DE3935165A1 - Zuendkerze - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Zündkerze für Verbrennungsmotore, die eine erhöhte Energieeinspeisung in das Funkenplasma ermöglicht und die Zündeigenschaften verbessert.

Wesentliche Verbesserungen der Funktionseigenschaften elektrischer Zündanlagen für Verbrennungsmotore ergaben sich mit dem Einsatz elektronischer Bauelemente und dem Wegfall des mechanischen Unterbrechers. Durch diese Veränderungen konnte das Energie- und Leistungsangebot vergrößert werden. Die Zündspannungen wurden auf Werte bis etwa 35 kV angehoben, die Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten wurden erhöht und es konnten Funkenströme im Bereich von 100 mA erzeugt werden. Die neuen Zündanlagen besitzen ausgezeichnete Funktionseigenschaften unter allen Betriebsbedingungen, ein geringes Nebenschlußverhalten und eine hohe Konstanz des Zündzeitpunktes, da praktisch kein mechanischer Verschleiß vorhanden ist. Diese Zündanlagen bieten die Möglichkeit einer elektronischen, kennfeldoptimierten Zündzeitpunktsteuerung.

Obwohl die Innenwiderstände der Zündspule herabgesetzt werden konnten, treten durch die ungünstige elektrische Anpassung zum niederohmigen Funkenplasma erhöhte elektrische Verluste in Sekundärkreise auf.

Mit der Erhöhung des Funkenstromes I sinkt der Plasmawiderstand und die Brennspannung U am Zündfunken weiter ab, d. h., daß bei einer Steigerung des Energieangebotes E₁ (primär gespeicherte Energie) auf 100 bis 200 mJ die in das Plasma investierte Funkenenergie E_F kaum größer wird.

Die weitere Erhöhung der Funkenenergie

kann also nicht mit einer weiteren Erhöhung der Primärenergie E₁, des Funkenstromes I oder der Funkenbrenndauer t über den oberen Totpunkt hinaus gelöst werden.

Eine Verbesserung in der elektrischen Anpassung kann erreicht werden, wenn der Funkenspalt (Elektrodenabstand) vergrößert wird. In diesem Falle erhöht sich die Brennspannung nahezu linear mit der Vergrößerung der Elektrodenabstände. Weitere vorteilhafte Wirkungen sind die Vergrößerung des Plasmavolumens, die Verbesserung der Gemischzugänglichkeit und die Verringerung der Wärmeableitung vom Flammkern.

Die Vergrößerung des Funkenspaltes sind jedoch durch die Entstehung anderer Nachteile Grenzen gesetzt. So steigt z. B. mit der Vergrößerung des Funkenspaltes der Zündspannungsbedarf U_Z des Funkens deutlich an. Da eine bestimmte Zündspannungsreserve erforderlich ist und der Zündspalt sich sowieso durch den Elektrodenabbrand stetig vergrößert, kann bei einer neuen Zündkerze der Elektrodenabstand nicht zu groß gewählt werden. Ein weiterer Nachteil, der durch die Vergrößerung des Funkenspaltes entsteht, ist die Verkürzung der Funkenbrenndauer und damit verbunden die Verschlechterung der Entflammung.

Außer bei Systemen mit Zusatzkondensatoren im Sekundärkreis kann derzeit eine Verbesserung der Energieeinspeisung in den Funken durch die Erhöhung der Zündspannung nur unzureichend realisiert werden. Ein Mehrelektrodensystem nach der DE-OS 24 12 947, bei dem der Zündspannungsbedarf und die Schwankungen im Zündspannungsbedarf herabgesetzt werden, ermöglicht, daß die Elektrodenabstände vergrößert werden können. Solche Anordnungen beeinträchtigen jedoch die Gemischzugänglichkeit und die Selbstreinigungseigenschaften erheblich und führen insgesamt zu keinen verbesserten Entflammungseigenschaften. Im DD-WP 2 26 440 wird eine Elektrodenanordnung beschrieben, bei der sich eine erhöhte Brennspannung einstellt. Solche Anordnungen führen in recht kurzer Zeit zu einem zu großen Elektrodenabbrand und damit zu einer kürzeren Lebensdauer. Mit allgemein bekannten Gleitentladungsanordnungen lassen sich große Überschlagswege und Gleitfunkenlängen realisieren. Bei diesen Elektrodenanordnungen besteht jedoch ein enger thermischer Kontakt des Funkens zum Gleitwerkstoff, das Funkenplasma wird stark abgekühlt und in seinen Entflammungseigenschaften nachteilig beeinträchtigt.

Sehr interessante Lösungen zur Verbesserung der elektrischen Anpassung bieten Systeme, bei denen ein Hochspannungsimpuls den Funkendurchbruch einleitet und ein auf eine Mittelspannung von wenigen Kilovolt aufgeladener Kondensator sich direkt über den Funken entlädt und dabei das Plasma aufheizt.

