DE10131391A1 - Motorzündkerze für Kogenerationssystem - Google Patents
Motorzündkerze für KogenerationssystemInfo
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Abstract
Bei einer Zündkerze mit seitlicher Masseelektrode (40) werden die Abmessungen der Entladungselemente (32, 42) so optimiert, dass ein beim Entladen nutzloser Abschnitt reduziert wird, um den Entladungsverschleißwiderstand zu verbessern. Mit der Mittelelektrode (30) wird ein erstes Entladungselement (32) verschweißt, das hauptsächlich eine Ir-Legierung umfasst. Mit der Masseelektrode (40) wird ein zweites Entladungselement (42) verschweißt, das eine kreisförmige Ir-Metallplatte umfasst, wobei eine Seitenfläche (36) des ersten Entladungselements (32) einer Oberfläche (34) des zweiten Entladungselements (42) so gegenüberliegt, dass bei einer Breite D des ersten Entladungselements (32) >= 1,6 mm ein Funkenentladungsspalt G >= 0,2 mm gebildet wird. Außerdem gilt DOLLAR I1 A - D DOLLAR I2 (G + 0,5 mm), wobei A die Breite des zweiten Entladungselements (42) ist. Außerdem gilt D 5,0 mm. Die maximale Querschnittfläche des Schweißabschnitts (33) zwischen dem ersten Entladungselement (32) und der Mittelelektrode (30) ist 8 mm·2·. Dieser Schweißabschnitt (33) hat einen Abstand L zum zweiten Entladungselement (42) von L >= G.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Motorzündkerze für ein
Kogenerationssystem (Kogeneration: gleichzeitige Erzeugung
zweier nutzbarer Energiearten).
In einem Gasmotor eines Kogenerationssystems wird mit einer
Zündkerze Kraftstoff gezündet. Bei dieser Zündkerze ist die
auf die Elektrode wirkende Wärmebelastung größer als bei
einer Zündkerze für Kraftfahrzeugmotoren, da der Motor für
das Kogenerationssystem ununterbrochen laufen muss.
Die US-Patentschrift Nr. 5 369 328 offenbart eine
Kogenerationszündkerze mit sich gegenüberliegenden Masse
elektroden und einer zwischen den Masseelektroden
angeordneten Mittelelektrode. Die Mittelelektrode hat einen
prismenförmigen Befestigungsabschnitt, der in Draufsicht
viereckig ist und eine Platin-Rhodium-Legierung umfasst.
Der prismenförmige Befestigungsabschnitt wird von einem
stiftförmigen Teil der Mittelelektrode getragen, der in
eine Mittelöffnung im Befestigungsabschnitt ragt und mit
dem prismenförmigen Abschnitt an seiner Deckfläche
verschweißt oder damit weich- oder hartgelötet ist. Der
Schweißabschnitt, der sich durch Aufschmelzen der Platin-
Rhodium-Legierung und des Materials der Mittelelektrode
ergibt, unterliegt einer Beeinflussung durch die Wärme des
Verbrennungsgases und kann der Wärmebelastung nicht für
lange Zeit widerstehen, so dass es an diesem Abschnitt zu
einem deutlichen Verschleiß kommt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine
verbesserte Zündkerze zur Verfügung zu stellen.
Gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist eine
Zündkerze für einen Kogenerationsmotor vorgesehen, mit:
einem röhrenförmigen Gehäuse; einer in und von dem röhren förmigen Gehäuse getragenen stabförmigen Mittelelektrode mit einer elektrischen Isolierung dazwischen;
einem an einem Ende der Mittelelektrode angeordneten stabförmigen ersten Entladungselement, das eine Ir-Legierung umfasst und entlang einer Achse der Mittelelektrode aus einem Ende des röhrenförmigen Gehäuses vorragt;
einer Masseelektrode, die in Radialrichtung dieser Achse an dem angesprochenen Ende des röhrenförmigen Gehäuses angeordnet ist und von der eine Endfläche einer Seitenfläche des ersten Entladungselements gegenüberliegt;
und einem plattenförmigen zweiten Entladungselement, das an der angesprochenen Endfläche angeordnet ist und von dem eine Oberfläche der angesprochenen Seitenfläche gegenüberliegt, wobei an einem Spalt zwischen dem ersten und zweiten Entladungselement eine Funkenentladung erzeugt wird und unter der Annahme eines Spaltzwischenraums G, einer Breite D der angesprochenen Seitenfläche in Normalenrichtung einer die Radialrichtung und die angesprochene Achse einschließenden Ebene und einer Breite A der angesprochenen Oberfläche in der Normalenrichtung G größer oder gleich 0,2 mm und kleiner oder gleich 0,6 mm ist, D größer oder gleich 1,6 mm ist und |A-D| kleiner oder gleich der Summe aus 0,5 mm und G ist.
