DE9005250U1

DE9005250U1 - Zündkerze mit einem eingekapselten mittigen Zündelektrodenspalt

Info

Publication number: DE9005250U1
Application number: DE9005250U
Authority: DE
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1989-05-08
Filing date: 1990-05-08
Publication date: 1990-09-06
Anticipated expiration: 2000-05-09
Also published as: US4987868A; CA2015244A1; JPH02148588U

Description

Zündkerze mit einem eingekapselten mittigen Zündelektrodenspalt

&Eacgr;&Bgr;JJULrches Gebiet
Die .Erfindung bezieht sich auf Zündkerzen mit einem mittig angeordneten Elektrodenspalt und einer Öffnungsmittel aufweisenden Kapsel, die cU.,: E'Jektr^denspalt der Zündkerze umgibt und •-nkapse"t, wobpi der Elek^-roder^pall: im wesentlichen mittig innerhalb der Kapsel angeoianet ist. Tie Kapsel sieht eine verbesserte Zündung vor und der miccig angeordnete Spalt ist besonders vorteilhaft zur Verwendung bei. gasförmigen Brennstoff&.i, die leichter als Luft sind, wie beispielsweise Methan.

In den letzten Jahren sind die an Zündsysteme gestellten Anforderungen ständig gestiegen. Diese Anforderungen ergeben sich aus dem etwas antagonistischen Bemühen, den Brennstoffverbrauch und die Emission abzusenken, wobei gleichzeitig die Glätte oder Laufruhe des Motors verbessert und die Leistungsabgabe erhöht wird. Um eine bessere Zündung mit konventionellen J-Spaltzündkerzen vorzusehen, wurde weltweit der Elektrodenspalt vergrößert, was wiederum ein höheres Energieerfordernis zur Erzeugung eines Funken bedeutete. Diese mit höherer Energie arbeitenden Zündsysteme bedeuteten wiederum eine Erhöhung des Zündkerzenabriebs, wobei einem Effekt dem durch Erhöhung des Durchmessers der Mittelelektrode entgegengewirkt wurde. Da aber eine größere Elektrode einen größeren Löscheffekt auf den Funken ausübt, hat diese Tendenz die Verbrennung nachteilig beeinflußt.

Das Bemühen, derartige Probleme zu vermeiden und die Energie-

Umwandlung zu verbessern, hat eine Anzahl von Lösungen zur Folge. Viele bislang entwickelten Lösungen waren jedoch verhältrismäßig teuer und waren oftmals nur in bestimmten Betriebsbereichen wirksam- Somit haben nur wenige dieser Lösungen ihren Weg in die Produktion gefunden, und dies auch nur wegen der extrem strengen Emissi-' igesetze.

Fine dieser Lösu*.-fen ist die Doppelzündung mit Dualzündkerzen. In Verbindung mit Einlaßverwirbelung in der Verbrennungskammer erreicht diese Anordnung eine ziemlich gleichmäßige Verbrannung und eine schnellere Energieumwandlung. Eine andere Lösung sieht gespaltene Einlaßzumeßöffnungen vor und ein zweites Einlaßventil zur Erreichung einer ordnungsgemäßen Verwirbelung in der Verbrennungskammer bei niedrigen Teillastbedingungen.

Eine weitere Lösung für gleichmäßige Zündung und schnelle Energieumwandlung ist die Maschine mit beschichteter Ladung. Derartige Maschinen sind in den folgenden US-Patenten beschrieben: 4 218 992 und 4 361 122. Derartige Maschinen besitzen einen zweiten Mischungsbildungspfad und Vor-Zündkaramern. Derartige Maschinen sind relativ teuer und das relativ große zur Handhabung des reichen Teils der Mischung erforderliche Volumen der Vor-Zündkammer beeinflußt die thermische Effizienz nachteilig, weil wegen der Strömungs- und thermischen Verluste, die Leistungsabgabe vermindert wird.

Die vorausgegangene Diskussion weist auf die Notwendigkeit einer Lösung hin, welche ein höchstmöglienes Ausmaß an Vorteilen der konventionellen Zündung, wie beispielsweise mäßige Kosten, Kompaktheit und hohe spezifische Leistungsabgabe mit den Vorteilen nicht-konventioneller Verbrennungssysteme kombiniert, wie beispielsweise niedriger Verbrennstoffverbrauch, niedrige Emissionen und gute Maschinenlaufruhe oder Glätte.

Eine dieser Lösungen ist eine Zündkerze mit einer Öffnungsmit-

tel aufweisenden den Elektrodenspalt einkapselnden Kapsel, wobei eine zuverlässige gleichförmige und schnell^ Einleitung der Verbrennung und ein schnelles Fortpflanzen der Flammenfront in die Verbrennungskammer vorgesehen wird, so daß sich eine schnelle Verbrennung der Hauptladung ergibt.