Die Hoch- und Mittelspannungserzeugung und ihre gegenseitige Entkopplung, wie sie z. B. in der DE-PS 33 02 198 beschrieben wird, sind technisch sehr aufwendig und erfordern aufgrund der ständig anliegenden Spannung von über 1 Kilovolt zusätzliche Sicherheitsvorkehrungen. Außerdem werden diese Systeme, wahrscheinlich wegen des großen Abbrandes der Zündkerzenelektroden, vorrangig in Verbindung mit Plasmastrahlzündkerzen, wie z. B.: in der DE-PS 3 07 301 beschrieben, eingesetzt.

Umfangsreiche Grundlagenuntersuchungen und eine Vielzahl von Lösungsvarianten, z. B. die DE-AS 19 02 199, die DE-PS 20 24 667, die DE-OS 23 63 804, die DE-OS 35 44 726, das DD-WP 2 36 857 oder das DD-AP 2 45 702, liegen zur Durchbruchzündung vor.

Die induktiv in der Zündspule gespeicherte oder erzeugte Zündenergie wird im Sekundärkreis in einem Kondensator C zwischengespeichert, der seine Energie nahezu verlustfrei in den Funken investieren kann und dabei sehr stromstarke und heiße Funkenplasmen erzeugt.

Neben den sehr komplizierten und technisch aufwendigen Hochspannungsproblemen ergeben sich auch beim Motorbetrieb Nachteile. Wie z. B. die Absenkung des Zündspannungsangebotes und der Funkenbrenndauer bei Systemen mit Vorfunkenstrecken und damit verbunden die Verschlechterung der Entflammung inhomogener Gemische.

Für eine verbesserte Magergemischentflammung sind nicht nur die Funkenparameter ausschlaggebend. Dazu ist auch eine Elektrodengeometrie erforderlich, die eine geringe Wärmeableitung vom Funkenplasma, eine gute Gemischzugänglichkeit und eine stabile Flammkernausbildung ermöglicht. Hierzu gibt es insbesondere Vorschläge zu profilierten Elektroden mit Bohrungen, Schlitzen oder Nuten (z. B. GB-PS 21 64 091 und US-PS 42 88 714). Solche Anordnungen weisen aber einen sehr schnellen Abbrand an den Elektroden auf.

Bei bekannten und serienmäßig eingesetzten Zündkerzen treten in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Motors bei aufeinanderfolgenden Arbeitstakten Schwankungen im Zündspannungsbedarf, in der Brenndauer und der Energieeinspeisung in das Funkenplasma auf.

Diese Veränderungen der Funkeneigenschaften verstärken sich während der Nutzungsdauer infolge des Elektrodenabbrandes und führen zu Veränderungen der Entflammungseigenschaften und beeinträchtigen eine exakte elektronisch und mechanisch kennfeldoptimierte Zündzeitpunktsteuerung.

Die Forderungen zur verbesserten Anpassung und der Erzeugung von effektiven gleichbleibenden Funkenentladungen und einer Elektrodengeometrie mit guten Entflammungseigenschaften bei gleichzeitig langer Grenznutzungsdauer konnten bisher in ihrer Gesamtheit nicht befriedigend erfüllt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Leistungs- und Energieeinspeisung in den Zündfunken zu erhöhen, gute Entflammungsbedingungen auch bei abgemagerten Kraftstoff-Luft-Gemischen zu ermöglichen und betriebsbedingte Schwankungen der Entflammungseigenschaften der Zündkerze zu verringern.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Masseelektroden die Mittelektrode in einem Umfangbereich von mindestens 200 Grad umschließen, sich der Elektrodenabstand einer jeden Masseelektrode zur Mantelfläche der Mittelelektrode kontinuierlich verengt oder erweitert und sich dem Bereich des kleinsten Elektrodenabstandes einer Masseelektrode der Bereich des größten Abstandes der benachbarten Masseelektrode anschließt.

Vorteilhaft ist es, daß die Masseelektroden gerade, kreisförmig, elliptisch oder in beliebigem Bogen an der Mittelelektrode seitlich vorbeigeführt sind und die Elektrodenabstände einer jeden Masseelektrode, gemessen in radialer Richtung von der Mantelfläche der Mittelektrode aus 0,4 bis 4 mm, vorzugsweise 0,6 bis 3 mm betragen.

Vorteilhaft ist weiterhin, daß eine jede Masseelektrode in einem Umfangbereich von mindestens 25 Grad zur Mantelfläche der Mittelelektrode einen Abstand von kleiner 1,0 mm und in einem weiteren Umfangbereich von mindestens 25 Grad einen Abstand von größer 1,5 mm aufweist.

