luftverdichtung, ein inhomogenes Gemisch, eine Selbstzündung und
die Qualitätsregelung.
Der geringe Kraftstoffverbrauch der Dieselmotoren resultiert unter
anderem aus einem hohen Verdichtungsverhältnis und geringen Ladungswechselverlusten
aufgrund der Qualitätsregelung
des Dieselmotors, bei der die Last über die eingespritzte Kraftstoffmenge gesteuert
wird.
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Insbesondere
die Einspritzung von Kraftstoff direkt in den Brennraum des Zylinders
wird als eine geeignete Maßnahme
angesehen, den Kraftstoffverbrauch auch bei Ottomotoren spürbar zu
reduzieren, weshalb die Entwicklung direkteinspritzender Ottomotoren
zunehmend an Bedeutung gewonnen hat. Die direkte Einspritzung des
Kraftstoffes kann dabei beispielsweise auch zur Realisierung einer
geschichteten Brennraumladung dienen.
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Der
Kraftstoff wird dabei vorzugsweise während der Kompressionsphase
direkt in den Brennraum d. h. in den Zylinder der Brennkraftmaschine eingespritzt.
Für die
Einspritzung des Kraftstoffes, die Gemischaufbereitung im Brennraum,
nämlich
die Durchmischung von Luft und Kraftstoff und die Aufbereitung des
Kraftstoffes im Rahmen von Vorreaktionen einschließlich der
Verdampfung, sowie der Zündung
des aufbereiteten Gemisches stehen vergleichsweise kurze Zeiträume in der
Größenordnung von
Millisekunden zur Verfügung.
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Bedingt
durch die Direkteinspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum,
die nur wenig Zeit zur Aufbereitung eines zünd- und brennfähigen Kraftstoff-Luft-Gemisches
zur Verfügung
stellt, insbesondere aufgrund der Inhomogenität des Gemisches, sind die Anforderungen
an die Zündung
bzw. an die Zündkerze
wesentlich höher
als bei traditionellen ottomotorischen Verfahren, damit auch unter
den erschwerten Verhältnissen
eine sichere Entzündung gewährleistet
werden kann.
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Des
weiteren ist zu beachten, daß das
Gesamtluftverhältnis λ d. h. das
Verhältnis
von angesaugter Luft und eingespritzter Kraftstoffmenge während des
Betriebes des direkteinspritzenden Ottomotors variiert wird, beispielsweise
in Abhängigkeit
von der Last.
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Dabei
wird die Brennkraftmaschine im Teillastbetrieb in der Regel mager
d.h. überstöchiometrisch
(λ > 1) mit einem Luftüberschuß und bei Volllast
gelegentlich auch fett d. h. unterstöchiometrisch (λ < 1) unter Luftmangel
betrieben. Selbst wenn die Brennkraftmaschine während der Volllast mit einem
Luftüberschuß – beispielsweise
mit λ 1.05 – betrieben
wird, liegt ein im Vergleich zum Teillastbetrieb fetteres Kraftstoff-Luft-Gemisch vor.
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Auch
diese Variation des Gesamtluftverhältnisses λ führt zu erhöhten Anforderungen an die Zündung bzw.
an die Zündkerze,
denn es muß in
sämtlichen
Lastbereichen bzw. bei unterschiedlichen Gesamtluftverhältnissen λ eine sichere
Entzündung
des Kraftstoff-Luft-Gemisches
gewährleisten
sein.
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Insbesondere
sollen Zündaussetzer,
die nicht nur zu Drehungleichförmigkeiten
d. h. Drehzahlschwankungen der Brennkraftmaschine, sondern auch
zu erhöhten
Schadstoffemissionen, insbesondere zu erhöhten Emissionen an unverbrannten
Kohlenwasserstoffen, führen,
vermieden werden. Denn grundsätzlich
wird eine Minimierung der Schadstoffemissionen angestrebt, um auch
zukünftige
Grenzwerte für
Schadstoffemissionen einzuhalten.