einem röhrenförmigen Gehäuse; einer in und von dem röhren förmigen Gehäuse getragenen stabförmigen Mittelelektrode mit einer elektrischen Isolierung dazwischen;
einem an einem Ende der Mittelelektrode angeordneten stabförmigen ersten Entladungselement, das eine Ir-Legierung umfasst und entlang einer Achse der Mittelelektrode aus einem Ende des röhrenförmigen Gehäuses vorragt;
einer Masseelektrode, die in Radialrichtung dieser Achse an dem angesprochenen Ende des röhrenförmigen Gehäuses angeordnet ist und von der eine Endfläche einer Seitenfläche des ersten Entladungselements gegenüberliegt;
und einem plattenförmigen zweiten Entladungselement, das an der angesprochenen Endfläche angeordnet ist und von dem eine Oberfläche der angesprochenen Seitenfläche gegenüberliegt, wobei an einem Spalt zwischen dem ersten und zweiten Entladungselement eine Funkenentladung erzeugt wird und unter der Annahme eines Spaltzwischenraums G, einer Breite D der angesprochenen Seitenfläche in Normalenrichtung einer die Radialrichtung und die angesprochene Achse einschließenden Ebene und einer Breite A der angesprochenen Oberfläche in der Normalenrichtung G größer oder gleich 0,2 mm und kleiner oder gleich 0,6 mm ist, D größer oder gleich 1,6 mm ist und |A-D| kleiner oder gleich der Summe aus 0,5 mm und G ist.
Gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung ist bei der
Zündkerze der ersten Ausgestaltung D kleiner oder gleich
5,0 mm.
Gemäß einer dritten Ausgestaltung der Erfindung weist die
Zündkerze der ersten Ausgestaltung einen Schweißabschnitt
zwischen dem angesprochenen Ende der Mittelelektrode und
dem ersten Entladungselement auf, wobei die maximale
Querschnittfläche des Schweißabschnitts in einer zu der
angesprochenen Achse senkrechten Ebene kleiner oder gleich
8 mm2 ist.
Gemäß einer vierten Ausgestaltung der Erfindung ist bei der
Zündkerze der ersten Ausgestaltung das angesprochene Ende
der Mittelelektrode mit einer Oberfläche des ersten
Entladungselements auf der Seite der Mittelelektrode
Verschweißt.
Gemäß einer fünften Ausgestaltung der Erfindung weist die
Zündkerze der ersten Ausgestaltung einen durch Laser
schweißen zustande gekommenen Schweißabschnitt zwischen dem
angesprochenen Ende der Mittelelektrode und dem ersten
Entladungselement auf, der nicht der angesprochenen
Oberfläche des zweiten Entladungselements gegenüberliegt,
so dass unter der Annahme eines kürzesten Abstands L
zwischen dem Schweißabschnitt und dem zweiten Entladungs
element L größer oder gleich G ist.
Gemäß einer sechsten Ausgestaltung der Erfindung ist bei
der Zündkerze der fünften Ausgestaltung L größer oder
gleich der Summe aus 0,2 mm und G.
Gemäß einer siebten Ausgestaltung der Erfindung umfassen
bei der Zündkerze der ersten Ausgestaltung das erste und
zweite Entladungselement Ir und zumindest einen der Stoffe
Rh, Pt, Ru, Pd und W.
Die Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit
den beigefügten Zeichnungen. Es zeigen:
Fig. 1 im Teilquerschnitt eine Seitenansicht einer
erfindungsgemäßen Seitenelektrodenzündkerze;
Fig. 2A im Querschnitt eine vergrößerte Seitenansicht eines
Funkenentladungsabschnitts;
Fig. 2B einen Schnitt entlang der Linie B-B in Fig. 2A;
Fig. 3A eine Draufsicht auf ein weiteres Beispiel für das
erste Entladungselement;
Fig. 3B eine Seitenschnittansicht entlang der Linie C-C in
Fig. 3A;
Fig. 4A und Fig. 4B Schnittansichten von Beispielen für das
erste und zweite Entladungselement;
Fig. 5 eine grafische Darstellung des Zusammenhangs
zwischen der Entladungsbreite T und dem Spalt G bei unter
schiedlicher Breite D;
Fig. 6 eine grafische Darstellung des Zusammenhangs
zwischen dem kürzesten Abstand L (mm) und dem Anteil (%)
ungewünschten Funkenflugs zu dem Schweißabschnitt; und
Fig. 7 A, Fig. 7B und Fig. 8A bis Fig. 8C Abwandlungen
dieses Ausführungsbeispiels.
In den Zeichnungen sind gleiche oder sich entsprechende
Elemente oder Teile mit gleichen Bezugszahlen versehen.
Im Folgenden wird ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel
einer Zündkerze beschrieben, die beispielsweise in einem
Motor für einen elektrischen Generator in einem
Kogenerationssystem Verwendung finden kann. Fig. 1 zeigt im
Teilquerschnitt eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen
Seitenelektrodenzündkerze 100. Seitenelektrodenzündkerzen
weisen eine Mittelelektrode 30 und eine auf der Seite der
Mittelelektrode 30 angeordnete Masseelektrode 40 auf, wobei
entlang ihrem im wesentlichen in senkrechter Richtung zur
Achse der Mittelelektrode 30 verlaufenden Spalt 50 eine
Funkenentladung stattfindet.
