Abreisszündkerze für Verbrennungskraftmaschinen
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abreisszündkerze für Verbrennungskraftmaschinen, bei welcher die Erzeugung eines Zünd-Lichtbogens durch Trennung zweier Elektroden erfolgt, von denen die eine ortsfest und die andere unter dem Einfluss der Kraft eines Elektromagneten, entgegen der Kraft einer Feder, um eine zur Kerzenachse parallele Achse drehbar angeordnet ist, und die beiden Elektroden sowie der Elektromagnet in einem Niederspannungsstromkreis in Reihe geschaltet sind.
Die Luftverschmutzung durch die Auspuffgase der Verbrennungskraftmaschinen von Kraftfahrzeugen hat heute einen Grad erreicht, der insbesondere in Grossstädten das tolerierbare Mass bei weitem übersteigt. Da das Gift in den Abgasen, insbesondere das Kohlenstoffmonoxyd, vor allem auf die mangelhafte Verbrennung des Luft-Brennstoffgemisches zurückzuführen ist, wurde schon vorgeschlagen, mittels eines Nachbrenners eine Abgasentgiftung herbeizuführen. Der Nachbrenner vemochte sich aber bis heute nicht durchzusetzen, da er einen beträchtlichen Leistungsverlust nach sich zieht und ausserdem wesentliche zusätzliche Kosten verursacht.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass zur besseren Verbrennung des Luft-Brennstoffgemisches eine Zündkerze mit einem intensiveren und länger dauernden Lichtbogen erforderlich ist und dass sich hierzu eine mit Niederspannung arbeitende Abreisszündkerze, bei der durch Trennung der Elektroden ein Lichtbogen erzeugt wird, viel besser eignet als die heute übliche Kerze mit Luftspalt, bei der mit einer sehr hohen Spannung zwischen zwei festen Elektroden ein Zündfunke erzeugt wird.
Die Konstruktion einer mit ausgesprochener Niederspannung, d. h. maximal 50 Volt, arbeitenden Abreisszündkerze wurde bisher zwar theoretisch geplant, stiess aber in der praktischen Durchführung immer wieder auf unüberwindliche Schwierigkeiten. So wurde z. B. eine Abreisszündkerze vorgeschlagen, bei welcher zur Erzeugung eines Zünd Lichtbogens eine bewegliche Elektrode durch elektromagnetische Kraft, entgegen einer Federkraft von einer festen Elektrode in Richtung der Kerzenachse wegbewegt bzw. getrennt wird. Der die bewegliche Elektrode betätigende Elektromagnet sowie die beiden Elektroden sind dabei in Reihe in einem Niederspannungsstromkreis geschaltet. Beim Trennen der sich in der Ausgangslage berührenden Elektroden wird der Stromkreis unterbrochen, so dass durch die Wechselwirkung zwischen Magnet- und Federkraft eine oszillierende Elektrodenbewegung entsteht.
Der wesentlichste Nachteil dieser Abreisszündkerze besteht darin, dass die an einem Anker befestigte, bewegliche Elektrode, die dem relativ hohen Zylinderdruck im Verbrennungsraum ausgesetzt ist in Richtung der Kerzenachse hin und her bewegt wird. Die bewegliche Elektrode muss daher gegen den ständig stark wechselnden Brennraumdruck bewegt werden, wobei die Frequenz der Bewegungsänderung hohe Anforderungen an die beteiligten Antriebs- und Rückstellorgane stellt. Die Feder muss sehr stark bemessen werden, was andererseits zur Trennung der Elektroden eine grosse magnetische Kraft erfordert. Da jedoch die im Kraftfahrzeug zur Verfügung stehende elektrische Energie bekanntlich relativ klein ist, entstehen praktisch unüberwindbare Schwierigkeiten.
Auch wurden bei allen derartigen Abreisszündkerzen massive Stabelektroden vorgesehen, welche kleine Abbrandflächen aufweisen und daher schon nach einem geringen Abbrand betriebsunfähig sind.
Bei einer anderen bekannten Abreisszündkerze wurden diese Nachteile teilweise dadurch vermieden, dass die bewegliche Elektrode nicht mehr in Richtung der Kerzenachse, sondern durch Drehung um eine zur Kerzenachse parallele Achse von der festen Elektrode abgehoben wird. Dabei gelangt ein Klappankermagnet zur Anwendung, dessen Ankerbewegung über zwei zusammenarbeitende Reibarme auf die bewegliche Elektrode übertragen wird. Der Klappankermag.
net erzeugt nun aber Geräusche und erfordert Massnahmen zur Vermeidung des Klebens. Die Bewegungsumwandlung über die Reibarme bewirkt eine grössere Systemträgheit, eine vermehrte Störanfälligkeit und verkürzte Lebensdauer infolge Abnutzung der Reibstellen, benötigt kostbaren Platz und stellt einen relativ grossen Aufwand dar. Ferner ist bei dieser Kerze der zur Verfügung stehende Raum sehr schlecht ausgenutzt, da der Klappankermagnet und die bewegliche Elektrode nebeneinander angeordnet sind. Der Ankerweg ist durch einen Anschlag begrenzt. Eine automatische Nachstellung der Elektroden bei Abbrand derselben ist daher nicht möglich. Die Sromübertragung zwischen beweg- licher Elektrode und Gehäuse erfolgt in der Führung des Elektrodenschaftes.
