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Diese
Erfindung befasst sich mit einer Zündkerze zur Verwendung bei
der Bereitstellung eines Zündfunkens,
um den Brennstoff eines Verbrennungsmotors zu zünden.
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Eine
typische konventionelle Zündkerze
umfasst eine elektrisch isolierende Hülse, welche sich entlang einer
Zentralachse einer Kerze erstreckt. Derartige Hülsen werden aus keramischem
Material, für
gewöhnlich
Aluminiumoxid, hergestellt. Die Kerze umfasst auch eine erste Elektrode,
die innerhalb der Hülse
angebracht ist, und eine Spitze aufweist, welche sich über die
Hülse hinaus
erstreckt. Die Elektrode erstreckt sich zentral innerhalb der Hülse und
ist elektrisch mit einem Terminal verbunden, der aus dem anderen
Ende der Hülse
herausragt. Die Verbindung zwischen dem Terminal und der ersten
Elektrode beinhaltet einen Widerstandskörper, welcher ebenfalls in
der Hülse
enthalten ist, der dazu dient, die Stromspitze zu steuern. Bei dem
Betrieb der Kerze wird eine Hochspannungszuführung auf den Terminal angewandt,
so dass auf die erste Elektrode eine Hochspannung angewandt werden
kann. Die Kerze umfasst auch eine elektrisch leitfähige Hülse, welche
derartige Hülsen
umgibt. Die Hülse
ist normalerweise durch ein Schraubgewinde in dem Motorkopf fixiert,
so dass die Spitze der ersten Elektrode in die Verbrennungskammer
eines Motorzylinders ragt. Die Kerze umfasst auch eine zweite Elektrode,
die auf die Hülse
aufgebracht ist, normalerweise durch Schweißen, und mit der Hülse elektrisch
verbunden ist. Die zweite Elektrode weist eine Spitze auf, welche innerhalb
der Verbrennungskammer in entgegen gesetzter Beziehung zu der Spitze
der ersten Elektrode angeordnet ist.
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In
der oben beschriebenen typischen konventionellen Zündkerze
weisen die Spitzen der Elektroden jeweils eine Funkenfläche auf,
die zu der Funkenfläche
der anderen Elektrode zeigt, so dass die Funkenflächen der
zwei Elektroden einen Elektrodenabstand der Kerze festlegen. Wenn
auf die erste Elektrode eine Hochspannung angewandt wird, springt
ein Funke über
den Elektrodenabstand und geht durch die zweite Elektrode zum Boden,
der Hülse
und dem Motorkopf. Wenn er den Abstand überspringt, zündet der
Funke Brennstoff in der Verbrennungskammer. Die Funkenfläche der
ersten Elektrode ist angeordnet, um sich in einer Ebene zu erstrecken,
welche normalerweise zu der Zentralachse der Kerze gehört, und
die Funkenfläche
der zweiten Elektrode erstreckt sich parallel zu der Funkenfläche der
ersten Elektrode, so dass der Elektrodenabstand eine konstante Weite
entlang seiner Länge
aufweist,.
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Es
wurde früher
vorgeschlagen, dass die Funkenflächen
der ersten und zweiten Elektroden im gleichen Winkel relativ zu
der Ebene, welche sich normalerweise aus der Zentralachse der Kerze
erstreckt, geneigt sind. Dies erhöht den Flächenbereich der Funkenflächen, wodurch
die Auswirkungen von Beanspruchung und Ablagerungsaufbau reduziert werden.
Es wurde auch vorgeschlagen (siehe
GB 2189545 ),
dass die Funkenflächen
derart gefertigt werden sollten, dass sie Schienen mit geneigten
Seitenflächen
gleichen, welche neigbar weg von den Funkenflächen sind, und dass die Funkenflächen der zweiten
Elektrode relativ zu der zuvor erwähnten Ebene geneigt sein sollten,
so dass der Elektrodenabstand in der Weite mit dem schmalsten Punkt,
der am Nächsten
zu der Verbindung zwischen der Hülse und
der zweiten Elektrode liegt, variiert. Hierdurch sollte der Funke
dazu gebracht werden, an dem schmalsten Punkt initiiert zu werden
und entlang des Abstands in der Richtung fortzuschreiten, in der
sich dieser weitet.