Fig. 2A zeigt im Querschnitt eine vergrößerte Seitenansicht
eines Funkenentladungsabschnitts und Fig. 2B einen Schnitt
entlang der Linie B-B in Fig. 2A.
Die Zündkerze 100 weist ein röhrenförmiges Metallgehäuse 10
mit einem Innenloch 36 darin und einen Gewindeabschnitt 11
zur Befestigung an einem (nicht gezeigten) Motorblock auf.
Das Gehäuse 10 trägt in seinem Innenloch 36 einen Isolator
20 aus einer Aluminiumoxidkeramik (Al2O3) oder dergleichen.
Eine Spitze 21 des Isolators liegt zu dem Raum an dem einen
Ende 12 des Gehäuses 10 hin frei.
Der Isolator 20 trägt die Mittelelektrode 30 in einem
Axialloch 22, so dass das Gehäuse 10 die Mittelelektrode 30
über eine Isolierung trägt. Eine Spitze 31 der Mittel
elektrode 30 liegt vor dem Schweißen zu dem Raum an dem
einem Ende 12 des Gehäuses 10 hin frei. Die Mittelelektrode
30 weist ein Innenmaterial und um das Innenmaterial herum
ein Außenmaterial auf. Das Innenmaterial umfasst ein
metallisches Material mit hervorragender Wärmeleit
fähigkeit, wie etwa Cu, und das Außenmaterial ein
metallisches Material mit hervorragender Wärmebeständigkeit
und hervorragender Korrosionsbeständigkeit, wie etwa eine
Legierung der Ni-Gruppe. Die Mittelelektrode 30 hat bei
diesem Ausführungsbeispiel eine Zylinderform.
An der Spitze 31 der Mittelelektrode 30 befindet sich ein
stabförmiges, eine Ir-Legierung umfassendes erstes
Entladungselement 32, dessen Achse AX mit der Achse der
Mittelelektrode 30 übereinstimmt. Das erste Entladungs
element 32 ragt entlang seiner Achse AX von der Mittel
elektrode 30 aus dem angesprochenen Ende 12 des Gehäuses 10
vor. Bei diesem Ausführungsbeispiel hat das erste
Entladungselement 32 eine Stabform (Zylinderform) mit
kreisförmiger Querschnittfläche und wird die Spitze 31 der
Mittelelektrode 30 mit einer Oberfläche des ersten
Entladungselements 32 auf der Seite der Mittelelektrode 30
mittels Laserschweißen verschweißt. Dadurch werden die
Materialien der Mittelelektrode 30 und des ersten
Entladungselements 32 in einem (Legierungs-) Schweiß
abschnitt 33 aufgeschmolzen, miteinander legiert und
gehärtet. Der Schweißabschnitt 33 liegt keiner Oberfläche
des nachstehend erwähnten zweiten Entladungselements 42
gegenüber.
An dem angesprochenen Ende 12 des Gehäuses 10 werden in
Radialrichtung RD der Achse AX zwei Masseelektroden 40
mittels Schweißen oder dergleichen an dem Gehäuse 10
angebracht. Diese Masseelektroden 40 enthalten eine Ni-
Legierung, eine Fe-Legierung oder dergleichen. Bei diesem
Ausführungsbeispiel hat die Masseelektrode 40 eine Pfeiler
form, deren Querschnitt rechteckig ist. Ein zu dem
angesprochenen Ende 12 des Gehäuses 10 entgegengesetztes
Ende (Endfläche) 41 der Masseelektrode 40 liegt der Seiten
fläche 35 des ersten Entladungselements 32 gegenüber. Die
Masseelektroden 40 sind bezogen auf die Kreisform des Endes
12 an entgegengesetzten Stellen angeordnet, so dass
zwischen diesen Masseelektroden 40 und dem ersten
Entladungselement 32 auf der Mittelelektrode 30 Funken
spalte 50 gebildet werden.
An dem angesprochenen Ende 41 der Masseelektrode 40
befindet sich ein plattenförmiges, eine Ir-Legierung
enthaltendes zweites Entladungselement 42, dessen Ober
fläche der angesprochenen Seitenfläche 35 des ersten
Entladungselements 32 gegenüberliegt. Bei diesem
Ausführungsbeispiel umfasst das zweite Entladungselement 42
eine kreisförmige Platte und wird mit der Endfläche 41 der
Masseelektrode 40 durch Laserschweißen verschweißt, wobei
der Schweißabschnitt 43 gebildet wird, indem die beiden
Materialien der Masseelektrode 40 und des zweiten
Entladungselements aufgeschmolzen, legiert und gehärtet
werden, so dass sich die Masseelektrode 40 mit dem zweiten
Entladungselement 42 verbindet.