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Um
magere Gemische zuverlässig
entzünden
zu können,
wird ein vergleichsweise großer
Abstand zwischen den beiden Elektroden bevorzugt bzw. angestrebt,
damit ein ausreichend hoher Anteil an Kraftstoffmolekülen trotz
des Luftüberschusses
im Brennraum in den Bereich der Zündkerze gelangt, in dem im
Rahmen der Fremdzündung
die Funkenstrecke ausgebildet wird.
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Hingegen
wird für
den Vollastbetrieb ein verminderter d. h. ein vergleichsweise geringer
Abstand der Elektroden bevorzugt, wobei ein Mindestabstand nicht
unterschritten werden sollte, um einen unakzeptabel hohen Abbrand
an den beiden Elektroden zu vermeiden.
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Ein
geringerer bzw. kleiner Elektrodenabstand wird auch im Hinblick
auf einen Kaltstart der Brennkraftmaschine bevorzugt, um auch während der
Warmlaufphase, wenn die Betriebstemperaturen noch verhältnismäßig niedrig
sind, eine sichere Entzündung
des Kraftstoff-Luft-Gemisches zu gewährleisten.
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Folglich
wäre eine
Zündkerze,
bei der der Elektrodenabstand variabel ausgeführt ist, zielführend, um
bei einer direkteinspritzenden fremdgezündeten Brennkraftmaschine unter
sämtlichen
Betriebsbedingungen optimale Randbedingungen für eine zuverlässige Entzündung generieren
zu können.
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Die
US 6,586,865 B1 beschreibt
eine Zündkerze,
bei der sich der Abstand der Elektroden in Abhängigkeit von der vorliegenden
Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine verändert.
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Dabei
wird gemäß einer
konkreten Ausführungsform
der Zündkerze
eine Elektrode in der Art eines Bimetalls ausgebildet. Diese Bimetall-Elektrode umfaßt zwei
in Schichten angeordnete Komponenten, deren thermisches Ausdehnungsverhalten
unterschiedlich ist. Die beiden Komponenten sind dabei hinsichtlich
ihres Ausdehnungsverhaltens in der Art ausgewählt und angeordnet, daß sich der
Abstand zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode
ausgehend von einer kalten Brennkraftmaschine im Rahmen der Warmlaufphase
mit zunehmender Betriebstemperatur vergrößert.
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Eine
derartige Zündkerze
erfüllt
somit zwei der drei oben dargelegten Anforderungen, die an den Elektrodenabstand
bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen gestellt werden. Sie verfügt nämlich über einen
geringen Elektrodenabstand während
der Warmlaufphase und einen vergrößerten Abstand im Teillastbetrieb
bzw. Magerbetrieb.
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Nachteilig
an dieser in der
US
6,586,865 B1 offenbarten Zündkerze ist hingegen, daß sich der Elektrodenabstand
ausgehend vom Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine bei einem Übergang
zum Volllastbetrieb, was mit einer Anfettung des Kraftstoff-Luft-Gemisches
und einem weiteren Temperaturanstieg verbunden ist, weiter vergrößert, was
der oben dargelegten Forderung nach einem verkleinerten Elektrodenabstand
bei Volllast zuwiderläuft.
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Vor
diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
ein Verfahren zur Zündung
eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in einem Zylinder einer direkteinspritzenden
fremdgezündeten Brennkraftmaschine
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 aufzuzeigen, welches sämtlichen oben dargelegten Anforderungen
bzw. Erfordernissen Rechnung trägt
und mit dem eine sichere Entzündung
des Kraftstoff-Luft-Gemisches unter sämtlichen Betriebsbedingungen
gewährleistet
wird.
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Eine
weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Zündkerze
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 2 zur Durchführung
eines derartigen Verfahrens bereitzustellen.
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Gelöst wird
die erste Aufgabe durch ein Verfahren zur Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in einem
Zylinder einer direkteinspritzenden fremdgezündeten Brennkraftmaschine,
die mit einer Zündkerze
ausgestattet ist, welche mindestens ein Elektrodenpaar aufweist,
das zwei voneinander elektrisch isolierte und beabstandete Elektroden
umfaßt,
von denen eine Elektrode als Masseelektrode verwendet wird, wobei
der Abstand zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode
in einem Bereich, in dem im Rahmen der Fremdzündung eine Funkenstrecke ausgebildet
wird, in Abhängigkeit
von der Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine verändert wird,
und das dadurch gekennzeichnet ist, daß der Abstand zwischen der
ersten Elektrode und der zweiten Elektrode
- – ausgehend
von einer kalten Brennkraftmaschine im Rahmen einer Warmlaufphase
mit zunehmender Betriebstemperatur vergrößert wird, und
- – ab
einer vorgebbaren Grenztemperatur TGrenz mit weiter
zunehmender Betriebstemperatur wieder verkleinert wird.