Da dort ein bestimmtes Spiel vorhanden ist, entstehen in dieser Führung Lichtbogen, Kontaktabbrand und unter Umständen ein Festsitzen des Schaftes. Ferner sind im Gehäuseboden Entlüftungslöcher vergesehen. Die Kerze wird daher dauernd von den heissen Gasen durch- strömt, was zu einer übermässigen Erwärmung führt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zur besseren Verbrennung des Luft-Gasgemisches in Verbrennungskraftmaschinen und Reduzierung des Giftgehaltes der Abgase insbesondere des Kohlenstoffmonoxydgehaltes eine Lichtbogen erzeugende Niederspannungs-Abreisszündkerze zu schaffen, die unter Vermeidung eines Klappankermagnetes und einer Bewegungsumwandlung grosse Lebensdauer, kleine Störanfälligkeit, gute Kraft- und Wärmeverhältnisse sowie eine einwandfreie Stromübertragung aufweist und die automatische Nachstellung bei Abbrand der Elektroden gestattet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass ein im Magnetfeld zwischen zwei gegenpoligen Polschuhen des Elektromagneten angeordneter Drehanker am oberen Ende eines am unteren Ende die drehbare Elektrode tragenden Elektrodenschaftes befestigt ist.
Auf beiliegender Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes dargestellt, welches im folgenden näher beschrieben wird. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Perspektivdarstellung einer teilweise aufgeschnittenen Abreisszündkerze,
Fig. 2 einen Schnitt entsprechend der Linie II-II in Fig. 1,
Fig. 3 eine stark schematisierte Darstellung der Abreisszündkerze zwecks Veranschaulichung des Stromverlaufes, und
Fig. 4 einen Schnitt entsprechend der Linie IV-IV in Fig. 1
Die in Fig. 1 dargestellte Abreisszündkerze weist in ihrem oberen Teil ein vollständig geschlossenes Magnetgehäuse 1 auf, das aus einer zylindrischen Hülse 2, einer oberen Stirnwand 2.1 und einer unteren Stirnwand 2.2 besteht.
Die obere Stirnwand 2.1 besitzt eine Öffnung zur Aufnahme einer Isolierplatte 3 und eines die Isolierplatte durchdringenden Anschlussstiftes 4.
Im Magnetgehäuse 1 ist ein Elektromagnet 5 untergebracht, der einen Magnetkern 5.1 mit Polschuhen 5.11 aufweist Eine auf den Magnetkern 5.1 aufgebrachte Spulenwicklung 6 steht mit dem an einer nicht dargestellten Niederspannungsstromquelle anschliessbaren Anschlussstift 4 über einen Leiter 6.1 in leitender Verbindung. Das zweite Ende 6.2 der Wicklung 6 ist mit dem Magnetkern 5.1 bzw.
Polschuh 5.11 verbunden, welcher seinerseits mit der Innenwand der ebenfalls metallischen, elektrisch leitenden Hülse 2 in elektrisch leitender Berührung steht.
Einer der beiden Polschuhe 5.11 bildet einen Nordpol N und der andere einen Südpol S des Elektromagneten 5 (Fig.
3). Gegenüber diesen Polen N und S ist ein stabförmiger Drehanker 7 berührungslos angeordnet. Dieser Anker 7 ist über einen drehbar gelagerten Elektrodenschaft 8 starr mit einer beweglichen Elektrode 9 verbunden, deren Funktion und Form noch beschrieben wird. Magnetkern 5.1, Polschuhe 5.11 und Anker 7 bestehen aus einem elektrisch leitenden, jedoch nicht dauermagnetisierbaren Material.
Der stabförmige Anker 7, dessen konstruktiver Aufbau insbesondere aus Fig. 2 hervorgeht, besitzt eine quer zu seiner Längsachse verlaufende Zentralbohrung 10, in welcher das obere Ende des Elektrodenschaftes 8 drehstarr verankert ist. Eine von der einen Stirnseite des Ankers 7 in dessen Längsrichtung sich erstreckende, mit Gewinde versehene Durchgangsbohrung 11 mündet in die Zentralbohrung 10.
Durch einen in diese Durchgangsbohrung 11 einschraubbaren Gewindestift 12 lässt sich der Anker 7 beispielsweise auf dem Elektrodenschaft starr und doch leicht lösbar befestigen, so dass eine beliebige Winkelverstellung des Ankers 7 zur Elektrode 9 leicht möglich ist.