Zündkerzen mit einer Öffnungsmittel aufweisenden Kapsel, welche den Elektrodenspalt einkapselt, sind bekannt. Die Öffnungsmifctei aufweisende Käpäel Soll älä ein Substitut für die Vor-Zündkammern der geschichteten Ladungsmaschine (stratifiedcharge engine) dienen. Derartige Kapseln wurden in der Literatur als Kammern, Mehrfach-Zündmittel, Wirbelkammern usw. bezeichnet. Zündkerzen dieser Bauart sind in den folgenden US-Patenten beschrieben: 2 127 512, 2 153 598 und 4 513 708. Derartige Zündkerzen besitzen oftmals eine gesonderte oder einheitliche Kapsel, die abdichtend mit dem Metallmantel der Kerze verbunden ist. Die Kapsel erstreckt sich nach unten über den Elektrodenspalt hinaus und kapselt diesen ein. Die Kapsel besitzt typischerweise tangentiale sowie am Boden angeordnete Zumeßöffnungen, welche den Austausch von Gasen zwischen der Innenseite der Kapsel ermöglichen, wobei dieses Innenseitenvo-1 unts&eegr; der Kspssl ist folgenden auch als die Zündkanuner und die Verbrennungskammer der Maschine bezeichnet wird. Die '512- und "598-Patente beschreiben Zündkerzen, die als mittigzündend bezeichnet werden können, und zwar wegen des Elektrodenspaltes, und wobei sich infolgedessen der Funke im wesentlichen in der Mitte der Kapsel befindet. Die '708-Zündkerze kann als seitenzündend bezeichnet werden, weil der Elektrodenspalt und infolgedessen der Funke nahe der Innenseitenwand der Kapsel liegt.

Bei Zumeßöffnungsmittel aufweisenden Zündkerzen wird die verbrennbare Mischung durch die Zumeßöffnungen der Kapsel in die Zündkammer während des Kompressionshubs des Kolbens gedrückt, was ein Wirbeln der Mischung in der Zündkammer bewirkt. Man kann theoretisch davon ausgehen, daß dann, wenn ein Funke den

Spalt zwischen den Elektroden überspringt, die Wirbelwirkung
in der Zündkammer dazu dient, den Funken von einem Mittelteil
des Spaltes zu einem Kantenteil desselben hinzuziehen, wodurch
die Länge des Funkens? vergrößert und seine Ampereleistung vermindert wird. Die Verlängerung des Funkens reduziert seinen
Wärmeeffek'; auf die Elektroden und die Gefahr der Löcherbildung der Elektroden\, und ferner wird dadurch die Zündung effektiver, insbesondere beim Starten. Die in der Zündkammer
gezündete brennbare Mischung expandiert und wird dadurch
zwangsweise durch die Zumeßöffnungen der Kapsel in die Verbrennungskammer der Maschine ausgestoßen, um die Hauptladung
in der Verbrennungskammer zu zünden. Durch den verminderten |: Querschnitt der Zumeßöffnungen wird die in die Verbrennungs- ^? _; kammer ausgestoßene gezündete Mischung während des Durchgangs ij durch die Zumeßöffnungen beschleunigt, um in den Zylinder mit
hohen Geschwindigkeiten einzutreten, wodurch eine verbesserte _y; Zündung der Hauptladung im Zylinder erreicht wird. Die Schnelligkeit der Zündung der Brennstoffmischung in einer Verbren- j nugsmaschine ist einer der Faktoren, der die Leistungsabgabe V pro Einheit Brennstoff und auch die Glätte des Betriebs beein- ^;,

Si flußt. Für den zufriedenstellendsten Betrieb der Maschine |

sollte die Zündung der gesamten BiönnStüfflädüng so nähe als ·~ dies möglich ist, augenblicklich erfolgen. Die Flammenstrah- &idigr;, len, die aus den Mehrfachzumeßöffnungen der Kapsel herausge- | feuert werden, erhöhen die Turbulenz der Gas-Luft-Mischung im | Zylinder der Maschine und erstellen eine bessere Mischung des 5? Gases und der Luft und damit eine vollständigere und schnellere Verbrennung sicher. Nach dem Zünden der Hauptladung im Zylinder wird der Druck im Zylinder größer als der Druck innerhalb der Kapsel der Zündkerze, so daß heiße verbrannte Gase
wieder in die Kammer eintreten. Diese heißen verbrannten Gase
werden durch die Expansion beim Fluß von den Zumeßöffnungen
mit relativ kleinem Querschnitt in die Zündkammer abgekühlt.
Aus dem oben Gesagten ergibt sich, daß die Erwärmung der Elektroden sowohl von der Wärme des Funkens selbst als auch von

der Wärme der heißen verbrannten Gase, die wieder in die Kapsel eintreten, beträchtlich dadurch vermindert wird, wodurch die BSrtriebslebensdauer der Elektroden erhöht wird und somit auch die Betriebslebensdauer der Zündkerze mit den oben genannten Eigenschaften.