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In
der oben beschriebenen konventionellen Zündkerze, kann die Kerze den
Abstand an jedem Pnnkt entlang der Länge oder über die Breite des Abstands
kreuzen mit dem Ergebnis, dass der Funke in einigen Fällen in
einem gewissen Ausmaß „maskiert" ist von dem Brennstoffgemisch
durch die Verbindung zwischen der zweiten Elektrode und der Hülse, wodurch
die Funktionssicherheit der Zündung
verringert wird. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diesen
Nachteil zu überwinden.
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US 2001015602 offenbart,
dass eine Zündkerze
gemäß der Einleitung
von Anspruch 1, bei welcher eine Edelmetall-Spitze einer Erdungselektrode geneigt
angeordnet sein kann in Bezug auf eine Edelmetall-Spitze einer zentralen
Elektrode mit einem Winkel alpha, so dass ein Entladungsabstand
an der dem einen Ende der Erdungselektrode näheren Seite schmaler und an
der gegenüberliegenden,
dem anderen Ende der Erdungselektrode näheren Seite weiter ist. Wenn
sich der Entladungsabstand aufgrund des Verbrauchtseins der Edelmetall-Spitzen der Elektroden
in einem gewissen Ausmaß ausweitet, wird
die Abstandsanpassung durchgeführt,
um die Edelmetall-Spitze der Erdungselektrode in Richtung der Edelmetall-Spitze der zentralen
Elektrode absinken oder sich nähern
zu lassen, um den Winkel alpha zu verringern. Somit kann der Entladungsabstand
auf einen adäquaten
Wert eingestellt werden.
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Folglich
stellt die Erfindung eine Zündkerze, wie
in den beigefügten
Ansprüchen
beschrieben, dar.
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In
einer Zündkerze
gemäß der Erfindung
ist der Funke an dem am weitesten entfernten Punkt von der Verbindung
zwischen der zweiten Elektrode und dem Mantel gebildet. Dies ist
der optimale Punkt für betriebssichere
Zündung.
Obwohl dies auch die Elektroden- Beanspruchung
auf diesem Punkt beansprucht, bringt der Konus des Eletrkodenabstands den
Funken dazu, sich näher
an dem Verbindungspunkt der zweiten Elektrode und dem Mantel auszubilden,
die ausgeweitete bzw. erhöhte „Maskierung" des Funken wird
jedoch durch die erhöhte
Länge des Funkens
ausgeglichen, so dass die Zündungsleistung
in ihrer Kontinuität
verbessert wird. Somit verbessert eine Kerze gemäß der Erfindung die Leistung der
Kerze während
ihres ganzen Lebens. Die Vorteile eines erhöhten Funkenflächen-Bereichs
werden auch während
der Neigung der Elektroden beibehalten.
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Vorzugsweise
beträgt
in einer Zündkerze
gemäß der Erfindung
die Ausweitung des Elektrodenabstands entlang seiner Länge mindestens
0,05 mm, vorzugsweise zwischen 0,05 mm und 1,5 mm. Zum Beispiel
kann die Ausweitung zwischen 0,1 mm und 0,2 mm betragen. Die schmalste
Breite kann zwischen 0,6 mm und 1,3 mm betragen. Zum Beispiel kann
die schmalste Breite ungefähr
0,9 mm betragen.
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Die
Erfindung kann auf Zündkerzen
angewendet werden, welche ihre Elektroden aus konventionellen Materialien
oder solchen, welche Einlagen von Beschichtungen aus Edelmetallen,
wie beispielsweise Platin oder Silber, ausgebildet haben, d. h.
zumindest eine der Elektroden ist zumindest teilweise aus einem
Edelmetall gebildet.
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Es
folgt nun eine detaillierte Beschreibung, welche mit Bezug auf die
begleitenden Zeichnungen einer Zündkerze,
welche die Erfindung veranschaulicht, gelesen werden soll.
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1 zeigt
einen Längsquerschnitt,
aufgenommen durch die veranschaulichende Kerze;
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2 zeigt
eine vergrößerte Ansicht
des Elektrodenabstandsbereichs der veranschaulichenden Kerze;
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3 und 4 zeigen
graphische Darstellungen, welche Testresultate veranschaulichen,
welche durch das Verwenden von Zündkerzen
gemäß der Erfindung
und konventionellen Kerzen erhalten wurden.
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Die
in 1 gezeigte veranschaulichende Zündkerze 10 weist
eine konventionelle Bauweise mit Ausnahme der Form ihrer Elektroden
auf. Die Kerze 10 umfasst eine elektrisch isolierende Hülse 12,
welche sich entlang einer Zentralachse 14 der Kerze 10 erstreckt.