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Ähnlich dem
in der
US 6,586,865
B1 beschriebenen Verfahren wird erfindungsgemäß der Temperaturanstieg
während
der Warmlaufphase dazu genutzt, den Abstand der Elektroden – ausgehend
von einem für
die Warmlaufphase bevorzugten kleinen Elektrodenabstand – mit zunehmender
Betriebstemperatur zu vergrößern.
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Um
auch die unterschiedlichen Anforderungen an den Elektrodenabstand
während
des Teillastbetriebs einerseits und des Volllastbetriebs andererseits
zu erfüllen,
nutzt das erfindungsgemäße Zündverfahren
den Umstand, daß der
Teillastbetrieb und der Volllastbetrieb der direkteinspritzenden
Brennkraftmaschine nicht nur durch ein unterschiedliches Gesamtluftverhältnis λ, sondern
auch durch unterschiedliche Betriebstemperaturen gekennzeichnet sind,
wobei eine ansteigende Betriebstemperatur – nicht strenggenommen aber
vereinfachend – als
Indiz für
eine Anfettung des Kraftstoff-Luft-Gemisches angesehen bzw. gewertet werden
kann.
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Ausgehend
von einem Teillastbetrieb bzw. Magerbetrieb der Brennkraftmaschine
und der dabei vorliegenden Betriebstemperatur bzw. dem dabei vorliegenden
Gesamtluftverhältnis λ nimmt die
Temperatur bei Anfettung des Kraftstoff-Luft-Gemisches d. h. bei
einem Übergang
zum Volllastbetrieb tendenziell zu, während das Luftverhältnis λ prinzipbedingt abnimmt.
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Zwar
korreliert das Gesamtluftverhältnis λ in der Regel
nicht unter sämtlichen
Betriebsbedingungen streng und in gleicher Weise mit der Betriebstemperatur
der Brennkraftmaschine, aber in einem für den hier erforderlichen Zweck
ausreichendem Maße,
um nämlich
den Elektrodenabstand über
die Temperatur dem vorliegenden Gesamtluftverhältnis λ entsprechend anzupassen.
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So
kann die Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine ihren maximalen
Wert im Rahmen der Anfettung beispielsweise bei einem Luftverhältnis λ ≈ 1.05 erreichen
und im Rahmen einer weiteren Anfettung wieder abnehmen. Das Verhältnis bzw.
die Korrelation von Temperatur und Luftverhältnis wird darüber hinaus
auch durch andere Betriebsparameter beeinflußt, insbesondere durch die
Abgasrückführrate und
eine gegebenenfalls vorhandene Ladeluftkühlung.
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Unabhängig von
der konkreten Wechselbeziehung zwischen Temperatur und Luftverhältnis, liegt
der für
das erfindungsgemäße Verfahren
maßgebliche
Zusammenhang vor, daß die
Betriebstemperatur bei Volllast höher ist als bei Teillast, so
daß bei
Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens der
Elektrodenabstand im Volllastbetrieb kleiner ist als beim Teillastbetrieb,
auch wenn in der Regel kein kontinuierlicher Anstieg der Temperatur
mit abnehmendem Luftverhältnis
zu beobachten ist.
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Infolgedessen
ist es zielführend,
wenn ab einer vorgebbaren Grenztemperatur TGrenz,
welche vorliegend den Übergang
vom Teillastbetrieb zum Vollastbetrieb kennzeichnen bzw. markieren
soll, mit weiter zunehmender Betriebstemperatur der Abstand zwischen
den beiden Elektroden wieder verkleinert wird.
