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EP1094575B1 - Zündkerze - Google Patents

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Publication number
EP1094575B1
EP1094575B1 EP00122635A EP00122635A EP1094575B1 EP 1094575 B1 EP1094575 B1 EP 1094575B1 EP 00122635 A EP00122635 A EP 00122635A EP 00122635 A EP00122635 A EP 00122635A EP 1094575 B1 EP1094575 B1 EP 1094575B1
Authority
EP
European Patent Office
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spark plug
central electrode
region
bore
diameter
Prior art date
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Application number
EP00122635A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP1094575A1 (de
Inventor
Manfred Adolf
Werner Niessner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
BorgWarner Ludwigsburg GmbH
Original Assignee
Beru AG
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Filing date
Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T13/00—Sparking plugs
    • H01T13/02—Details
    • H01T13/14—Means for self-cleaning
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T13/00—Sparking plugs
    • H01T13/20—Sparking plugs characterised by features of the electrodes or insulation
    • H01T13/39—Selection of materials for electrodes

Definitions

  • the invention relates to a spark plug.
  • a spark plug is included an electrically insulating ceramic insulator, a metallic one Spark plug body, a ground electrode and one Center electrode, which is centered in a bore of the ceramic insulator is arranged, described in the ignition side End area on the circumference of the center electrode a circumferential Tip is formed or formed, the center electrode comprises annular; this circumferential tip is in Area of the spark outlet area near the ground potential arranged and serves one at the tips Establish field concentration to do the spark work to reduce; however, this training has no influence on the emergence or burnup of electrically conductive Combustion residues in the gap between the insulator and the center electrode.
  • Figure 1 gives an embodiment a spark plug according to the invention schematically and in partial longitudinal section again;
  • Figure 2 is a partial cross section through the combustion chamber Area of the insulator base of the spark plug version according to FIG. 1.
  • the embodiment of the spark plug according to the invention 1 has an electrically insulating ceramic insulator 1, a metallic spark plug body 2, a ground electrode 3 and a center electrode 4, which is centric is arranged in a bore 5 of the ceramic insulator 1.
  • the center electrode 4 is electrically conductive Sealing compound 6, preferably a glass melt in the Insulator hole 5 fixed.
  • the Center electrode 4 has a jacket made of a nickel alloy 7 with a core 8 made of a good heat-conducting material, preferably Copper, on.
  • the insulator bore 5 has a ring-shaped tip 10 the center electrode 4, the circumferential tip 10 is in present case formed burr-shaped and has one Slope ⁇ from about 15 to about 90 degrees; she is on the Sheath 7 of the center electrode 4 molded on or from this formed.
  • combustion chamber side Area of the center electrode 4 is tapered
  • this area is not tapered, but the surrounding area of the Insulator bore 5 has a larger diameter than the connection side Has bore area.
  • the center electrode 4 with a noble metal reinforcement is preferred 9 provided; it essentially has one corresponding to the diameter of the center electrode tip Diameter from about 0.5 mm to about 1.5 mm and exists preferably made of a platinum alloy or an iridium alloy.
  • the gap S between Insulator foot 11 and bore diameter of the breathing space 12 of the spark plug body 2 has a width that is at least 1.5 times the ignition gap Z between the ground electrode 3 and center electrode 4 corresponds.
  • the center electrode 4 is geometrical designed and defined in this way in the insulator bore 5 placed that on the spark plug in extreme cold start operation or when operating the engine with an oxygen / fuel ratio ⁇ ⁇ 1.0 no shunt on the insulation gap of the insulator foot between the center electrode 4 and the spark plug body 2, which is ⁇ 100 MOhm.
  • Center electrode 4 with around the circumference of the center electrode jacket 7 trending sharp tip 10 becomes local Field peak increase caused, in connection with the sooty insulator foot creates a strong inhomogeneous field, which in turn is a prerequisite for the training of Partial discharges, so-called corona discharges. While engine operation occurs before the electrical breakthrough on the spark gap between the center electrode 4 and the Ground electrode 3 targeted pre-discharges between the sharp ones Tip 10 on the center electrode and the insulator hole 5th
  • a corona discharge is a Gap between the sharp tip 10 of the center electrode 4 and the insulator bore 5 of at least about 0.15 mm. Due to the constructively initiated pre-discharge it leads to a stable glow discharge.
  • the glow discharge growing discharge channels with tufted, bluish discharge pattern clean the insulator bore 5 and interrupt the electrical conductor strip of the soot particles coated insulator base 11 to the ground potential of the spark plug body Second
  • the spark plugs of the invention have excellent Cold start and high resistance to Soot with the resulting malfunctions on.
  • the high shunt resistance of the combustion chamber Current conduction path prevents parasitic discharge through the Insulator foot and leads to the best possible ignition of the Fuel / air mixture.

