[0001] Die Erfindung betrifft eine Zündkerze mit kombinierten Gleit- und Luftfunkenstrecken
nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1.
[0002] Eine derartige Zündkerze ist aus der DE-PS 3 544 176 bekannt. Bei dieser bekannten
Zündkerze erstreckt sich die Mittelelektrode geringfügig in die Entladungskammer,
die der Isolator dadurch bildet, daß er sich in kerzenaxialer Richtung über die Mittelelektrode
hinaus erstreckt, wobei der Isolator, jedenfalls im Endbereich der Mittelelektrode,
einen Spalt zu dieser einhält und auch die Masseelektrode, jedenfalls im Endbereich
des Isolators, einen Spalt zu diesem einhält.
[0003] Bei einer derartigen Anordnung ergeben sich ausgedehnte, sich über die gesamte Länge
der Entladungskammer erstreckende Funkenkanäle und wird bei einem hinreichend raschen
Spannungsanstieg an der Zündkerzenkapazität unabhängig vom Kompressionsdruck des
zu zündenden Gemisches viel Zündenergie im Gas umgesetzt und dabei eine praxisgerechte
lange Lebensdauer erreicht.
[0004] Die bekannte Zündkerze gemäß DE-PS 3 544 176 ist jedoch noch insofern nachteilig,
als beim Anlassen einer Brennkraftmaschine, in der eine derartige Zündkerze Verwendung
findet, ein hoher Spannungsbedarf von beispielsweise 30 kV besteht. Da weiterhin bei
der bekannten Zündkerze der Gleitzündfunke immer über den keramischen Isolator läuft,
was mit einem entsprechenden Verschleiß des Isolators verbunden ist, ist auch die
Lebensdauer der bekannten Zündkerze noch nicht optimal.
[0005] Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht daher darin, die Zündkerze nach
dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1 so auszubilden, daß sie einen relativ niedrigen
Spannungsbedarf bei gleichzeitig hoher Energieumsetzung im zündfähigen Kraftstoffluftgemisch
hat.
[0006] Mit der erfindungsgemäßen Zündkerze sollen vorzugsweise auch magere Gemische gezündet
werden können, und sollen aufgrund der Kerzengeometrie die Schadstoffemissionen in
den Abgasen einer Brennkraftmaschine so gering wie möglich gehalten werden.
[0007] Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Ausbildung gelöst, die im kennzeichnenden
Teil des Patentanspruchs 1 angegeben ist.
[0008] Bei der erfindungsgemäßen Zündkerze ist somit die Mittelelektrode so vorgezogen,
daß sie im Endabschnitt Kerzenkörpers endet, so daß sich im vorderen Bereich der Zündkerze
eine Luftfunkenstrecke bildet, und gleichzeitig die Entladungskammer eine Vorkammer
bildet, die Gleitfunkenentladungen zuläßt. Bei der erfindungsgemäßen Ausbildung werden
somit die Vorteile einer Vorkammerkerze genutzt. Die erfindungsgemäße Zündkerze hat
darüberhinaus eine lange Lebensdauer.
[0009] Das heißt im einzelnen, daß die Entladungsform vom Lastzustand der Maschine bestimmt
wird, wobei die dynamischen Druckverhältnisse der Verdichtung und der Gemischverwirbelung
die Entladungsform bestimmen. Das bedeutet in der Praxis, daß bei einem Betrieb der
Maschine in Abhängigkeit von den Druckverhältnissen entweder Luftfunken- oder Gleitfunkenentladungen
oder teilweise Luftfunken- und teilweise Gleitfunkenentladungen auftreten. Dabei
ist festzustellen, daß sich eine Luftfunkenentladung bei niedrigem Verdichtungsdruck
ausbildet und daß bei hohem Verdichtungsdruck die Funkenentladung auf der vorgesehenen
Gleitfunkenstrecke vorherrscht.
[0010] Diese Entladungsformen bewirken im einzelnen, daß bei einer Luftfunkenentladung zum
einen das Gemisch im Hauptverbrennungsraum, d.h. im Maschinenzylinder entflammt wird,
und zum anderen gleichzeitig das zündfähige Gemisch in der Vorkammer gezündet wird.