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Dadurch
wird die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich ein
Verfahren zur Zündung
eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in einem Zylinder einer direkteinspritzenden
fremdgezündeten
Brennkraftmaschine aufzuzeigen, welches die unterschiedlichen Erfordernissen
an den Elektrodenabstand bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen ausnahmslos
erfüllt
und mit dem eine sichere Entzündung
des Kraftstoff-Luft-Gemisches unter sämtlichen Betriebsbedingungen
gewährleistet
wird.
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Die
zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe wird gelöst durch
eine Zündkerze,
insbesondere zur Zündung
eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in einem Zylinder einer direkteinspritzenden fremdgezündeten Brennkraftmaschine,
mit mindestens einem Elektrodenpaar, das zwei voneinander elektrisch
isolierte und beabstandete Elektroden umfaßt, von denen eine Elektrode
als Masseelektrode dient, wobei der Abstand zwischen der ersten
Elektrode und der zweiten Elektrode in einem Bereich, in dem sich
im Rahmen der Fremdzündung
eine Funkenstrecke ausbildet, veränderbar ist, wozu mindestens
eine der beiden Elektroden des mindestens einen Elektrodenpaares
zumindest teilweise in der Art eines Bimetalls ausgebildet ist,
welches zwei Komponenten umfaßt,
deren thermisches Ausdehnungsverhalten unterschiedlich ist, und
die dadurch gekennzeichnet ist, daß die zweite Komponente ein
Ausdehnungsverhalten in der Art aufweist, daß diese zweite Komponente in
einem ersten Temperaturbereich ein vermindertes und in einem benachbarten
Temperaturbereich ein vergrößertes Ausdehnungsverhalten als
die erste Komponente hat.
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Bei
der erfindungsgemäßen Zündkerze
ist – ähnlich wie
bei der aus dem Stand der Technik bekannten Zündkerze – mindestens eine der beiden Elektroden
des mindestens einen Elektrodenpaares zumindest teilweise in der
Art eines Bimetalls ausgebildet.
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Zur
Durchführung
des oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens ist es aber
nicht ausreichend, daß die
beiden Komponenten des Bimetalls ein unterschiedliches Ausdehnungsverhalten aufweisen.
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Damit
sich der Abstand zwischen den Elektroden ausgehend von einer kalten
Brennkraftmaschine im Rahmen einer Warmlaufphase mit zunehmender
Betriebstemperatur zunächst
vergrößert, um sich
bei Überschreiten
einer vorgebbaren Grenztemperatur TGrenz mit
weiter zunehmender Betriebstemperatur wieder zu verkleinern, ist
eine gezielte Auswahl der beiden zur Ausbildung des Bimetalls verwendeten
Materialien bzw. Komponenten entscheidend bzw. zielführend. D.
h. die beiden Komponenten müssen
ein aufeinander abgestimmtes Ausdehnungsverhalten aufweisen, weshalb
bei der Definition des Ausdehnungsverhaltens der zweiten Komponente
auch Bezug genommen wird auf das Ausdehnungsverhalten der ersten
Komponente.
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Eine
der beiden Komponenten, die als zweite Komponente bezeichnet wird,
weist ein Ausdehnungsverhalten auf, welches in Bezug auf das Ausdehnungsverhalten
der ersten Komponente variiert. Das Ausdehnungsverhalten der zweiten
Komponente ändert
sich bei Überschreiten
einer vorgebbaren Grenztemperatur TGrenz und
zwar in der Art, daß diese zweite
Komponente im Vergleich zur ersten Komponente in einem ersten Temperaturbereich
ein vermindertes und in einem benachbarten Temperaturbereich ein
vergrößertes Ausdehnungsverhalten
aufweist.
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Ob
der erste Temperaturbereich die höheren Temperaturen zu umfassen
hat und der zweite Temperaturbereich die niedrigeren Temperaturen
oder umgekehrt, hängt
auch von der konstruktiven Ausgestaltung der in Rede stehenden Elektrode
ab, was auch die beiden folgenden bevorzugten Ausführungsformen
verdeutlichen.
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Vorteilhaft
sind Ausführungsformen
der Zündkerze,
bei denen
- – der
zweite Temperaturbereich sich hin zu höheren Temperaturen an den ersten
Temperaturbereich anschließt,
- – die
erste Komponente auf der dem Elektrodenabstand zugewandten Seite
angeordnet ist, und
- – die
zweite Komponente auf der dem Elektrodenabstand abgewandten Seite
angeordnet ist.