Landscapes

  • Spark Plugs (AREA)

Description

Die Erfindung betrifft eine Zündkerze.
Bei üblichen weit verbreiteten Zündkerzen mit Luftfunkenstrecke treten häufig Funktionsstörungen durch Verrußung auf; hierbei handelt es sich um Wiederholstartund Kaltstartprobleme, die durch geringen Nebenschlußwiderstand des Isolatorfusses, der durch elektrisch leitfähige Verbrennungsrückstände (Ruß) entsteht, zum Funktionsausfall der Zündkerze führen.
In der Druckschrift FR-A-572446 die als nächstliegender Stand der Technik ausgesehen wird, wird eine Zündkerze mit einem elektrisch isolierenden Keramikisolator, einem metallischen Zündkerzenkörper, einer Masseelektrode und einer Mittelelektrode, die zentrisch in einer Bohrung des Keramikisolators angeordnet ist, beschrieben, wobei im zündseitigen Endbereich auf dem Umfang der Mittelelektrode eine umlaufende Spitze auf- oder ausgebildet ist, die die Mittelelektrode ringförmig umfasst; diese umlaufende Spitze ist im Bereich der Funkenaustrittsfläche in der Nähe des Massepotentials angeordnet und dient dazu, an den Spitzen eine Feldkonzentration herzustellen, um die Funkenaustrittsarbeit zu verringern; diese Ausbildung hat jedoch keinen Einfluß auf die Entstehung oder den Abbrand elektrisch leitfähiger Verbrennungsrückstände im Spalt zwischen Isolator und Mittelelektrode.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Zündkerze zur Verfügung zu stellen, deren Kaltstarteigenschaften wesentlich verbessert sind, und bei denen die zuvor beschriebenen Probleme durch Verrußung wesentlich vermindert werden.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Ansprüchen 2 bis 10.
Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Figuren 1 und 2 näher erläutert. Hierbei gibt die Figur 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zündkerze schematisch und in teilweisem Längsschnitt wieder;
Figur 2 ist ein teilweiser Querschnitt durch den brennraumseitigen Bereich des Isolatorfusses der Zündkerzenausführung gemäß Figur 1.
Die Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zündkerze gemäß Figur 1 weist einen elektrisch isolierenden Keramikisolator 1, einen metallischen Zündkerzenkörper 2, eine Masseelektrode 3 und eine Mittelelektrode 4 auf, die zentrisch in einer Bohrung 5 des Keramikisolators 1 angeordnet ist. Hierbei ist die Mittelelektrode 4 mit elektrisch leitenden Abdichtmasse 6, vorzugsweise einer Glaseinschmelzung in der Isolatorbohrung 5 fixiert.
Im bevorzugten Fall dieser Ausführungsform weist die Mittelelektrode 4 einen Mantel aus einer Nickellegierung 7 mit einem Kern 8 aus gut wärmeleitendem Werkstoff, vorzugsweise Kupfer, auf.
Der Isolatorfuß 11, der sich brennraumseitig aus dem Zündkerzenkörper 2 erstreckt, umgibt den brennraumseitigen Bereich der Mittelelektrode 4, die in diesem Bereich gegenüber dem sich anschlußseitig anschließenden Mittelelektrodenbereich verjüngt ist. In diesem verjüngten Bereich der Mittelelektrode 4 und innerhalb des brennraumseitigen Endbereichs der Isolatorbohrung 5 umläuft eine Spitze 10 ringförmig die Mittelelektrode 4, die umlaufende Spitze 10 ist im vorliegenden Fall gratförmig ausgebildet und besitzt eine Steigung α von etwa 15 bis etwa 90 Grad; sie ist auf dem Mantel 7 der Mittelelektrode 4 aufgeformt oder aus diesem ausgeformt.
Während bei der vorliegenden Ausführungsform der brennraumseitige Bereich der Mittelelektrode 4 verjüngt ist, besteht eine Alternative hierzu darin, daß dieser Bereich nicht verjüngt ist, dafür jedoch der umgebende Bereich der Isolatorbohrung 5 einen größeren Durchmesser als der anschlußseitige Bohrungsbereich besitzt.