Die chemische Energie von der Vorkammer wird zusätzlich in den Hauptverbrennungsraum
durch Expansionskräfte übertragen. Diese zusätzliche chemische Energie bewirkt eine
zusätzliche Entflammung und sorgt somit für eine sichere Durchbrennung des Gemisches.
Bei der Arbeit der Zündkerze als Gleitfunkenkerze wird das zündfähige Gemisch in der
Vorkammer gezündet. Da der gleitfunke die gesamte Vorkammer durcheilt, haben eventuelle
Altgaskerne nahezu keine negativen Auswirkungen, so daß das stellenweise zündfähige
Gemisch in der Vorkammer entflammt wird und mit dem entstehenden Überdruck das gezündete
Vorkammergemisch in den Hauptverbrennungsraum gedrückt wird.
[0011] Durch die Kombination der Luftfunken- und Gleitfunkenstrecken wird insgesamt eine
hohe Lebensdauer erzielt, da die Abbrandflächen an der Mittelelektrode bzw. Masseelektrode
und der Gleitfunkenstrecke sehr groß sind. Mit steigendem Druck wandert dann der Fußpunkt
der Funken auf der ganzen freien Elektrodenlänge immer tiefer in die Entladungskammer
herein. Die keramischen Gleitfunkenstrecken, d.h. die Gleitfunkenstrecken auf dem
keramischen Isolator sind dabei durch die ringförmige Masseelektrode geschützt, die
den Isolator von außen nach innen um das Isolatorende herum umgreift.
[0012] Besonders bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Zündkerze
sind Gegenstand der Patentansprüche 2 bis 6.
[0013] Im folgenden wird anhand der zugehörigen Zeichnung ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen
Fig. 1 eine Axialschnittansicht des Ausführungsbeipiels der erfindungsgemäßen Zündkerze,
Fig. 2 in einem Diagramm den Zündspannungsbedarf in Abhängigkeit vom Kompressionsdruck
bei dem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Zündkerze und
Fig. 3 in einer Schnittansicht des zündfunkenseitigen Endes des Ausführungsbeispiels
der erfindungsgemäßen Zündkerze die Ausbildung der Zündfunken.
[0014] Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Zündkerze umfaßt
im wesentlichen einen metallischen Zündkerzenkörper 1 mit einem Schraubgewinde, einen
keramischen Isolator 2, eine Mittelelektrode 3 und eine ringförmige Masseelektrode
4. Der Isolator 2 wird von dem Zündkerzenkörper 1 zusammen mit der ringförmigen Masseelektrode
4 umgeben.
[0015] Im vorderen, d.h. im zündfunkenseitigen Bereich des Isolators 2, ist eine Vorkammer
oder Entladungskammer 5 in Form eines Versenkes vorgesehen, die vorzugsweise im Axialschnitt
V-förmig mit sich zum Isolatorende erweiterndem Querschnitt ausgebildet ist. Die Masseelektrode
4 umgreift ringförmig von außen nach innen den Isolator 2 am Isolatorende. Die Masseelektrode
ist an dem sich in die Entladungskam mer erstreckenden Ende ihres den Isolator umgreifenden
Ansatzes abgerundet ausgebildet, um elektrische Feldverzerrungen zu vermeiden, damit
der Funke zum einen bei Gleitentladungen nicht vorzeitig von der Gleitfunkenstrecke
abhebt und zum anderen bei Luftfunkenentladungen sich der Funke möglichst weit vorne
in Richtung Hauptverbrennungsraum aufbildet, wie es mehr im einzelnen später anhand
von Fig. 3 beschrieben wird.
[0016] Die Mittelelektrode 3 ist in herkömmlicher Technik im Isolator 2 druckdicht, beispielsweise
durch Glaseinschmelzung usw. eingebracht. Als Elektrodenmaterial der Mittelelektrode
3 können bekannte Werkstoffe wie Silber, Nickellegierungen, Platinverbundwerkstoffe
oder leitende oder halbleitende Keramiken Verwendung finden. Es können auch Zweistoffelektroden
vorgesehen sein.