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Gemäß dieser
Ausführungsform
der Zündkerze
umfaßt
der erste Temperaturbereich die niedrigeren Temperaturen und der
zweite Temperaturbereich die höheren
Temperaturen.
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Folglich
weist bei dieser Ausführungsform die
zweite Komponente bei niedrigeren Temperaturen ein im Vergleich
zur ersten Komponente vermindertes Ausdehnungsverhalten auf, wohingegen
das Ausdehnungsverhalten bei höheren
Temperaturen vergrößert ist.
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Diesem
Ausdehnungsverhalten der zweiten Komponente entsprechend muß die zweite
Komponente auf der dem Elektrodenabstand abgewandten Seite und die
erste Komponente auf der dem Elektrodenabstand zugewandten Seite
angeordnet sein, damit sich der Elektrodenabstand ausgehend von
niedrigen Temperaturen mit zunehmender Betriebstemperatur zunächst vergrößert und
sich bei Überschreiten
einer vorgebbaren Grenztemperatur TGrenz mit weiter
zunehmender Betriebstemperatur wieder verkleinert.
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Die
beschriebenen Zusammenhänge
werden im Rahmen der Beschreibung der 4a und 4b deutlich
sichtbar und leicht verständlich.
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Vorteilhaft
sind auch Ausführungsformen
der Zündkerze,
bei denen
- – der
erste Temperaturbereich sich hin zu höheren Temperaturen an den zweiten
Temperaturbereich anschließt,
- – die
erste Komponente auf der dem Elektrodenabstand abgewandten Seite
angeordnet ist, und
- – die
zweite Komponente auf der dem Elektrodenabstand zugewandten Seite
angeordnet ist.
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Gemäß dieser
Ausführungsform
der Zündkerze
umfaßt
der erste Temperaturbereich die höheren Temperaturen und der
zweite Temperaturbereich die niedrigeren Temperaturen.
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Folglich
weist bei dieser Ausführungsform die
zweite Komponente bei höheren
Temperaturen ein im Vergleich zur ersten Komponente vermindertes
Ausdehnungsverhalten auf, wohingegen das Ausdehnungsverhalten bei
niedrigeren Temperaturen vergrößert ist.
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Diesem
Ausdehnungsverhalten der zweiten Komponente entsprechend muß die zweite
Komponente auf der dem Elektrodenabstand zugewandten Seite und die
erste Komponente auf der dem Elektrodenabstand abgewandten Seite
angeordnet sein, damit sich der Elektrodenabstand ausgehend von
niedrigen Temperaturen mit zunehmender Betriebstemperatur zunächst vergrößert und
sich bei Überschreiten
einer vorgebbaren Grenztemperatur TGrenz mit weiter
zunehmender Betriebstemperatur wieder verkleinert.
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Die
beschriebenen Zusammenhänge
werden im Rahmen der Beschreibung der 3a und 3b deutlich
sichtbar und leicht verständlich.
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Vorteilhaft
sind Ausführungsformen
der Zündkerze,
bei denen ein einzelnes Elektrodenpaar vorgesehen ist mit einer
zentral angeordneten Mittelelektrode und einer zur Ausbildung des Elektrodenabstandes
hakenförmig
ausgebildeten, diese Mittelelektrode überragenden Masseelektrode,
wobei die Masseelektrode zumindest teilweise in der Art eines Bimetalls
ausgebildet ist.
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Bei
dieser Ausführungsform
wird die Masseelektrode verwendet, um den Elektrodenabstand variabel
im Sinne der vorliegenden Erfindung zu gestalten. Wollte man den
veränderbaren
Elektrodenabstand mittels der Mittelelektrode realisieren, wäre ein Elektrodenmaterial
erforderlich, dessen Ausdehnungsverhalten sich bei Überschreiten
der Grenztemperatur TGRENZ umkehrt. Es wäre ein Elektrodenmaterial
erforderlich, daß sich
ausgehend von niedrigen Temperaturen mit zunehmender Betriebstemperatur
zunächst
ausdehnt und sich bei Überschreiten einer
vorgebbaren Grenztemperatur TGrenz mit weiter zunehmender
Betriebstemperatur wieder zusammenzieht.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand von zwei Ausführungsbeispielen
der Zündkerze
gemäß den 1 und 4b näher beschrieben.