Bei dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zündkerze wird bevorzugt die Mittelelektrode 4 mit einer Edelmetallarmierung 9 versehen; sie besitzt einen im wesentlichen dem Durchmesser der Mittelelektrodenspitze entsprechenden Durchmesser von etwa 0,5 mm bis etwa 1,5 mm und besteht bevorzugt aus einer Platinlegierung oder einer Iridiumlegierung.
Ebenfalls vorgesehen ist, daß der Spalt S zwischen Isolatorfuß 11 und Bohrungsdurchmesser des Atmungsraum 12 des Zündkerzenkörpers 2 eine Breite aufweist, die mindestens dem 1,5-fachen des Zündspalts Z zwischen Massenelektrode 3 und Mittelelektrode 4 entspricht.
Gemäß Figur 2 ist die umlaufende Spitze 10 etwa mittig innerhalb der Bohrung 5 auf dem verjüngten brennraumseitigen Bereich der Mittelelektrode 4 angeordnet; mit D1 ist in dieser Figur der Durchmesser der Isolatorbohrung 5, mit D2 der Durchmesser der umlaufenden Spitze 10 einschließlich innenliegendem Mittelelektrodenbereich, mit D3 der Durchmesser des verjüngten brennraumseitigen Bereichs der Mittelelektrode 4, mit D4 der Durchmesser der vordersten Spitze der Mittelelektrode 4 bzw. der Edelmetallarmierung und mit D5 der Durchmesser der Mittelelektrode im anschlußseitigen Bereich bezeichnet. Hierbei soll bevorzugt gelten, daß D2 = D1 - (0,3 bis 1,0) mm; D3 = D1 - (0,5 bis 1,5) mm; D5 = D1 - (0,05 bis 0,1) mm sind.
Erfindungsgemäß ist die Mittelelektrode 4 geometrich derart ausgebildet und definiert in der Isolatorbohrung 5 plaziert, daß sich an der Zündkerze im extremen Kaltstartbetrieb oder beim Motorbetrieb mit einem Verhältnis Sauerstoff/Kraftstoff λ < 1,0 kein Nebenwiderstand auf der Isolierstrecke des Isolatorfusses zwischen der Mittelelektrode 4 und dem Zündkerzenkörper 2, der < 100 MOhm ist, ausbildet.
Durch die erfindungsgemäße geometrische Ausbildung der Mittelelektrode 4 mit der um den Umfang des Mittelelektrodenmantels 7 verlaufenden scharfen Spitze 10 wird lokale Feldspitzenerhöhung hervorgerufen, wobei in Verbindung mit der verrußten Isolatorfuß ein starkes inhomogenes Feld entsteht, das wiederum Voraussetzung für die Ausbildung von Teilentladungen, sogenannten Koronaentladungen ist. Während des Motorbetriebes entstehen vor dem elektrischen Durchbruch an der Funkenstrecke zwischen der Mittelelektrode 4 und der Masseelektrode 3 gezielte Vorentladungen zwischen der scharfen Spitze 10 auf der Mittelelektrode und der Isolatorbohrung 5.
Zur sicheren Ausbildung einer Koronaentladung ist ein Spalt zwischen der scharfen Spitze 10 der Mittelelektrode 4 und der Isolatorbohrung 5 von mindestens etwa 0,15 mm vorgesehen. Durch die konstruktiv initiierte Vorentladung kommt es zu einer stabilen Glimmentladung. Die aus der Glimmentladung wachsenden Entladungskanäle mit büschelförmigem, bläulichen Entladungsbild reinigen die Isolatorbohrung 5 und unterbrechen das elektrische Leiterband des mit Rußpartikeln beschichteten Isolatorfußes 11 zum Massepotential des Zündkerzenkörpers 2.
Mit den erfindungsgemäßen Zündkerzen wurden Verrußungstests durchgeführt; hierbei wurde die geforderte Zyklenzahl von mindestens 25 erreicht und erfüllten damit die Forderungen nach sicherem Motorstart, sicherem Hochlaufen des Motors bei Lastannahme und gute Gasannahme. Zündkerzen mit serienüblichen Mittelelektroden und üblichen geometrischen Einbaumaßen fielen nach 5 bis 8 Zyklen bei diesen Test aus, mit der Folge, daß zuverlässiges Starten des Motors, sicheres Hochlaufen des Motors und ausreichende Lastannahme nicht erzielbar waren.
Demnach weisen die erfindungsgemäßen Zündkerzen hervorragende Kaltstarteigenschaft sowie hohe Resistenz gegen Verrußung mit den daraus resultierenden Funktionsstörungen auf. Der hohe Nebenschlußwiderstand des brennraumseitigen Stromleitpfades verhindert parasitäre Entladung über den Isolatorfuß und führt zu bestmöglicher Entflammung des Kraftstoff/Luftgemisches.