[0017] Die Masseelektrode 4 ist so ausgebildet, daß sie gleichzeitig als Dichtung zwischen
dem Zündkerzenkörper 1 und dem Isolator 2 wirkt.
[0018] Wie es in Fig. 1 dargestellt ist, erstreckt sich die Mittelelektrode 3 axial durch
die Vorkammer oder Entladungskammer 5 hindurch bis zum Endabschnitt des Zündkerzenkörpers
1, an dem die Masseelektrode 4 vorgesehen ist.
[0019] Die in Fig. 1 dargestellte Zündkerze hat einen Wärmewert, der in Richtung sehr kalter
Kerzen geht. Diese Zündkerze kann in Verbindung mit einer Zündung mit sehr steilem
Spannungsanstieg von beispielsweise 3 kV pro ns bei allen Brennkraftmaschinen eingesetzt
werden, da sie sehr kalt ist und ein Nebenschluß keine Rolle spielt. Sie stellt daher
eine universelle Einheitszündkerze da, bei der ein Nebenschluß bis unter einem kOhm
möglich und zulässig ist.
[0020] In Fig. 2 ist die Charakteristik des Zündspannungsbedarfs bei einem Ausführungsbeispiel
der erfindundsgemäßen Zündzerze dargestellt. Fig. 2 zeigt somit die Abhängigkeit der
Zündspannung vom Kompressionsdruck.
[0021] Wie es in Fig. 2 dargestellt ist, steigt der Spannungsbedarf der Zündkerze nicht
proportional mit dem Kompressionsdruck an, sondern wird der Zündspannungsbedarf bei
erhöhtem Kompressionsdruck durch die Gleitfunkenentladung beeinflußt. Da Gleitfunken
nahezu druckunabhängig sind, steigt der Zündspannungsbedarf nicht linear weiter an,
sondern bleibt der Zündspannungsbedarf nahezu konstant. Das bedeutet, daß trotz großer
Entladungsschlagweiten der Funken ein relativ niedriger Spannungsbedarf von beispielsweise
weniger als 25 kV erzielt wird.
[0022] Fig. 3 zeigt im einzelnen die Ausbildung der Funken am vorderen Endabschnitt des
Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Zündkerze. Dabei ist die Funkenbildung
entsprechend den herrschenden Kompressions- und Verdichtungsdrücken der Maschine
dargestellt.
[0023] Bei niedrigen Drücken bildet sich der Zündfunke im vorderen Bereich an der Luftfunkenstrecke
6 aus. Mit steigendem Druck bildet sich der Funke als Luft- und Gleitfunke 7 aus,
wobei bei hohem Druck die Entladung in eine reine Gleitfunkenentladung 8 übergeht.
Der gesamte Bereich der Mittelelektrode 3, der in die Vorkammer 5 ragt, wird als Abbrandfläche
genützt. Dadurh ist eine sehr hohe Lebensdauer der Zündkerze zu erwarten.
[0024] Wenn die Zündkerze mit einem Zündsystem mit sehr steilem Spannungsanstieg von beispielsweise
3 kV pro ns und einer potentiellen Energie von ≧ 30 mJ betreiben wird, dann bilden
sich in allen Lastzuständen mehrere Funkenkanäle aus, da ein Plasmakanal die großen
Ströme alleine nicht tragen kann.
[0025] Die konstruktive Auslegung der Schlagweite der Luftfunkenausbildung (Elektrodenabstand)
und die Auslegung der Gleitfunkenstrecke im Isolator müssen entsprechend der Motorverdichtung
vorgenommen werden. Realistische Werte für Ottomotoren dürften bei einer Luftfunkenstrecke
von 2,0 bis 2,5 mm und einer Gleitfunkenstrecke von etwa 5 mm liegen.