Das erste und zweite Entladungselement 32 und 42 enthalten
jeweils hauptsächlich Ir und zusätzlich mindestens einen
der Stoffe Rh (Rhodium), Pt (Platin), Ru (Ruthenium), Pd
(Palladium) und W (Wolfram). Bei diesem Ausführungsbeispiel
enthalten das erste und das zweite Entladungselement 32 und
42 eine Ir-Legierung mit 90 Gew.-% Ir und 10 Gew.-% Rh
(nachstehend als Ir-10Rh-Legierung bezeichnet).
Bei der Seitenelektrodenzündkerze 100 dieses Ausführungs
beispiels sind die Abmessungen des ersten und zweiten
Entladungselements 32 und 42 und der Funkenentladungsspalte
50 wie folgt:
Wie in Fig. 2A und Fig. 2B gezeigt ist, wird angenommen,
dass der durch den Funkenspalt 50 gebildete Zwischenraum G
entspricht, die Breite der Seitenfläche, die der Oberfläche
des zweiten Entladungselements 42 (in Normalenrichtung ND
einer die Radialrichtung RD und die Achse AX
einschließenden Ebene PL1) gegenüberliegt, D entspricht und
die Breite der Oberfläche des zweiten Entladungselements
42, die dem ersten Entladungselement 32 in der Normalen
richtung ND gegenüberliegt, A entspricht. Bei diesem
Ausführungsbeispiel stimmt die Breite D mit dem Durchmesser
des ersten Entladungselements 32 und die Breite A mit dem
Durchmesser des zweiten Entladungselements 42 überein, das
die Form einer kreisförmigen Platte hat.
Der durch den Spalt gebildete Zwischenraum G ist größer
oder gleich 0,2 mm und kleiner oder gleich 0,6 mm. Die
Breite D ist größer oder gleich 1,6 mm und kleiner oder
gleich der Summe aus 0,5 mm und dem Absolutwert |A-D|.
Der Grund dafür, den durch den Spalt gebildeten
Zwischenraum G auf 0,2 mm ≦ G ≦ 0,6 mm einzustellen, ist
der, eine Fehlzündung zu vermeiden. Da die Kogenerations
zündkerze 100 eine hohe Entladungsspannung erfordert, ist
dieser Bereich notwendig, um das Erfordernis nach einem
stabilen Betrieb ohne Fehlzündung zu erfüllen.
D ≧ 1,6 mm ergibt sich aus Untersuchungsergebnissen der
Erfinder. Im Betrieb der Zündkerze 100 entwickeln sich
entlang des Spalts G, d. h. zwischen der Seitenfläche 35 des
ersten Entladungselements 32 und der Oberfläche 34 des
zweiten Entladungselements 42 Funken. Dadurch verschleißen
sowohl die Oberfläche 34 als auch die Seitenfläche 35 und
wird der Spalt G allmählich größer als der Anfangswert.
In der Praxis besteht beispielsweise dann Verschleiß
beständigkeit, wenn die Zündkerze 100 in einem unter
üblichen Bedingungen stattfindenden Versuch 2000 Stunden
lang ununterbrochen in Betrieb ist und für den Spalt G die
Differenz zwischen dem Anfangswert und dem Wert nach dem
Versuch kleiner oder gleich 0,3 mm ist. Mit anderen Worten
tritt eine Fehlzündung auf, wenn für den Spalt G die
Differenz zwischen dem Anfangswert und dem Wert nach dem
Versuch größer als 0,3 mm ist. Anhand dieses Verschleiß
beständigkeitsversuchs stellten die Erfinder fest, dass die
Breite D des ersten Entladungselements 32 mit D ≧ 1,6 mm
größer als der herkömmliche Wert sein muss, um den
Verschleiß auf der Seitenfläche 35 des ersten Entladungs
elements 32 zu unterdrücken und somit Fehlzündungen zu
verhindern.
Bei Kogenerationszündkerzen, deren Außendurchmesser an dem
Befestigungsgewindeabschnitt 11 des Gehäuses 10 im
Allgemeinen 14 bis 18 mm beträgt, sollte die Breite D des
ersten Entladungselements 32 allerdings auf weniger als
5,0 mm eingestellt werden. Dies liegt daran, dass die
Masseelektrode 40 nur schwer innerhalb des Außendurch
messers des Befestigungsgewindeabschnitts 11 untergebracht
werden kann, wenn die Breite D des ersten Entladungs
elements 32 größer als 5,0 mm ist.
Abgesehen davon werden für den Fall, dass die Spitze 31 der
Mittelelektrode 30 wie oben beschrieben mit dem ersten
Entladungselement 32 durch Laserschweißen verschweißt wird
und die maximale Querschnittfläche (Verbindungsfläche) des
Schweißabschnitts 33 in einer zu der Achse AX senkrechten
Ebene PL2 größer als 8 mm2 ist, die Wärmespannungen am
Schweißabschnitt so groß, dass Risse auftreten können.
Daher besteht die Möglichkeit, dass das erste Entladungs
element 32 von der Mittelelektrode 30 abgelöst wird. Um die
Verbindung zwischen der Spitze 31 der Mittelelektrode 30
und dem ersten Entladungselement 32 halten zu können, ist
es daher günstig, wenn 1,6 mm ≦ D ≦ 5,0 mm gilt und die
Maximalquerschnittfläche an dem Lötabschnitt 33 kleiner
oder gleich 8 mm2 ist.