Hierbei zeigt:
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1 schematisch
eine Zündkerze
nach dem Stand der Technik in der perspektivischen Darstellung,
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2a schematisch
eine erste Momentaufnahme eines Fragments einer ersten Ausführungsform
der Zündkerze
in der Seitenansicht,
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2b schematisch
eine zweite Momentaufnahme der in 2a dargestellten
ersten Ausführungsform
der Zündkerze
in der Seitenansicht,
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2c schematisch
eine dritte Momentaufnahme der in 2a dargestellten
ersten Ausführungsform
der Zündkerze
in der Seitenansicht,
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3a schematisch
ein erstes Ausführungsbeispiel
für den
konstruktiven Aufbau der Masseelektrode der in den 2a bis 2c dargestellten
Ausführungsform
der Zündkerze
in der Seitenansicht,
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3b schematisch
in einem Diagramm das unterschiedliche thermische Ausdehnungsverhalten der
verwendeten Komponenten A, B zur Ausbildung der in der 3a dargestellten
Masseelektrode,
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4a schematisch
ein zweites Ausführungsbeispiel
für den
konstruktiven Aufbau der Masseelektrode der in den 2a bis 2c dargestellten
Ausführungsform
der Zündkerze
in der Seitenansicht, und
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4b schematisch
in einem Diagramm das unterschiedliche thermische Ausdehnungsverhalten der
verwendeten Komponenten A, B zur Ausbildung der in der 4a dargestellten
Masseelektrode.
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1 zeigt
in der perspektivischen Darstellung eine Zündkerze
100 nach dem
Stand der Technik, wie sie beispielsweise in der
US 6,586,865 B1 beschrieben
wird. Die dargestellte Zündkerze
100 verfügt über ein
Elektrodenpaar, das zwei voneinander elektrisch isolierte und beabstandete
Elektroden
101,
103 aufweist.
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Eine
Elektrode 103 des Elektrodenpaares ist als zentral angeordnete
Mittelelektrode 104 ausgebildet. Der Isolator 106 umgibt
diese zentral angeordnete Mittelelektrode 104 und isoliert
die beiden Elektroden 101, 103 elektrisch voneinander.
Die andere Elektrode 101 dient als Masseelektrode 102 und
ist zur Ausbildung des Elektrodenabstandes 105 hakenförmig ausgebildet,
so daß die
Masselelektrode 102 die Mittelelektrode 104 überragt.
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Die
Masseelektrode 102 ist in der Art eines Bimetalls ausgebildet,
so daß sich
der Abstand 105 der Elektroden 101, 103 in
Abhängigkeit
von der vorliegenden Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine verändert. Dabei
vergrößert sich
der Abstand 105 zwischen der ersten Elektrode 101 und
der zweiten Elektrode 103 mit zunehmender Betriebstemperatur stetig.
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Die 2a, 2b und 2c zeigen
schematisch drei verschiedene Momentaufnahmen eines Fragments einer
ersten Ausführungsform
der Zündkerze 10 in
der Seitenansicht. Diese Figuren dienen insbesondere zur Beschreibung
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Die
Zündkerze 10 verfügt wie die
zuvor beschriebene Zündkerze,
die in 1 dargestellt ist, über ein Elektrodenpaar, das
aus einer hakenförmig ausgebildeten,
als Masseelektrode 12 dienenden ersten Elektrode 11 und
einer zentral angeordneten Mittelelektrode 14, der zweiten
Elektrode 13, aufgebaut ist. Der Isolator 16 umgibt
die zentral angeordnete Mittelelektrode 14 und isoliert
die beiden Elektroden 11, 13 elektrisch voneinander.
Zwischen den Enden der beiden Elektroden 11, 13 wird
ein Abstand 15 ausgebildet. In diesem Bereich bildet sich
bei Einleitung der Zündung
eine Funkenstrecke aus, wodurch die zur Entzündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches notwendige
Zündenergie
eingebracht wird.