Die Hülse 12 ist
aus keramischen Material gebildet und weist eine konventionelle
Bauweise auf. Die Kerze 10 umfasst auch eine erste Elektrode 16,
welche innerhalb der Hülse
in konventioneller Weise angebracht ist, so dass sie in elektrischem
Kontakt mit einem Terminal 18 steht, welcher auch auf der
Hülse 12 angebracht
ist und sich von einem oberen (Ansicht 1) Ende der
Hülse erstreckt.
Die Elektrode 16 ist zentral in der Kerze 10 angeordnet,
so dass sie sich entlang der Achse 14 erstreckt. Die Elektrode 16 ist
die Hochspannungselektrode der Kerze 10 und weist eine
Spitze 20 auf, welche über
die Hülse 12 an
dem unteren Ende der Kerze 10 hinaus ragt. Die Kerze 10 umfasst
auch einen elektrisch leitenden Mantel 22, der die Hülse 12 umgibt.
Der Mantel 22 weist eine konventionelle Bauweise auf und
hat eine Gewindefläche 24,
durch welche die Kerze 10 in einem Zylinderkopf gelagert
wird. Die Kerze 10 umfasst auch eine zweite Elektrode 26, welche
auf dem Mantel 22 angebracht ist, so dass sie elektrisch
mit dem Mantel verbunden ist. Insbesondere ist die Elektrode 26,
welche die Erdungselektrode der Kerze 10 ist, an ein unteres
Ende des Mantels 22 geschweißt. Die zweite Elektrode 26 weist
eine Spitze 28 auf, die in entgegen gesetzter Beziehung zu
der Spitze 20 der ersten Elektrode 16 angeordnet ist.
Insbesondere ragt die Elektrode 26 von dem unteren Ende
des Mantels 22 heraus, erstreckt sich zuerst parallel zu
der Achse 14 und neigt sich dann nach innen, so dass sie
sich hinter das Ende der Spitze 20 erstreckt.
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Die
Spitze 20 der ersten Elektrode 16 weist eine untere
Funkenfläche 30 auf
und die Spitze 28 der zweiten Elektrode weist eine obere
Funkenfläche 32 auf.
Die Funkenflächen 30 und 32 der
Spitzen 20 und 28 zeigen zueinander und diese
Funkenflächen 30 und 32 legen
einen Elektrodenabstand 34 der Kerze 10 fest.
Wenn auf den Terminal 18 eine hohe Spannung angewandt wird,
kann ein Funke über
den Abstand 34 springen und auf diese Weise gasförmigen Brennstoff
in einem Zylinder zünden,
in den die Spitzen 20 und 28 hineinragen.
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2 zeigt
die Spitzen 20 und 28 der Elektroden 16 und 26 in
größerem Detail.
Die Funkenfläche 30 der
Spitze 20 der Elektrode 16 ist in einem Winkel
(als θ1
bezeichnet) relativ zu einer Ebene 36 geneigt, welche sich
normalerweise aus der zentralen Achse 14 der Kerze 10 erstreckt.
Insbesondere beträgt θ1 30°. Die Funkenfläche 32 der
Spitze 28 der zweiten Elektrode 26 ist ebenfalls
in einem Winkel (als θ2
bezeichnet) relativ zu einer Ebene 38 geneigt, welche sich
normalerweise aus der Achse 14 erstreckt. Natürlich sind
die Ebenen 36 und 38 parallel zueinander und die
Winkel θ1
und θ2
werden in einer längslaufenden
Ebene, welche die Elektrode 26 umfasst, gemessen.
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Die
Winkel θ1
und θ2
sind zueinander verschieden, so dass sich der Elektrodenabstand 34 in der
Breite entlang der Länge
des Abstands ändert. Die
Breite des Abstands 34 an seinem schmalsten Punkt ist als
X1 bezeichnet und tritt an dem am weitesten entfernten Punkt des
Abstands von der Verbindung zwischen der zweiten Elektrode und dem
Mantel 22 auf. Der breiteste Punkt des Abstands ist als
X2 bezeichnet und tritt an dem anderen Ende des Abstands 34,
d.h. an dem nächstgelegenen
Punkt des Abstands 34 zu der Verbindung zu der Elektrode 26 und
dem Mantel 22, auf. Insbesondere werden der Abstand der
Spitzen 20 und 28 und der Winkel θ2 derart
ausgewählt,
dass X1 0,9 mm entspricht und X2 1,1 mm entspricht. 2 zeigt
auch den zentralen Elektrodenüberstand
(CEP), welcher der Minimum-Überstand
der Spitze 20 der Elektrode 16 über den
Mantel 22 hinaus ist und in diesem Fall zwischen 2,5 mm
bis 2,8 mm liegt.