Um die Verschleißbeständigkeit und die Verbindung zwischen
dem ersten Entladungselement 32 in der Mittelelektrode 30
weiter zu verbessern, sollten das erste Entladungselement
32 und die Mittelelektrode 30 wie in dem in Fig. 3A und
Fig. 3B gezeigten Beispiel ausgeführt sein. Fig. 3A zeigt
eine Draufsicht auf ein weiteres Beispiel für das erste
Entladungselement 32 und Fig. 3B eine Seitenschnittansicht
entlang der Linie C-C.
Wie in Fig. 3A und Fig. 3B gezeigt ist, führt die im zur
Achse AX senkrechten Querschnitt rechteckige Form des
ersten Entladungselektrodenelements 32 zu einer Breite D,
die innerhalb der Maximalgröße von 5,0 mm so groß wie
möglich ist. Dementsprechend wird die Lebensdauer der
Zündkerze 100 verbessert.
Andererseits ist der Durchmesser der Mittelelektrode 30
kleiner als die Breite D des ersten Entladungselements 32
und wurde die Mittelelektrode 30 mit der Oberfläche des
ersten Entladungselements 32 auf der Seite der Mittel
elektrode 30 über den Schweißabschnitt 33 durch Laser
schweißen verbunden, indem die beiden Materialien der
Mittelelektrode 30 des ersten Entladungselements 32
aufgeschmolzen und zu einer Legierung gemischt wurden.
Dementsprechend ist der Maximalquerschnitt S des
Legierungsabschnitts 33 in der zu der Achse AX senkrechten
Ebene PL2 kleiner als 8 mm2, so dass die Wärmespannungen an
dem Schweißabschnitt 33 gering sind und sich eine günstige
Verbindung ergibt.
Darüber hinaus stellten die Erfinder anhand einer
Untersuchung des Zusammenhangs zwischen den Abmessungen des
ersten und zweiten Entladungselements 32 und 42 und dem
Funkenentladungsbereich (Entladungsbreite T in Normalen
richtung ND auf der Oberfläche des zweiten Entladungs
elements 42) experimentell fest, dass der Absolutwert
|A-D| kleiner oder gleich der Summe aus 0,5 mm und dem
Spalt G sein sollte. Dieses Merkmal ist zwar nicht
wesentlich für die Erfindung, doch wird es anhand eines
Beispiels beschrieben.
In diesem Beispiel fand bei dem ersten und zweiten
Entladungselement 32 und 42 eine Ir-10Rh-Legierung
Verwendung, galt 1,6 mm ≦ D ≦ 2,4 mm und 0,2 mm ≦ G ≦
0,6 mm, und wurde für das zweite Entladungselement 42 wie
in Fig. 4A gezeigt eine Kreisplatte verwendet, deren Breite
(Durchmesser) A 4 mm betrug, was eher groß ist. Diese
Zündkerze 100 wurde in eine Kammer eingebaut, in der der
Druck auf 0,6 MPa erhöht wurde, und eine Funkenentladung
herbeigeführt.
Die Funkenentladung trat dann in dem sich radial von der
Seitenfläche des ersten Entladungselements 32 bis zur
Oberfläche des zweiten Entladungselements 42 erstreckenden
Bereich auf. Die Entladungsbreite T stellt an der Ober
fläche des zweiten Entladungselements 42 den Entladungs
bereich auf der Oberfläche dar.
Fig. 5 zeigt eine grafische Darstellung des Zusammenhangs
zwischen der Entladungsbreite T und dem Spalt G bei
unterschiedlicher Breite D. In der Zeichnung stellt ○ die
Änderung der Entladungsbreite T bei einer Breite D von 1,6
mm, ∆ die Änderung der Entladungsbreite T bei einer Breite
D von 2,0 mm und die Änderung der Entladungsbreite T bei
einer Breite D von 2,4 mm dar.
Wie in Fig. 5 gezeigt ist, besteht die Tendenz, dass die
Entladungsbreite T im Wesentlichen gleich der Summe aus der
Breite D des ersten Entladungselements 32 und dem von dem
Funkenspalt 50 gebildeten Abstand G ist. Das heißt, dass
die Beziehung T = D + G gilt. Wenn die Breite A des zweiten
Entladungselements 42 kleiner als (D + G) ist, kann demnach
die Fläche außerhalb der Entladungsbreite T, d. h. die
Fläche, die nicht zu der Funkenentladung beiträgt,
wegfallen. Um bei größerer Breite A die Lebensdauer zu
erhöhen, sollte die Breite A daher günstigerweise gleich
(D + G) sein.
Abgesehen davon, können das erste und zweite Entladungs
element 32 und 42 aufgrund von Schwankungen beim
Herstellungsverfahren aus ihrer korrekten Lage versetzt
sein. Wenn das zweite Entladungselement 42 beispielsweise
wie in Fig. 4B gezeigt von der Achse AX des ersten
Entladungselements 32 aus (in der Zeichnung nach oben)
versetzt ist, befindet sich nicht die gesamte Oberfläche
des zweiten Entladungselements 42 im Entladungsbereich T.