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Die
Masseelektrode 12 ist an ihrem Ende – d. h. zumindest teilweise – in der
Art eines Bimetalls ausgebildet, das zwei Komponenten A, B umfaßt, deren
thermisches Ausdehnungsverhalten unterschiedlich ist, was anhand
von zwei Ausführungsbeispielen gemäß den 3a und 3b bzw. 4a und 4b noch
näher erläutert werden
wird.
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Diese
Ausgestaltung der Masseelektrode 12 führt dazu, daß die Masseelektrode 12 ihre
Gestalt bzw. Ausrichtung in Abhängigkeit
von der Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine ändert, wodurch sich
der Elektrodenabstand 15 vergrößert bzw. verkleinert.
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2a zeigt
in einer ersten Momentaufnahme die Zündkerze 10 während der
Warmlaufphase der Brennkraftmaschine nach einem Kaltstart. Der Elektrodenabstand 15 ist
vergleichsweise gering. Die Masseelektrode 12 ist an ihrem
Ende nach unten in Richtung Mittelelektrode 14 gebogen.
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Ausgehend
von dem geringen Elektrodenabstand 15 während der Warmlaufphase – siehe 2a – vergrößert sich
der Elektrodenabstand 15 mit zunehmender Betriebstemperatur,
wie aus 2b ersichtlich ist. Dabei entfernt
sich das Ende der Masseelektrode 12 von der Mittelelektrode 14 zunehmend,
wodurch sich der Elektrodenabstand 15 vergrößert. 2b zeigt
in einer zweiten Momentaufnahme die Zündkerze 10 während des
Teillastbetriebs der Brennkraftmaschine.
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Bei
Erreichen einer Grenztemperatur TGrenz kehrt
sich das beschriebene Szenario um d. h. das Ende der Masseelektrode 12 wandert
wieder in die Richtung der Mittelelektrode 14. Mit weiter
zunehmender Betriebstemperatur verkleinert sich daher der Elektrodenabstand 15 wieder,
wie 2c entnommen werden kann. 2c zeigt
in einer dritten Momentaufnahme die Zündkerze 10 während des Volllastbetriebs
der Brennkraftmaschine.
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3a zeigt
schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel
für den
konstruktiven Aufbau einer Masseelektrode 12, wie sie beispielsweise
bei einer Zündkerze
gemäß den 2a bis 2c Verwendung
finden kann.
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3b zeigt
schematisch in einem Diagramm das unterschiedliche thermische Ausdehnungsverhalten
der Komponenten A, B, die zur Ausbildung der in 3a dargestellten
Masseelektrode 12 verwendet wurden. Dabei ist auf der Abszisse
die Temperatur T und auf der Ordinate die absolute Ausdehnung Δs aufgetragen.
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Das
in 3a dargestellte Ende einer Masseelektrode 12 ist
aus zwei Schichten aufgebaut. Dabei liegt eine erste Schicht aus
der Komponente A auf einer zweiten Schicht aus der Komponente B,
wobei die erste Komponente A bzw. die erste Schicht auf der dem
Elektrodenabstand 15 bzw. der Mittelelektrode 14 abgewandten
Seite und die zweite Komponente B bzw. die zweite Schicht auf der
dem Elektrodenabstand 15 bzw. der Mittelelektrode 14 zugewandten
Seite angeordnet ist.
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Die
Komponente der ersten Schicht d. h. die erste Komponente A und die
Komponente der zweiten Schicht d. h. die zweite Komponente B haben
ein unterschiedliches thermisches Ausdehnungsverhalten, wie in 3b dargestellt.
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Die
zweite Komponente B weist bei höheren Temperaturen – in einem
ersten Temperaturbereich I – ein
im Vergleich zu der ersten Komponente A vermindertes Ausdehnungsverhalten
auf, wohingegen das Ausdehnungsverhalten bei niedrigeren Temperaturen – innerhalb
eines zweiten Temperaturbereichs II – vergrößert ist. Das Ausdehnungsverhalten
der zweiten Komponente B ändert
sich beim Übergang vom
ersten zum zweiten Temperaturbereich d. h. bei Überschreiten der Grenztemperatur
TGrenz. Die erste Komponente A hat ein lineares
Ausdehnungsverhalten, was nur beispielhaften Charakter hat und dem leichteren
Verständnis
des erfindungsgemäßen Verfahrens
dienen soll.