Im Hinblick auf die genannten Vorteile und die Tatsache, daß eingekapselte Zündkerzen über 50 Jahre lang bekannt sind, könnte die Frage auftreten, warum derartige Kerzen nicht in weitem Gebrauch sind. In der Automobilindustrie haben die inkrementalen Vorteile im Vergleich zu den relativ hohen Kosten deren Verwendung begrenzt. In anderen Industrien jedoch, wo die Leistung die Kosten wert ist, wie beispielsweise in der Luftindustrie, werden derartige Kerzen verwendet.

In den meisten Umständen werden diese Kerzen in Maschinen verwendet, die mit mager brennendem flüssigen Kraftstoff (d. h. Benzin) versorgt werden. Typischerweise besitzt die Kapsel vier tangentiale und eine im Boden verlaufende axiale Zumeßöffnung. Während des Kompressionshubs wird der Brennstoff durch die Zumeßöffnungen in die Zündkammer gedrückt. Wegen der Orientierung der Zumeßöffnungen wird in der Zündkammer eine turbulente Wirbelbewegung hervorgerufen. Die Benzinmoleküle, die schwerer sind als Luft, werden zentrifugiert, was eine benzinreiche Region um die Innenwand der Kapsel und eine benzinarme Region in der Mitte der Kapsel bewirkt. Es ist klar, daß die oben diskutierte mittenzündenden eingekapselten Kerzen, die einen Funken in der benzinarmen Mittelregion erzeugen würden, keine optimale Verbrennung liefern würden. Somit wurden die seitenzündenden Kerzen als eine Verbesserung gegenüber mittenzündenden Kerzen angesehen, weil der Funke in der benzinreichen Seitenregion der Kapsel angeordnet wurde und sich eine bessere Zündung ergab. Auf diese Weise wurden die seitenzündenden Kerzen die Norm und die in der Mitte zündenden eingekapselten Kerzen waren im wesentlichen uninteressant.

Es werden jedoch nicht alle Maschinen oder Motore mit Benzin versorgt. Als die Emissionsanforderungen strenger wurden, wurde festgestellt, daß eine Erdgasmischung, in erster Linie bestehend 3US Methan, weniger regulierte Emissionen als Benzin erzeugen würde. Durch statistische Versuche wurde klar, daß die. seitenzündenden eingekapselten Zündkerzen weniger als optimale Verbrennung in den Maschinen erreichten, die Methan verbrennen, welches leichter als Luft ist. Es wurde analytisch bestinmt, daß durch Zentrifugenwirkung die Luftmoleküie gegen die Innenseitenwand der Kapsel gezwungen wurden und die Methanmoleküle wirbelten in der Mitte der Kapsel, entgegengesetzt zum Benzinbrennstoff. Obwohl die mittengezündete eingekapselte Kerze für Benzinmaschinen abgelehnt wurde und allgemein in Vergessenheit geriet, wurde durch einen erfinderischen Schritt festgescellt und schließlich in Versuchen bestätigt, daß durch die Anordnung des Elektrodenspalts in der Mitte der Kapsel und die Steuerung des Zumeßöffnungssystems eine schnellere und vollständigere Verbrennung erreicht werden kann als durch die Seitenzündanordnung.

Um die Emissionen weiter zu reduzierten, werden diese methanverbrennenden Maschinen oftmals sehr mager betrieben. Anders ausgedrückt, ist die brennbare Komponente der Kraftstoffmi schung (d. h. Methan) gering, verglichen mit Mischungen des Standes der Technik. Um eine ausreichende Leistung bei solchen mageren Bedingungen zu erreichen, ist eine große Turboladeraufladung erforderlich. Das Kompressionsverhäl-.i..^s ist typischerweise sehr hoch. Ferner muß die Zündzeitsteuerung sorgfältig gesteuert werden, wegen der durch die Kapsel vorgesehenen beschleungten Verbrennungsgeschwindigkeit oder -rate. All diese Faktoren tragen zu den extrem hohen Drücken bei, die auf dan Elektrodenspalt ausgeübt werden. Weil die Funkenionisationsspannung proportional zum Elektrodenspaltdruck ist, ist die zur Erzeugung eines Funkens notwendige Spannung extrem hoch. Da darartige hohe Spannungen einen Bogenüberschlag über

einen kurzen Isolator hervorrufen würden, was eine Fehlzündung zur Folge hätte, muß der Isolator der Kerze, der sich über den Metallkörper erstreckt, relativ lang sein. Der lange Isolator erhöht die brauchbare Lebenszeit der Kerze durch Verhinderung eines Bogenüberschlags, selbst dann noch, wenn die Elektroden angefangen haben, zu erodieren.