Obwohl die Breite A des zweiten Entladungselements 42
gleich (D + G) eingestellt wurde, liegt daher ein nutzloser
Abschnitt vor.
Die Versetzung liegt im Allgemeinen innerhalb von etwa
0,5 mm, so dass die Breite A des zweiten Entladungselements
42 kleiner oder gleich der Summe aus 0,5 mm und (D + G)
sein sollte. Es gilt daher der Zusammenhang A ≦ D + G +
0,5 mm (Zusammenhang 1). Indem die Breite A des zweiten
Entladungselements 42 innerhalb des durch den Zusammenhang
1 definierten Bereichs eingestellt wird, kann also der
nutzlose Abschnitt vermieden werden.
Im Gegensatz zu dem in Fig. 4A und Fig. 4B gezeigten Fall
kann die Breite A des zweiten Entladungselements 42 auch
kleiner als die Breite D des ersten Entladungselements 32
sein. In diesem Fall vergrößert sich der Entladungsbereich
T radial von der Oberfläche des zweiten Entladungselements
42 zu der Seitenfläche des ersten Entladungselements 32.
Die Erfinder untersuchten auch diesen Fall und gelangten so
zu dem Zusammenhang D ≦ A + G + 0,5 mm (Zusammenhang 2).
Aus den Zusammenhängen (1) und (2) ergibt sich der
Zusammenhang |A-D| ≦ G + 0,5 mm.
Wie vorstehend erwähnt ist, wurden bei diesem Ausführungs
beispiel die Abmessungen des ersten und zweiten Entladungs
elements 32 und 42 unter der Voraussetzung vergrößert, dass
0,2 mm ≦ G ≦ 0,6 mm und D ≧ 1,6 mm gilt. Die Zündkerze 100
ergibt als Zündkerze für ein Kogenerationssystem nach
derzeitigem Stand eine lange Lebensdauer (beispielsweise
ununterbrochener Betrieb von mehr als 2000 Stunden).
Für eine lange Lebensdauer wird zunächst die Breite D des
ersten Entladungselements 32 erhöht und dann die Breite A
des zweiten Entladungselements 42 so bestimmt, dass bei
langer Lebensdauer der nutzlose Abschnitt des ersten oder
zweiten Entladungselements 32 oder 42 im wesentlichen
vermieden werden kann.
Darüber hinaus wird die Spitze 31 der Mittelelektrode 30
bei diesem Ausführungsbeispiel mit dem ersten Entladungs
element 32 über den Schweißabschnitt 33 durch Laser
schweißen verbunden. Wie in Fig. 2A gezeigt ist, ist es in
diesem Fall vorzuziehen, dass unter der Annahme eines
kürzesten Abstands L zwischen dem Schweißabschnitt 33 und
dem zweiten Entladungselement 42 der kürzeste Abstand L
größer als der durch den Funkenentladungsspalt 50 gebildete
Zwischenraum G ist.
Die Erfinder fanden diesen Zusammenhang experimentell
anhand von Untersuchungen des Zusammenhangs zwischen dem
kürzesten Abstand L und ungewünschten Funkenentladungen zum
Schweißabschnitt 33.
Bei diesen Untersuchungen wurde für das erste und zweite
Entladungselement 32 und 42 eine Ir-1ORh-Legierung
verwendet. Die Breite D des ersten Entladungselements 32
betrug 2,0 mm und die Breite A des zweiten Entladungs
elements 42 2,0 mm. Unter diesen Voraussetzungen und einem
Zwischenraum G von 0,2, 0,4 und 0,6 mm wurde der kürzeste
Abstand L geändert. Die Zündkerze 100 wurde in eine Kammer
gesetzt, in der der Druck auf 0,6 MPa erhöht wurde, und
eine Funkenentladung herbeigeführt, um durch Beobachtung
des Funkenzustands den Anteil ungewünschten Funkenflugs zum
Schweißabschnitt 33 zu ermitteln.
Fig. 6 zeigt eine grafische Darstellung des Zusammenhangs
zwischen dem kürzesten Abstand L (mm) und dem Verhältnis
(%) der Anzahl ungewünschter Funken zum Schweißabschnitt 33
zur Gesamtfunkenzahl. Die Erfinder stellten fest, dass der
Verschleiß am Schweißabschnitt 33 auf ein in der Praxis
verwendbares Niveau unterdrückt werden kann, wenn der
Anteil ungewünschten Funkenflugs zum Schweißabschnitt 33
auf unter 20% gesteuert wird.