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Bei
dem Betrieb der veranschaulichenden Kerze 10 wird befunden,
dass der Funke überwiegend
in der Umgebung des schmalsten Punkts X1 auftritt, so dass er sich
in der bestmöglichen
Position befindet, um eine gute Zündung sicherzustellen. Da sich
die Spitzen 20 und 28 abnutzen, bewegt sich die Funkenposition
graduell entlang des Abstands zu dem breitesten Punkt X2, wobei
die Leistung durch die erhöhte
Länge des
Funkens verbessert wird.
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3 zeigt
die Resultate eines Testprogramms, welches an einem typischen 2,0
Liter-Motor mit
4 Zylindern ausgeführt
wurde und die Verbrennungsstabilität der veranschaulichenden Kerze 10 im Vergleich
mit 3 konventionellen Kerzen, bezeichnet als A, B und C, veranschaulicht.
Die Kerze A hat ihre Elektrodenflächen parallel zu den Ebenen 36 und 38, so
dass sie eine konstante Elektrodenflächenbreite von 0,9 mm aufweist.
Kerzen B und C unterscheiden sich von Kerze A in der Gestaltung.
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Die
X-Achse der grafischen Darstellung in 3 zeigt
die Zeitsteuerung der Kerze in Graden vor dem oberen Umkehrpunkt
und die Y-Achse zeigt den Koeffizienten der Abweichung in dem durchschnittlichen
Emissionsdruck. Somit zeigt der Graph die Veränderlichkeit in der Verbrennungsqualität, da die
Kerzen-Zeitsteuerung an zunehmend ungünstige Positionen bewegt wird.
Je kleiner die Zahl in der grafischen Darstellung ist, umso stabiler
ist der Betrieb des Motors. Es kann von 3 ersehen
werden, dass die grafischen Darstellungen A, B und C, welche die
Leistungen der Standardkerzen zeigen, vergleichbar mit der Leistung
der Kerze 10 (angegeben durch die grafische Darstellung
S) sind, bis der Funkenwinkel ungefähr 40 Grad erreicht, aber danach
ist die Leistung der Kerze 12 maßgeblich besser, dies zunehmend,
wie sich der Winkel erhöht.
Die grafische Darstellung von 3 zeigt
klar, das die Kerze 10 das beste Verbrennungsverhalten
aller getesteten Kerzen beibehält.
Dies wird der verbesserten Fähigkeit,
Brennstoff unter schwierigen Bedingungen zu zünden, zugeschrieben, infolge
der optimalen Platzierung des Funkens in dem Zylinder relativ zu
den Elektroden der Kerze.
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4 ist
eine ähnliche
grafische Darstellung wie 3, zeigt
aber die Wirkung der Änderung
von X1 in Kerzen im Rahmen der Erfindung. Die Achsen der in 4 gezeigten
grafischen Darstellung zeigen die gleichen Parameter wie diejenigen
in 3 und die grafische Darstellung S der veranschaulichenden Kerze 12 ist
auch in 4 gezeigt. Die grafische Darstellung
D zeigt die Leistung einer Kerze innerhalb des Umfangs der Erfindung,
unterscheidet sich jedoch von der Kerze 10 darin, dass
die schmalste Breite X1 des Abstands 34 auf 1,1 mm erhöht wird und
die Winkel θ1
und θ2
gleich bleiben, so dass X2 1,3 mm entspricht. Von 4 kann
ersehen werden, dass die Leistung der modifizierten Kerze im Rahmen der
Erfindung eine Verbesserung gegenüber der Kerze 10 darstellt.
Die grafische Darstellung E in 4 zeigt
zu Vergleichszwecken die Leistung einer Kerze, die der Kerze A ähnlich ist,
jedoch mit einem Funkenabstand mit einer konstanten Weite von 1,1
mm. Die grafische Darstellung E zeigt eine schlechtere Leistung,
welche die Wichtigkeit des Konusabstands 34 zeigt.