Durch die erfindungsgemäße Lösung werden verschiedene vorteilhafte Wirkungen erreicht.

Bei der angegebenen Elektrodengeometrie entsteht eine sehr inhomogene elektrische Feldverteilung mit Feldstärkenüberhöhungen an Spitzen, Kanten und Ecken sowie durch die sich ändernden Abstandswerte zwischen den Masseelektroden und der Mittelelektrode im Zündspalt.

Infolge dieses gekrümmten Feldverlaufes und der Ausbildung der Funken- oder Bogenentladung entlang der Äquipotentiallinien erfolgt eine Ausbeulung und Wegverlängerung des Zündfunkens und damit ein Ansteigen der Brennspannung.

Diese wird durch die starke Gemischverwirbelung, wie sie bei modernen Motoren vorhanden ist, zusätzlich verstärkt.

Ein schnelles Ausblasen des Funkens, wie es bei bekannten Dachelektrodenzündkerzen zu beobachten ist, wird bei der erfindungsgemäßen Lösung erschwert. Da die Masseelektroden die Mittelelektrode in einem großen Umfangsbereich umgeben, bewegt sich der Funke, bevor er abreißt und verlöscht, in ein Gebiet größeren Elektrodenabstandes, überbrückt einen längeren Weg und kann sogar von einer Masseelektrode zur anderen überspringen. Wird der Funke trotzdem ausgeblasen, so ergeben sich günstigere Bedingungen zum Wiederzünden.

Bei mehreren vorhandenen Zündspalten und Gebieten geringerer Verwirbelung ist die Wahrscheinlichkeit viel größer, daß zündwilliges Gemisch vorhanden ist und eine Wiederzündung erfolgt und die Schwankungen der Funkenparameter verringert werden. Da die im Brennraum erzeugte Gemischverwirbelung auch im Bereich der Zündkerze durch die Elektrodengeometrie nicht wesentlich behindert wird, werden gute thermische Eigenschaften der Zündkerze und eine gute Gemischzugänglichkeit zum Zündfunken gewährleistet. Auch eine teilweise geschützte Flammkernausbildung kann durch die erfindungsgemäße Elektrodenanordnung erreicht werden.

Die erfindungsgemäße Lösung soll an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.

Es zeigt

Fig. 1 eine Teildarstellung einer Zündkerze 3 Masseelektroden mit runden Querschnitt und elektrischem Feldverlauf F

Fig. 2 eine Teildarstellung einer Zündkerze 2 Masseelektroden mit rechteckigem Querschnitt

In der Fig. 1 ist eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße Zündkerze dargestellt. Der grundsätzliche Aufbau der Zündkerze entspricht den bekannten Serienzündkerzen.

Die Masseelektroden 4 werden leicht bogenförmig zur Mittelelektrode 3 geführt.

Damit ergeben sich im Bereich des Zündspaltes Z Abstände zwischen der Mantelfläche der Mittelelektrode 3 und jeder Masseelektrode 4, die gemessen in radialer Richtung von der Mittelelektrode 3 größer 0,6 und kleiner 3 mm sind. Aufgrund der leicht bogenförmigen Elektrodenführung befindet sich je nach Länge der Masseelektroden 4 dort, wo eine Masseelektrode 4 endet, der äußere, auf dem Gehäuse 1 aufgeschweißte Teil der benachbarten Masseelektrode 4. Dadurch kann die Mittelelektrode 3 sogar im gesamten Umfang, vergleichbar mit einem Ringsystem, von Teilen der Masseelektroden 4 im Zündspalt Z umgeben sein.

Die in der Aufgabe geforderte Verbesserung der Funktionseigenschaften wird bei der erfindungsgemäßen Ausführung im Vergleich zu bekannten Ringsystemanordnungen trotzdem erreicht.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung zündet der Zündfunke im allgemeinen an der Stelle der größten Feldstärke. Dies ist nun aufgrund der Feldverzerrung sowie der auftretenden Feldstärkeüberhöhungen nicht nur das punktförmige Gebiet des kleinsten Elektrodenabstandes, sondern ein größeres Gebiet gleicher Feldstärke. Der Funkenweg kann dabei bereits bogenförmig verlaufen.

Infolge der Gemischbewegung wandert der elektrische Bogen vom Bereich kleinen Elektrodenabstandes a in Bereiche eines größeren Elektrodenabstandes b, wobei sich die Funkenbrenndauer und die Brennspannung erhöhen. Durch die sich vergrößernden Elektrodenabstände wird die Wärmeableitung vom Zündfunken und die Flammkernausbildung verbessert. Die Abstände der Masseelektroden zueinander gewährleisten eine gute Gemischzugänglichkeit.