Das in Fig. 6 dargestellte Ergebnis zeigt, dass das
Verhältnis der Anzahl ungewünschter Funken zum Schweiß
abschnitt 33 auf unter 20% gedrückt werden kann, wenn der
kürzeste Abstand L bei einem von dem Spalt 50 gebildeten
Zwischenraum G von 0,2 mm (○) größer oder gleich 0,2 mm
ist. Des weiteren kann das Verhältnis auf unter 20%
gedrückt werden, wenn der kürzeste Abstand L bei einem
Spaltzwischenraum G von 0,4 mm (∆) größer oder gleich
0,4 mm ist, oder wenn der kürzeste Abstand L bei einem
Spaltzwischenraum G von 0,6 mm () größer oder gleich
0,6 mm ist. Das heißt, dass der Anteil ungewünschten
Funkenflugs zum Schweißabschnitt 33 auf weniger als 20%
gedrückt werden kann, wenn der kürzeste Abstand L größer
oder gleich dem Zwischenraum G des Funkenentladungsspalts
50 ist.
Außerdem ist anhand von Fig. 6 zu erkennen, dass sämtliche
Funken zwischen der Seitenfläche 35 des ersten Entladungs
elements 32 und der Oberfläche 34 des zweiten Entladungs
elements 42 auftreten, wenn der kürzeste Abstand L bei
einem Zwischenraum G von 0,2 mm größer oder gleich 0,3 mm
ist. Darüber hinaus treten sämtliche Funken zwischen der
Seitenfläche 35 des ersten Entladungselements 32 und der
Oberfläche 34 des zweiten Entladungselements 42 auf, wenn
der kürzeste Abstand L bei einem Zwischenraum G von 0,4 mm
größer oder gleich 0,6 mm ist, oder wenn der kürzeste
Abstand L bei einem Zwischenraum G von 0,6 mm größer oder
gleich 0,8 mm ist. Auf diese Weise kann Funkenflug zum
Schweißabschnitt 33 verhindert werden.
Bei L ≧ G und vorzugsweise L ≧ G + 0,2 (mm) kann
dementsprechend das Auftreten von Funken zwischen dem
Schweißabschnitt 33 und dem zweiten Entladungselement 42
unterdrückt werden, so dass der Verschleiß an dem Schweiß
abschnitt 33 verringert und für eine günstige Verbindung
der Mittelelektrode 30 zum ersten Entladungselement 32
gesorgt werden kann.
Wie vorstehend erwähnt ist, werden bei der Seiten
elektrodenzündkerze gemäß diesem Ausführungsbeispiel die
Abmessungen des ersten und zweiten Entladungselements 32
und 42 vergrößert, um für eine längere Lebensdauer zu
sorgen. Darüber hinaus werden die Abmessungen des ersten
und zweiten Entladungselements 32 und 42 optimiert. Auf
diese Weise kann ein nutzloser Abschnitt, der nicht zur
Funkenentladung beim ersten und zweiten Entladungselement
32 und 42 beiträgt, ausgeschlossen werden. Außerdem wird
für eine günstige Verbindung des ersten Entladungselements
32 mit der Mittelelektrode 30 gesorgt.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Zündkerze 100 sind zwei Masse
elektroden 40 vorgesehen. Allerdings ist die Anzahl der
Masseelektroden nicht darauf eingeschränkt. Das heißt, dass
die Zahl der Masseelektroden auch eine oder, wie in Fig. 7 A
gezeigt ist, drei betragen kann. Fig. 7B zeigt eine Zünd
kerze mit vier Masseelektroden.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Zündkerze 100 beschreibt der
Querschnitt des ersten Entladungselements 32 einen Kreis.
Allerdings ist die Querschnittform des ersten Entladungs
elements 32 nicht auf einen Kreis eingeschränkt, sofern das
erste Entladungselement ein Stab ist. Wie in Fig. 8A bis
Fig. 8C gezeigt ist, kann der Querschnitt des ersten
Entladungselements 32 im wesentlichen rechteckig (Fig. 8A)
oder auch dreieckförmig sein (Fig. 8B). Abgesehen davon
kann die Zahl der Masseelektroden, wie in Fig. 8C gezeigt
< ist, vier betragen, wobei die Masseelektroden jeweils einer
Seite des rechteckförmigen Querschnitts gegenüberliegen.
Darüber hinaus hat das zweite Entladungselement 42 bei der
in Fig. 1 gezeigten Zündkerze 100 die Form einer Kreis
platte. Allerdings kann das zweite Entladungselement 42
auch eine beliebige andere Form haben, solange es eine
Platte ist. So kann die Form beispielsweise ein Oval, eine
rechteckige Platte, oder eine dreieckförmige Platte sein.
Darüber hinaus reicht es aus, wenn die Spitze der Masse
elektrode der Seitenfläche des ersten Entladungselements
gegenüberliegt, wobei die Form der Masseelektrode nicht auf
die L-Form eingeschränkt ist. Des Weiteren kann die
Verbindung der Mittelelektrode 30 mit dem ersten
Entladungselement 32 und die Verbindung der Masseelektrode
40 mit dem zweiten Entladungselement 42 durch Plasma
schweißen zustande kommen.