Wie bereits oben besprochen, ist die Lochbildung und die Verschlechterung der Elektroden ein Problem bei Zündkerzen, insbesondere in einer mager brennenden Maschine. Da die Spitzen Löcher bilden und erodieren, wird es schwieriger, für die gleiche Spannung einen Funken über den Spalt zu erzeugen. Schließlich ist eine höhere Energie (d. h. Spannung) erforderlich, um einen Funken zu erzeugen oder aber die Zündkerze macht eine Fehlzündung oder fällt vollständig aus. Da die Elektroden erodieren, wird es für einen Funken leichter, von der elektrischen Verbindung zu dem Metallzündkerzenkörper zu springen. Das Bogenüberspringen kann durch weitere Verlängerung der Länge des Isolators verhindert oder hinausgezögert werden. Die Vergrößerung seiner Länge erhöht natürlich die Kosten und die Konstruktion gewisser Maschinen verhindert die Verwendung eines übermäßig langen Isolators.

Es wurde festgestellt, daß Elektroden mit Edelmet.allspitzen langer halten und besser arbeiten als Zündkerzen ohne dies. Durch die Verwendung derartiger Spitzen wird die brauchbare Lebensdauer der Zündkerze erhöht und die Länge des Isolators, kann innerhalb tolerierbarer Grenzen gehalten werden. Eine Platinspitze auf der Erdelektrode und eine Iridiumspitze auf der Mittelelektrode sind außerordentlich dauerhaft und funktionell .

Es wurde zudem festgestellt, daß zum Erhalt maximaler Vorteile der Flammenfortpflanzung von der Zündkammer, die Zündkerze oder mindestens die Wirbelkammer mittig in der Hauptverbren-

nungskammer angeordnet sein sollten. Wenn die Zündkere nicht mittig angeordnet ist, besteht das Problem darin, daß die aus der Zumeßöffnung am dichtesten zur Hauptverbrennungskammerwand austretende Flamme auf die Wand auftrifft und teilweise ausgelöscht wird, bevor sie vollständig benutzt werden kann. Auch kann eile ?us der von der Wand ani weitestem weg gale-'-onen Öffnung aastretende Flamme sich verteilen, bevor dia Zündung der am entferntesten gelegenen Gasmoleküle eintritt. Es ergibt sich somit eine nicht-gleichförmige und weniger als optimale Verbrennung. Wenn jedoch die Kerze zentral angeordnet ist, tritt -_j.e Flamme aas Jen Zumeßöffnungen aus, und verteilt sich selbst gleichförmig in der Hauptverbrennungskammer, auf welche Weise die optimal erhältliche Verbrennung vergesehen wird. Typischerweiso sind vier Ventilzylinder am besten für die zentral angeordneten Zündkerzen geeignet, es wurden jedoch auch zentral angeordnete Kerzen in zwei und drei Ventilzylindern benutzt.

Offenbarung der Erfindung

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Zündkerze vorgesehen, die besonders geeignet ist zur Verwendung mit einer Maschine, die einen gasförmigen Brennstoff, der leichter als Luft ist, verbrennt. Die Zündkerze besitzt einen Mantel, eine Mittelelektrode und eine Erdelektrode. Die Elektroden sind voneinander mit Abstand angeordnet und bilden einen Elektrodenspalt. Eine Kapsel besitzt eine Zündkammer und ein Zumeßöf fnungssystem zun. gesteuerten Austausch der Gase in und aus der Zündkammer. Die Kapsel ist mit dem Zündkerzenmantel verbunden. Das Innenvolumen der Kapsel ist die Zündkammer, wobei der Elektrodenspalt im wesentlichen innerhalb der Zündkammer zentriert ist. Das Zumeßöffnungssystem besitzt eine Vielzal von Zumeßöffnungen. Die Zumeßöffnungen besitzen eine Größe und Orientierung und Position geeignet für den Eintritt des Brennstoffs* der leichter ist als Luft, durch die ZuiP"ßöffnungen in die Verbrennungskammer, und längs eines wirbelnden Pfades, um