Natürlich ist jede Entladung bestrebt, an der Stelle der höchsten Feldstärke zu brennen. Auch beim Beblasen kehrt der elektrische Bogen an die Stelle der höchsten Feldstärke zurück. Der Elektrodenabstand ist im Abstandsbereich a bei dieser Querschnittsform am stärksten und somit auch die Zunahme des Elektrodenabstandes relativ groß. Bei diesem 3 Masseelektrodensystem ergibt sich jedoch ein guter Kompromiß zwischen verbesserten Entflammungseigenschaften und ausreichender Grenznutzungsdauer.

Fig. 2 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform einer Zündkerze mit nur zwei Masseelektroden 4.

Die Masseelektroden 4 besitzen einen rechteckigen Querschnitt. Sie werden auf der Stirnfläche des Gehäuses 1 so aufgeschweißt, daß ihre breitere Seite etwa parallel zu einer an das Gehäuse 1 angelegten Tangente verläuft.

Durch diese Anordnung können Masseelektroden 4 mit einem großen Querschnitt Verwendung finden. Die Masseelektroden 4 werden spiralförmig um ihre Längsachse verwunden und bogenförmig zur Mittelelektrode 3 geführt. Die breitere Fläche einer jeden Masseelektrode 4 ist dabei der Mittelelektrode 3 zugewandt. In diesem Beispiel wurde eine Ausführung mit vorgezogener Isolierkörperspitze 2 gewählt. Je nach Länge der Masseelektroden 4 ist es möglich, daß die Mittelelektrode 3 in einem Umfang bis von 360 Grad von den Masseelektroden 4 umschlossen wird. Zur Sicherung Z sind selbst dabei zwei Öffnungsschlitze zwischen den Masseelektroden vorhanden.

Durch die breiten, sich gegenüberstehenden Flächen wird eine Verringerung der Zunahme des Elektrodenabstandes im Zündspalt Z im Vergleich zu anderen bekannten Lösungen erreicht.

Wenn die Masseelektroden 4 die Mittelelektrode 3 überragen, entsteht ein Raum, der eine günstige geschützte Flammkernausbreitung gewährleistet. Darüber hinaus erfolgt eine Absenkung des Zündspannungsbedarfes. In vorteilhafter Weise wird durch die Ausbeulung und Wegverlängerung des gezündeten Funkens die Brennspannung erhöht, die mittlere Brenndauer des Zündfunkens verlängert und damit die in das Funkenplasma investierte Energie erhöht. Der Ablauf der Funkentladung wird gleichmäßiger. Weiterhin verringert sich durch den sich erweiternden Elektrodenabstand die Wärmeableitung vom Funken und vom Flammkern. Die Wärmeableitung kann zusätzlich verringert und die Entflammungsbedingungen können verbessert werden, wenn die Masseelektroden 4 mit rechteckigem Querschnitt mit Bohrungen, Nuten, Schlitzen, Rillen, Vertiefungen oder konischen Wölbungen versehen sind, welche der Mittelelektrode zugewandt sind. Bei der Anordnung von zwei Masseelektroden 4 werden dazu gute Selbstreinigungseffekte für die Isolierkörperspitze erreicht. Durch die Verringerung der Zunahme des Elektrodenabstandes können die Wartungsintervalle verlängert und die Grenznutzungsdauer wesentlich erhöht werden.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

1 Gehäuse
2 Isolierkörperspitze
3 Mittelelektrode
4 Masseelektrode
Z Zündspalt
F elektrische Feldlinien, schematisch
a Bereich kleinen Elektrodenabstandes
b Bereich großen Elektrodenabstandes

Claims (3)

1. Zündkerze mit einer Mittelektrode und mehreren Masseelektroden, dadurch gekennzeichnet, daß die Masseelektroden (4) die Mittelektrode (3) in einem Umfangsbereich von mindestens 200 Grad umschließen, sich der Elektrodenabstand einer jeden Masseelektrode (4) zur Mantelfläche der Mittelelektrode (3) kontinuierlich verengt oder erweitert und sich dem Bereich des kleinsten Elektrodenabstandes einer Masseelektrode (4) der Bereich des größten Abstandes der benachbarten Masselektrode (4) anschließt.

2. Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Masseelektrode (4) gerade, kreisförmig, elliptisch oder in beliebigem Bogen an der Mittelelektrode (3) seitlich vorbeigeführt sind und die Elektrodenabstände einer jeden Masseelektrode (4) zur Mittelelektrode (3), gemessen in radialer Richtung von der Mantelfläche der Mittelelektrode (3) aus 0,4 bis 4 mm, vorzugsweise 0,6 bis 3 mm betragen.

3. Zündkerze nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenabstände einer jeden Masseelektrode (4) zur Mittelelektrode (3) in einen Umfangsbereich von mindestens 25 Grad kleiner 1,0 mm und in einem Umfangsbereich von mindestens 25 Grad größer 1,5 mm sind.