Claims (10)

  1. Zündkerze mit einem elektrisch isolierenden Keramikisolator (1), einem metallischen Zündkerzenkörper (2), einer Masseelektrode (3) und einer Mittelelektrode (4), die zentrisch in einer Bohrung (5) des Keramikisolators (1) angeordnet ist, wobei um den zündseitigen Endbereich auf dem Umfang der Mittelelektrode (4) eine umlaufende Spitze (10) auf- oder ausgebildet ist, die die Mittelelektrode (4) ringförmig umfaßt, und die innerhalb des brennräumseitigen Endbereichs der Isolatorbohrung (5) angeordnet ist.
  2. Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die umlaufende Spitze (10) eine Steigung α von 15 bis 90° aufweist.
  3. Zündkerze nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze (10) aus dem Material des Mantels (7) der Mittelelektrode (4) ausgebildet ist.
  4. Zündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zündseitige Bereich der Mittelelektrode (4), um den die Spitze (10) angeordnet ist, gegenüber dem sich anschlußseitig erstreckenden Bereich der Mittelelektrode (4) verjüngt ist.
  5. Zündkerze nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusammenhang zwischen dem Durchmesser D1 der Isolatorbohrung (5), dem Durchmesser D2 des verjüngten Mittelelektrodenbereichs plus der umlaufenden Spitze (10), dem Durchmesser D3 des verjüngten Mittelelektrodenbereichs und dem Durchmesser D5 des nichtverjüngten Mittelelektrodenbereichs die Bedingungen erfüllt: D2 = D1 - (0,3 bis 1,0) mm; D3 = D1 - (0,5 bis 1,5) mm; D5 = D1 - (0,05 bis 0,1) mm.
  6. Zündkerze nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Bohrung (5) im anschlußseitigen Bereich der Mittelelektrode (4), um den die Spitze (10) angeordnet ist, gegenüber dem anschlußseitigen Bereich der Bohrung vergrößert ist.
  7. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zündseitige verjüngte Bereich der Mittelelektrode (4) im wesentlichen von der Bohrung (5) umgeben ist, wobei die Spitze (10) des verjüngten Bereichs der Mittelelektrode (4) etwa 1/2 A mittig im Vorstehmaß A des Isolatorfusses (11) und Zündkerzenkörper (2) umläuft und angeordnet ist.
  8. Zündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelelektrode (4) an der gesamten Fläche der Zündspitze mit einer Edelmetallarmierung (9) mit einem Durchmesser von 0,5 mm bis 1,5 mm ausgebildet ist.
  9. Zündkerze nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Edelmetalllegierung eine Platinlegierung oder eine Iridiumlegierung ist.
  10. Zündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgesehene Spalt S zwischen Isolatorfuß (11) und Bohrungsdurchmesser des Atmungsraum (12) des Zündkerzenkörpers (2) eine Breite aufweist, die mindestens dem 1,5-fachen des Zündspalts Z zwischen Masseelektrode (3) und Mittelelektrode (4) entspricht.
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