den Elektrodenspalt herum.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung besitzt ein funkengezündetes mit gasförmigem Brennstoff beliefertes Leistungssystem einen Maschinenkopf. Der Maschinenkopf besitzt eine Zündkerzenvertiefung mit ersten und zweiten Enden und einer Länge von ungefähr 25 cm. Ein Maschinenblock des Systems besitzt einen. Kolben, einen Kolöensylindsr und *»-.-» 'verbrennungskammer, definiert durch den ivolben, den Kolbens/linder und das zweite Ende der Zündkerzenvertiefmi^. Ei^e Vielzahl von Ventilmitteln sehen den Einlaß und Auslaß &ngr; &eegr; Gasen für die Verbrennungskammer vor. Eine Zündkerze besitzt einen Mantel» einen Isolator, eine Mittelelektrode, eine Erdelektrode und eine Kapsel» Der Il.. later ist fest in den« Mantel gehalten und erstreckt siei. um und dir -1 den Mantel und mindestens 5,2: cm ü.b«r den i.-jatel hinaus. Die El^Ktroden sind voneinander mit Abstand angeordnet und dsfiij:L_;---n dazwischen einen Elektrodenspalt. Die Kapsel besitzt eine Zündkaa<mer und ein Zumeßöffnungssyst&"9 für den gesteuerten Austausch von Gasen in die Zündkammer hinein und aus dieser heraus. Die Kapsel ist mit dem Zündkerzenmantel verbunden, wobei der Elektrodenspalt im v"ni<?entlichen innerhalb der Zündkammer zentriert ist. Das Zumeflöffnungssystem besitzt eine Vielzahl von Zumeßöffnangen mit einer Größe, Orientierung und Position, geeignet für den Eintritt von Brennstoffgas durch die Zumeßöffnungen in die Zündkammer und längs eines Wirbelpfades um den Elektrodenspalt herum. Die Zumeßöffnungen sind innerhalb der Motorblockverbrennungskammer positioniert. Ein isolierter Zündkerzenverlängerer ist mit einem Ende an der Zündkerze befestigt und erstreckt sich zu einem ersten Ende der Zündkerzenvertiefung. Eine zur Lieferung von mindestens 3000 Volt geeignete Leistungsquelle ist mit dem Zündkerzenverlängerer verbunden. Mittel sind vorgesehen, um in steuerbarer Weise Brennstoffgas in die Verbrennungskammer zu liefern.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. I eine schematische Schnittdarstellung eines bevorzugten Ausführursgsbsispiels eins·¹-: "3ir ikerze längs deren axialer Mittellinie;

Fv-, 2 eine schematische Schnittdarstellung eines Teils einer bevorzugten funkengezündeten Maschine;

B'ig. 3 eine schematische perspektivische Bodenansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Kapsel mit den Zumeßöffnungen; und

Fig. 4 eine schematische Teilansicht der Elektrodenspitzen.

Es sei nunmehr die beste Möglichkeit zur Durchführung der Erfindung beschrieben.

Fig. 1 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Zündkerze 12 mit einem Zündkerzenmantel 28, in dem ein Isolator 26 gehalten ist. Der Mantel 28 ist mit einem Gewindeteil 44 versehen, um in einfacher Weise in ein mit Gewinde versehenes Loch 46 im Motorkopf 54 (Fig. 3) eingeschraubt werden zu können. Eine Mittelelektrode 34 und eine Erdelektrode 36 sind vorgesehen und derart positioniert, daß ein Elektrodenspalt 38 dazwischen vorgesehen wird, um einen elektrischen Bogen zu erzeugen. Eine Kapsel 48 mit Zumeßöffnungen 30, 32 kapselt den Elektronenspalt 38 ein, und das Innenseitenvolumen 48 bildet eine Zündkammer 16. Die Kapsel 48 ist mit dem Mantel 28 verbunden. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind Mantel 28 und Kapsel 48 aus Nickel hergestellt. Die Kapsel 48 hat eine Dicke von ungefähr 2 mm.

Die Zündkerze 12 der Erfindunq ist besonders geeignet zur Verwendung in funkengezündeten Maschinen unter Verwendung von einem gasförmigen Brennstoff, der leichter ist als Luft, wie

- 10 -

beispielsweise Methan. Die spezielle Anpassung umfaßt die Positionierung des Elektrodenspalts 38 im wesentlichen in der Mitte der Kapsel 48 und es ist ferner eine winkelmäßiga Angrichtung der Zumeßöffnungen 30 des Zumeßöffnungssystems 29 der Kapsel 48 vorgesehen. Auf diese Weise erhält man eine verbesserte Verbrennung des Gasbrennstoffs, der leichter ist als Luft.

Fig. 3 zeigt, daß die Zumeßöffnungen 30 Löcher in der Kapsel 48 sind, welche den Austausch von Brennstoff/Luft-Gasen zwischen der Zündkammer 16 und der Verbrennungskammer M (Fig. 2) steuern. Die Zumeßöffnungen 30 sind winkelmäßig vorzugsweise tangential gegenüber der vertikalen Mittellinie der Zündkammer 16 angeordnet. Es gibt mindestens zwei Zumeßöffnungen 30. vorzugsweise aber vier. Die Zumeßöffnungeu 30 sind vorzugsweise mit gleichem Abstand voneinander um die Kapsel 48 herum angeordnet. Die Mittellinien der Zumeßöffnungen 30 befinden sich auf einer Ebene im Bereich von ungefähr 0,9 bis ungefähr 2,3 cm, vorzugsweise ungefähr 1,1 cm, unterhalb der Mittelelektrode 34 und ungefähr 2 nun oberhalb des Innenseitenbodens der Kapsel 48. Die Zumeßöffnungen 30 sind vorzugsweise leicht nach oben vom Boden der Kapsel geneigt, wenn man von der Außenseite der Kapsel 48 zur Innenseite geht. Ein bevorzugter Winkel liegt im Bereich von 14 bis 18°, am bevorzugtesten sind ungefähr 16°. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind zusätzlich zu den vier Zumeßöffnungen 30 eine im Boden befindliche Axialzumeßöffnung 32 vorgesehen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel haben die Zumeßöffnungen 30, 32 einen Durchmesser von ungefähr 0,9 bis 1,7 mm, am bevorzugten sind ungefähr 1,5 mm. Derartige gesteuerte gemessene Zumeßöffnungen erhöhen die Geschwindigkeit des in die Zündkammer 16 eintretenden oder aus diesen austretenden gasförmigen Brennstoffs (Fig. 1).