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Diesem
Ausdehnungsverhalten der beiden Komponenten A, B entsprechend muß die zweite Komponente
B auf der dem Elektrodenabstand 15 zugewandten Seite und
die erste Komponente A auf der dem Elektrodenabstand 15 abgewandten
Seite angeordnet sein, wie in 3a auch
dargestellt.
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4a zeigt
schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel
für den
konstruktiven Aufbau der Masseelektrode 12, wie sie beispielsweise
bei einer Zündkerze
gemäß den 2a bis 2c Verwendung
finden kann.
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4b zeigt
schematisch in einem Diagramm das unterschiedliche thermische Ausdehnungsverhalten
der verwendeten Komponenten A, B, die zur Ausbildung der in der 4a dargestellten Masseelektrode 12 verwendet
wurden. Wie in 3b ist dabei auf der Abszisse
die Temperatur T und auf der Ordinate die absolute Ausdehnung Δs aufgetragen.
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Das
in 4a dargestellte Ende einer Masseelektrode 12 ist – wie bei
dem Ausführungsbeispiel gemäß 3a – aus zwei
Schichten aufgebaut. Dabei liegt eine erste Schicht aus der Komponente
A auf einer zweiten Schicht aus der Komponente B. Die Anordnung
der beiden Schichten in Bezug auf den Elektrodenabstand 15 bzw.
in Bezug auf die Mittelelektrode 14 ist aber anderes als
bei dem in 3a dargestellten Ausführungsbeispiel.
Denn die erste Komponente A bzw. die erste Schicht ist auf der dem Elektrodenabstand 15 bzw.
der Mittelelektrode 14 zugewandten Seite und die zweite
Komponente B bzw. die zweite Schicht auf der dem Elektrodenabstand 15 bzw.
der Mittelelektrode 14 abgewandten Seite angeordnet.
-
Die
Komponente der ersten Schicht d.h. die erste Komponente A und die
Komponente der zweiten Schicht d. h. die zweite Komponente B haben
ein unterschiedliches thermisches Ausdehnungsverhalten, wie in 4b dargestellt.
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Die
zweite Komponente B weist bei höheren Temperaturen – in einem
zweiten Temperaturbereich II – ein
im Vergleich zu der ersten Komponente A vergrößertes Ausdehnungsverhalten
auf, wohingegen das Ausdehnungsverhalten bei niedrigeren Temperaturen – innerhalb
eines ersten Temperaturbereichs I – vermindert ist. Das Ausdehnungsverhalten
der zweiten Komponente B ändert
sich beim Übergang
vom ersten zum zweiten Temperaturbereich d. h. bei Überschreiten
der Grenztemperatur TGrenz. Die erste Komponente
A hat – zum
leichteren Verständnis – wiederum
ein lineares Ausdehnungsverhalten.
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Diesem
Ausdehnungsverhalten der beiden Komponenten A, B entsprechend muß die zweite Komponente
B auf der dem Elektrodenabstand 15 abgewandten Seite und
die erste Komponente A auf der dem Elektrodenabstand 15 zugewandten
Seite angeordnet sein, wie in 4a auch
dargestellt.
-
- 10
- Zündkerze
- 11
- erste
Elektrode
- 12
- Masseelektrode
- 13
- zweite
Elektrode
- 14
- Mittelelektrode
- 15
- Elektrodenabstand
- 16
- Isolator
- 100
- Zündkerze
- 101
- erste
Elektrode
- 102
- Masseelektrode
- 103
- zweite
Elektrode
- 104
- Mittelelektrode
- 105
- Elektrodenabstand
- 106
- Isolator
- A
- erste
Komponente
- B
- zweite
Komponente
- I
- erster
Temperaturbereich
- II
- zweiter
Temperaturbereich
- Δs
- Ausdehnung
- T
- Betriebstemperatur
der Brennkraftmaschine
- TGrenz
- Grenztemperatur
- λ
- Luftverhältnis