[0026] Es ergibt sich somit die in Fig. 2 dargestellte spezielle Charakteristik der Ansprechspannung
mit einem Abregeleffekt des Spannungsbedarfes bei hohen Drücken, wobei je nach Druck
teils Luft-, teils Gleitfunkenentladungen möglich sind, und der Funken drukabhängig
an verschiedenen Punkten der Mittelelektrodenmantelfläche beginnt und zu optimalen
Abbrandverhältnissen führt. Die Luft- und Gleitfunkenstrecken sind so ausgelegt,
daß die Funkenentladung entsprechend den Motordruckverhältnissen mit gleitenden Übergangszonen
entweder an der Luftfunkenstrecke oder an der Gleitfunkenstrecke stattfindet. Dabei
dient die Vorkammer oder Entladungskammer als Gleitfunkenstrecke und bildet sich die
Luftfunkenstrecke zwischen der Mittelelektrode und der ringförmigen Massenelektrode
aus.
[0027] Messungen der Ansprechspannung oder des Spannungsbedarfes haben insbesondere ergeben,
daß gegenüber Serienzündkerzen bei gleichem Elektrodenabstand eine geringere Ansprechspannung
festzustellen war. Dabei ist die Anordnung der Elektroden, d.h. die elektrische Feldverteilung,
bei den Elektroden ausschlaggebend. Trotz eines Elektrodenabstandes von 2,0 mm lag
die Ansprechspannung beim Maschinenbetrieb bei max.
25 kV, wobei sich bei hohen Verdichtungsdrücken ein gewisser Regeleffekt zeigte. Ist
die Ansprechspannung an der Luftfunkenstrecke zu hoch, beginnt der Funken zu gleiten,
wobei die Gleitfunkenentladungen nahezu druckunabhängig sind. Somit kann der Zündspannungsbedarf
der Zündkerze auch bei hohem Druck durch konstruktive Maßnahmen auf gewünschte Werte
ausgelegt werden. Dabei ist zu beachten, daß sich die Funkenentladung bei niedrigem
Druck an der Luftfunkenstrecke ausbildet und bei steigendem Druck der Funke in eine
Gleitfunkenentladung übergeht, und zwar in der in Fig. 2 dargestellten Weise mit einem
gleitenden Übergang vom Funken bei niedrigem Druck, bei mittlerem Druck und bei hohem
Druck. Die Entladungsform wird somit von den Druckverhältnissen in der Maschine bestimmt,
so daß als Abbrandfläche ein sehr großer Bereich der Mittelelektrode wirksam und folglich
eine große Lebensdauer zu erwarten ist.
[0028] Die beschriebene Zündkerze ist geeignet, magere Gemische zu zünden, führt zu einem
geringeren Schadstoffgehalt im Abgas, hat eine hohe Lebensdauer und zeigt bei großem
Elektrodenabstand von beispielsweise 2 mm nur einen relativ geringen Spannungsbedarf
von beispielsweise 25 kV, wobei gleichzeitig viel Energie im Kraftstoffluftgemisch
umgesetzt wird.
1. Zündkerze mit kombinierten Gleit- und Luftfunkenstrecken, wobei eine Mittelelektrode,
ein die Mittelelektrode umgebender Isolator und eine zusammen mit einem Zündkerzenkörper
den Isolator umgebende Massenelektrode vorgesehen sind, der Isolator im Endabschnitt
einen Abstand von der Mittelelektrode hält und eine Entladungskammer bildet, in die
sich die Mittelelektrode erstreckt, und die Masseelektrode den Isolator um dessen
ende herum mit einem sich in die Entladungskammer erstreckenden Ansatz umgreift, dadurch
gekennzeichnet, daß sich die Mittelelektrode (3) axial durch die Entladungskammer (5) hindurch bis
zum Endabshcnitt des Zündkerzenkörpers (1) erstreckt.
2. Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladungskammer (5) im Axialschnitt V-förmig mit sich zum Isolatorende
erweiterndem Querschnitt ausgebildet ist.
3. Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladungskammer (5) im Isolatorende ausgebildet ist und die elektrisch
isolierende Keramik des Isolators (2) eine Gleitfunkenstrecke bildet.
4. Zündkerze nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Masseelektrode (4) an dem sich in die Entladungskammer (5) erstreckenden
Ende ihres Ansatzes abgerundet ausgebildet ist.
5. Zündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelelektrode (3) aus einem leitenden oder halbleitenden keramischen Material
besteht.
6. Zündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelelektrode (3) niederohmig mit einem Zündstift verbunden ist.