Wie man in Fig. 1 erkennt, erstreckt sich die Mittelelektsrode

- 11 -

34 durch die Länge und über die Enden des Isolators 26 und
Mantel 28 hinaus, wie dies üblich ist. Befestigt an oder einteilig mit der Kapsel 48 ist die Erdelektrode 36 vorgesehen.
Die Erdelektrode 36 kann einteilig mit der Kapsel 48 ausgeformt sein oder abdichtend daran befestigt werden, und zwar
durch andere Mittel, wie beispielsweise durch Schweißen. Die
Mittelelektrode 34 und die Erdelektrode 36 bilden zwischeneinandpr einen Elektrodenspalt 38, der im wesentlichen in der
Zündkammer 16 zentriert ist. Die Worte "im wesentlichen zentriert" oder "zentriert" beziehen sich auf die Positionierung
des Elektrodensoaltes 38 im wesentlichen mit gleichem Abstand
von den Innenseitenwänden der Kapsel 48 und diese Worte sollen
sich nicht auf die vertikale Positionierung des Elektrodenspaltes 38 bezüglich des oberen und unteren Endes der Kapsel ?! 48 beziehen. I

Fig. 4 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel, wo die Mit- '>■■ telelektrode 34 und die Erdelektrode 3 6 im wesentlichen aus , Nickel bestehen. Um die brauchbare Lebensdauer der Elektroden ;; 34, 36 zu verlängern und sowie auch die Lebensdauer der Zündkerze sind Edelmetalle an den Spitzen 86, 88 der Elektroden | 34, 36 befestigt. Das Wort "Spitze" bezieht sich auf die rela- | tiv kleine Stelle an einer Elektrode, an der der Funke Kontakt ^; macht. An die Spitze 86 der Mittelelektrode 34 ist ein Stück | Iridium angeschweißt und an die Spitze 88 der Erdelektrode 3 6 f ist ein Stück Platin angeschweißt. Diese Stücke sind 0,1 mal fi 0,03 mal 0,03 (2,5 mm Länge, 0,8 mm Breite und ebenfalls 0,8 &idiagr;) mm Dicke). Der Funke bildet einen Bogen zwischen dem Iridium | auf der Mittelelektrode 34 und dem Platin auf der Erdelektrode 4 36.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 sei darauf hingewiesen, daß
der Isolator 26 der Zündkerze 12 aus konventionellen Materialien hergestellt sein kann, wobei ein bevorzugtes Material Keramikmaterial ist. Der Isolator 26 sollte lang genug sein, um

- 12 -

die Bogenbildung zwischen den Energiequelle 62 (Fig. 2) des Systems und dem Mantel 28 der Zündkerze 12 zu verhindern. Bei einer funkengezünde'cen Maschine 10 mit einer Energiequelle 62, die mindestens 8000 Volt zur Zündung von gasförmigem Methan erzeugt, erstreckt sich der Isolator 26 vorzugsweise über eine Länge von mindestens 5,2 cm über dem Mantel 28.

Gemäß Fig. 2 besitzt die Maschine 10 einen Maschinenkopf 54, der den Maschinen- oder Motorblock 66 abdeckt. In dem Maschi· i-i ——u cc — ^j.j Kc^&eegr;b~r;z"lindcr 50 vcir^ssshsri. Eins Zündksr— zenvertiefung 64 erstreckt sich zwischen der elektrischen Leistungsquelle 78 und dem Kolbenzylinder 50. Die Zündkerzenvertiefung 64 ist ein Durchlaß im Maschinenkopf 54. Die Zündkerzenvertiefung 64 besitzt ein erstes Ende 68, benachbart zu dem die Energiequelle 62 angeordnet ist, und ferner ein zweites Ende 70, an dem ein mit Gewinde versehenes Loch 46 des Maschinenkopfes 54 vorgesehen ist, in welches die Zündkerze 12 eingeschraubt ist. Ein erstes Ende 72 des Kolbenzylinders 50 liegt benachbart zu dem zweiten Ende 70 der Zündkerzenvertiefung 64. Jeder Kolbenzylinder 50 nimmt einen Kolben 52 auf. Benachbart zum ersten Ende 72 des Kolbenzylinders 50 befinden sich Ventilmittel 17. Ein bevorzugter Kolbenzylinder 50 besitzt vier Ventils- zwei E-inlsßventeile 18 (eines ist oezeigt), die den Brennstoff und Lufteinlaß durch die Einlaßöffnungen 22 regulierten und zwei Auslaßventile 20 (eines ist gezeigt), die den Gasausstoß durch die Auslaßöffnugnen 24 regulierten, wie dies in der Technik üblich ist.