Claims (7)
1. Zündkerze (100) für einen Kogenerationsmotor, mit:
einem röhrenförmigen Gehäuse (10);
einer in und von dem röhrenförmigen Gehäuse getragenen stabförmigen Mittelelektrode (30) mit einer elektrischen Isolierung (20) dazwischen;
einem an einem Ende (31) der Mittelelektrode (30) angeordneten stabförmigen ersten Entladungselement (32), das eine Ir-Legierung umfasst und entlang einer Achse (AX) der Mittelelektrode aus einem Ende (12) des röhrenförmigen Gehäuses (10) vorragt;
einer Masseelektrode (40), die in Radialrichtung (RD) dieser Achse (AX) an dem angesprochenen Ende (12) des röhrenförmigen Gehäuses (10) angeordnet ist und von der eine Endfläche (41) einer Seitenfläche (35) des ersten Entladungselements (32) gegenüberliegt; und
einem plattenförmigen zweiten Entladungselement (42), das an der angesprochenen Endfläche (41) angeordnet ist und von dem eine Oberfläche (34) der angesprochenen Seiten fläche (35) gegenüberliegt, wobei an einem Spalt (50) zwischen dem ersten und zweiten Entladungselement (32, 42) eine Funkenentladung erzeugt wird und unter der Annahme eines Spaltzwischenraums G, einer Breite D der angesprochenen Seitenfläche (35) in Normalenrichtung (ND) einer die Radialrichtung (RD) und die angesprochene Achse (AX) einschließenden Ebene (PL1) und einer Breite A der angesprochenen Oberfläche (34) in der Normalenrichtung (ND) G größer oder gleich 0,2 mm und kleiner oder gleich 0,6 mm ist, D größer oder gleich 1,6 mm ist und |A-D| kleiner oder gleich der Summe aus 0,5 mm und G ist.
einem röhrenförmigen Gehäuse (10);
einer in und von dem röhrenförmigen Gehäuse getragenen stabförmigen Mittelelektrode (30) mit einer elektrischen Isolierung (20) dazwischen;
einem an einem Ende (31) der Mittelelektrode (30) angeordneten stabförmigen ersten Entladungselement (32), das eine Ir-Legierung umfasst und entlang einer Achse (AX) der Mittelelektrode aus einem Ende (12) des röhrenförmigen Gehäuses (10) vorragt;
einer Masseelektrode (40), die in Radialrichtung (RD) dieser Achse (AX) an dem angesprochenen Ende (12) des röhrenförmigen Gehäuses (10) angeordnet ist und von der eine Endfläche (41) einer Seitenfläche (35) des ersten Entladungselements (32) gegenüberliegt; und
einem plattenförmigen zweiten Entladungselement (42), das an der angesprochenen Endfläche (41) angeordnet ist und von dem eine Oberfläche (34) der angesprochenen Seiten fläche (35) gegenüberliegt, wobei an einem Spalt (50) zwischen dem ersten und zweiten Entladungselement (32, 42) eine Funkenentladung erzeugt wird und unter der Annahme eines Spaltzwischenraums G, einer Breite D der angesprochenen Seitenfläche (35) in Normalenrichtung (ND) einer die Radialrichtung (RD) und die angesprochene Achse (AX) einschließenden Ebene (PL1) und einer Breite A der angesprochenen Oberfläche (34) in der Normalenrichtung (ND) G größer oder gleich 0,2 mm und kleiner oder gleich 0,6 mm ist, D größer oder gleich 1,6 mm ist und |A-D| kleiner oder gleich der Summe aus 0,5 mm und G ist.
2. Zündkerze nach Anspruch 1, bei der D kleiner oder
gleich 5,0 mm ist.
3. Zündkerze nach Anspruch 1, mit einem Schweißabschnitt
(33) zwischen dem angesprochenen Ende (31) der Mittel
elektrode (30) und dem ersten Entladungselement (32), wobei
die maximale Querschnittfläche des Schweißabschnitts in
einer zu der angesprochenen Achse (AX) senkrechten Ebene
(PL2) kleiner oder gleich 8 mm2 ist.
4. Zündkerze nach Anspruch 1, bei der das angesprochene
Ende (31) der Mittelelektrode (30) mit einer Oberfläche des
ersten Entladungselements (32) auf der Seite der
Mittelelektrode verschweißt ist.
5. Zündkerze nach Anspruch 1, mit einem durch
Laserschweißen zustande gekommenen Schweißabschnitt (33)
zwischen dem angesprochenen einen Ende (31) der Mittel
elektrode (30) und dem ersten Entladungselement (32), der
nicht der angesprochenen Oberfläche (34) des zweiten
Entladungselements (42) gegenüberliegt, so dass unter der
Annahme eines kürzesten Abstands L zwischen dem Schweiß
abschnitt (33) und dem zweiten Entladungselement (42) L
größer oder gleich G ist.
6. Zündkerze nach Anspruch 5. bei der L größer oder
gleich der Summe aus 0,2 mm und G ist.
7. Zündkerze nach Anspruch 1, bei der das erste und
zweite Entladungselement (32, 42) jeweils Ir und zumindest
einen der Stoffe Rh, Pt, Ru, Pd und W umfassen.
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