Das Volumen des Kolbenzylinders 50 oberhalb des Kolbens 52 und unterhalb der Ventile ist die Verbrennungskammer 14. Das mit Gewinde versehene Loch 46 im Maschinenkopf 54 ist im wesentlichen mittig oberhalb des Kolbenzyliers 50 derart angeordnet, daß die Kapsel 48 der Zündkerze 12, dann, wenn diese in das mit Gewinde versehene Loch 46 eingeschraubt ist, im wesentlichen mittig in der Verbrennungskammer 14 angeordnet ist. Wenn

- 13 -

die Zündkerze 12 in dem mit Gewinde versehenen Loch 46 des Maschinenkopfes 54 sitzt, ist zumiest dieser Teil der Kapsel. 48 einschließlich der Zumeßöffnungen 30, 32 innerhalb der Verbrennungskammer 14 angeordnet.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung erstreckt sich ein Zündungsverlängerer 74 zwischen der elektrischen Energiequelle 62 und der Zündkerze 12. Ein derartiger Verlängerer 74 ist besonders wertvoll, wenn die Zündkerzenvertiefüriy 64 relativ läiiy ist üüu uit; EnöTyiöCjUei 1« 62 iix<jnL direkt, an der Zündkerze 12 befestigt werden kann. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel einer Maschine 10 unter Verwendung von Zündkerzen 12 der hier beschriebenen Bauart besitzt die Zündkerzenvertiefung 64 eine Länge von 25 cm. Eine bevorzugter Verlängerer 74 besitzt ein rohrförmiges Isolierglied fest befestigt an und mindestens ein Teil eines elektrisch leitenden Kerns umgebend. Das Isolierglied ist vorzugsweise aus Polytetrafluorethylen.

Industrielle Anwendbarkeit. Beim Abwärtshub des Kolbens 52 in; Kolbenzylinder 50 werden die Einlaßventile 18 angehoben, und zwar in der üblichen Weise und eine neue Ladung aus Brenngen und in die Verbrennungskammer 14 hinein.

Während des darauffolgenden Kompressionshubs des Kolbens 52 wird der Gasbrennstoff und die Luftmischung in der Verbrennungskammer 14 zusammengedrückt, auf welche Wi", ein Teil des Brennstoffs und der Luft durch die Zumeßöffnungen 30 der Kapsel 48 in die Zündkammer 16 der Zündkerze 12 eintreten. Wenn der Gasbrennstoff und die Luft durch die ZumeßÖffnungen 30 gezwungen werden, so wird ihre Geschwindigkeit erhöht. Diese Geschw-ndigkeitserhöhung des Gasbrennstoffs und der Luft beim Eintritt in die Zündkammer 16 erhöht den Druckabfall zwischen der Verbrennungskammer 14 und der Zündkammer 16, was zur Folge

- 14 -

hat, daß der Elektrodenspalt 38 einen niedrigeren Druck erfährt, was wiederum zur Folge hat, daß zur Erzeugung eines Funkes eine niedrigere Spannung erforderlich ist. Das Endresultat besteht darin, daß eine geringers Spannung zur Erzeugung eines Funkens geliefert werden muß, auf welche Weise gestattet wird, daß die Isolatorlänge 26 innerhalb tolerierbarer Grenzen gehalten wird, wobei ein Schutz gegenüber Funkenüberschlag vorgesiihen wird. Ferner werden durch die Reduzierung der Spannung, die Elektroden 34, 36 einer geringeren elektrischen Erosion ausgesetzt, was deren Lebensdauer verlängert.

Die tangential und etwas nach oben gerichtete Ausrichtung der Zumeßöffnungen 30 bringt den Gasbrennstoff, der in die Zündkaimner 16 eintritt, in eine Wirbelbewegung oder eine tornadoartige Bewegung nach oben zu und um den Elektrodenspalt 38 herum. Die Wirbelbewegung schafft eine Zentrifuge, welche die schwereren Moleküle des Brennstoffgases zur Außenseite des Wirbels schleudert. Da der Gasbrennstoff leichter ist als Luft, sind es die Luftmoleküle in der Gas-Luft-Mischung, die zur Außenseite des Wirbels geschleudert werden, was eine gasarme Zone längs der Innenwand der Kapsel 48 bildet, während die Brennstoffmoleküle in der Mitte des Wirbels zurückbleiben und eine gas-brennstoff-reiche Region in der Mitte der Zündkammer 16 schaffen. Ein weiterer Vorteil des Eintretens der Gas-Brennstoff- und Luftmischung in die Zündkammer 16 mit einer höheren Geschwindigkeit besteht darin, daß der Zentrifugaleffekt in der Kapsel 48 erhöht wird, was zur Folge hat, daß mehr Luftmoleküle zur Innenwand der Kapsel 48 geschleudert werden, so daß eine noch reichere Zone von Gasmolekülen in der Mitte der Kapsel 48 am Eiektrodenspalt 38 zurückbleibt.

Nach der anfänglichen Zündung in der Zündkammer 16 verläßt die Flammenfront die Kapsel 48 und wird leicht nach unten in die Verbrennungskammer 14 gerichtet, wodurch eine größere Turbulenz geschaffen wird, und die Verfügbarkeit des Gasbrennstoffs

- 15 -

für die Flamme erhöht wird, als wenn die Flammenfront horizontal oder noch schlechter, nach oben austreten würde. Die Erhöhung der Geschwindigkeit der austretenden Flammenfront schafft auch eine schnellere und vollständigere Verbrennung, da die Flammenstrahlen in der Lage sind, weiter in die Verbrennungskammer 14 ainzudringen, bevor sie sich verteilen»

Wie oben bemerkt, befindet sich der Slektrodenspalt 38 im wesentlichen in der Mitte der Zündkammer 16, um die herum die reiche "as- UBd Luftmischung wirbelt. Wenn ein Funke am Elektrodenspalt 38 erzeugt wird, so wird die reiche Mischung gezündet. Wenn, das Gas brennt,- pflanzt dar Wirbel die Verbrennung schnell in der Zündkammer fort und große Wärme und Energie wird erzeugt, was bewirkt, daß sich das Gas expandiert und die Flammenfront sich fortpflanzt. Die Flamme schlägt zurück durch die Zumeßöffnungen 30, 32 mit großer Geschwindigkeit in die Verbrennungskammer 14 und bewirkt eine extreme Turbulenz und tiefe Eindringung. Das tubulent brennende Gas zündet, expandiert und drückt den Kolben 52 nach unten.

- 16 -

Claims

Ansprüche

1. zündkerze speziell geeignet zur Verwendung in einer Maschine, die einen Brennstoff verbrennt, der leichter ist als Luft, wobei die Zündkerze einen Mantel, eine Mittelelektrode und eine Erdelektr a aufweist, und die Elektroden voneinander mit Abstand angeordnet sind, und einen Elektrodensp«lt bilden, gekennzeichnet durch eine Kapsel (48) mit einer Zündkammer (16) und einem Zumeßöffnungssysfcem für den gesteuerten Austausch von Gasen in die Zündkammer und von der Zündkammer, wobei die Kapsel

. (48) mit dem Zündkerzenmantel (28) verbunden ist, und ~war den Elektrodenspalt umgebend und im wesentlichen zentriert innerhalb der Verbrennungskammer, wobei das Zumeßöffnungssystem eine Vielzahl von Zumeßöffnungen (30) aufweist, mit einer Größe, Orientierung und Position, geeignet für den Eintritt von Brennstoffgas, nur der Art, die leichter ist als Luft, und von Luft durch die Zumeßöffnungen in die Verbrennungskammer (16), und zwar längs einer wirbelnden Bahn um den Elektrodenspalt herum.

2. Zündkerze nach Anspruch 1, ir it einem Isolator (26), der fest am Mantel gehalten ist und sich mindestens 5,2 cm über den Mantel erstreckt.

3. Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapsel (48) tangential Zumeßöf fnungen (3) aufweist, deren jede einen Durchmesser im Bereich von ungefähr 1 mm bis ungefähr 1,7 mm besitzt.

4. Zündkerze nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zumeßöffnungen des Zumeßöffnungssystems im wesentlichen mit gleichem Abstand voneinander angeordnet sind, und zwar auf einer Ebene im Bereich von ungefähr 0,9 cm bis ungefähr 1,7 cm von der Mittelelektrode in

einer Richtung bezüglich des Zündkerzenmari te Is weg, wobei die Zumeßöffnungen tangential bezüglich der long: Ludina len Mittellinie der Zündkammer gerichtet sind und in einer Vertikalrichtung geneigt verlaufen, und zwar zu dm Fink troden hm und ferner einen Durchmesser von ungefähr 1,5 mm aufweisen.

5. Zündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere &eegr; ."ich Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zumeßöffnungen auf einer Ebene positioniert si id, die ungefähr 1,1 cm von der Mittelelektrode wcgliegt.

6. Zündkerze nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Zumeßöffnungsneigungswinkel im Bereich von ungefähr 14^G bis ungefähr 18° liegt.

7. Zündkerze nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Zumeßöffnunysneigunyswinkel ungefähr 16° beträgt.