In die untere Stirnwand 2.2 des Magnetgehäuses 1 ragt von unten ein Elektrodenschaft-Führungskörper 13, der sich aus zwei kreiszylindrischen Abschnitten zusammensetzt. Dieser Führungskörper ist mittels einer Klemmschraube 14 fest in der unteren Stirnwand 2.2 verankert und besitzt in seinem obersten Teil eine kleine Sacklochbohrung 13.1, in welche das eine Ende 15.1 einer Schraubenfeder 15 hineinragt. Das andere Ende 15.2 der Schraubenfeder ist im Anker 7 in einer Sacklochbohrung 20 mittels einer Klemmschraube 22 befestigt, so dass der Anker 7 in bezug auf den Führungskörper 13 elastisch gerichtet ist. Die Feder 15 trachtet somit ständig danach, den Anker 7 und mit diesem die bewegliche Elektrode 9 in eine Ruhelage zu drücken, welche durch den Anschlag der Elektrode 9 gegen eine feste Gegenelektrode bestimmt ist.
Der untere Abschnitt des Elektrodenschaft-Führungskörpers 13 ist von einem metallischen und elektrisch leitenden Kerzengehäuse 17 umgeben, gegen welches er jedoch mittels einer Isolierhülse 18 elektrisch isoliert ist. Das Kerzengehäuse 17 weist einen oberen, praktisch kreiszylindrischen, mit einem Sechskant 17.11 versehenen Abschnitt 17.1 auf, an welchen sich ein unterer, zum Befestigen der Kerze im Zylinderkopf der Verbrennungskraftmaschine dienender Gewindeteil 17.2 anschliesst. Der unterste, der Elektrode 9 benachbarte Abschnitt des Kerzengehäuses 17 dient als Gegenelektrode 16; seine Form ist aus Fig. 1 im Zusammenhang mit der Schnittdarstellung nach Fig. 4 ersichtlich.
Sowohl die Elektrode 9 als auch die Gegenelektrode 16 sind demnach im wesentlichen als Abschnitte eines Hohlzylinders ausgebildet, wobei die Elektrode 9 mit dem zugehörigen Elektrodenschaft 8 über einen Steg 9.1 verbunden ist.
Unter dem Einfluss der im Führungskörper 13 verankerten Feder 15 wird die bewegliche Elektrode 9 bei Nichterregung der Spule 6 gegen die Gegenelektrode 16 gedrückt, wobei sich die beiden Elektroden an der Stelle 19 berühren.
Der untere, dem Elektrodenpaar benachbarte Teil des Schaftes 8 ist in Anbetracht der auf ihn einwirkenden hohen Temperaturen mit einer wärmeisolierenden Hülse 20 umgeben, welche beispielsweise aus einem an sich bekannten Spezialporzellan gefertigt sein kann. Für die Elektroden wird vorzugsweise ein elektrisch leitendes Material mit einem Schmelzpunkt von mindestens 2800 "C gewählt. Eine Molybdänlegierung lässt sich hierzu mit Vorteil verwenden. Die Abmessungen der beiden Elektroden 16 und 9 werden so aufeinander abgestimmt, dass der Umfang der beweglichen Elektrode 9 einen Winkelbogen von ca. 40 bis 50 , derjenige der Gegenelektrode 16 einen Winkelbogen zwischen 50 und 220O überdeckt.
Die beschriebene Abreisszündkerze arbeitet folgendermassen: Beim Anlegen einer Zündspannung an den Anschlussstift 4 wird die Magnetspule 6 erregt, so dass im Bereich des Ankers 7 ein Magnetfeld aufgebaut wird. Im Zeitpunkt der Erregung der Magnetspule 6 wird der Anker 7 durch das Magnetfeld gerichtet, wobei sich die mit ihm gekuppelte Elektrode 9 von der Gegenelektrode 16 trennt und um den mit a bezeichneten Winkel dreht. Hierbei entsteht ein kräftiger Lichtbogen bzw. Abreissfunke, welcher als Zündfunke verwendbar ist. Sobald der Lichtbogen erlöscht, wird die Magnetspule 6 stromlos. Nach dem Zusammenbruch des Magnetfeldes wird der Anker 7 mit der Elektrode 9 durch die Rückstellkraft der Feder 15 wieder in die Ausgangslage gemäss Fig. 3 und 4 zurückgeschwenkt und der beschriebene Zündzyklus wiederholt sich.
Während der Einschaltdauer der Kerze bzw. während einer Zündperiode ent stehen somit eine Vielzahl von Zündfunken, deren Frequenz und Intensität durch geeignete Wahl der Spannung, der Spulenwicklungszahl und der Stärke der Rückstellfeder nach Belieben bestimmbar sind.
Der Stromverlauf ergibt sich am klarsten aus Fig. 3.
Wird die positive Klemme der Zündstromquelle an den Anschlussstift 4, die negative Klemme an die mit dem Zündkerzengehäuse 17 in leitender Verbindung stehende Masse angeschlossen, so gelangt der Strom über die Spule 6, den Magnetkern 5.1 bzw. dessen Polschuhe 5.11, die Hülse 2, die untere Stirnwand 2.2, den Führungskörper 13, die Feder 15, den Anker 7 und den Schaft 8 zur Elektrode 9. Die der beweglichen Elektrode 9 gegenüberstehende Gegenelektrode 16 ist dabei an die Masse angeschlossen und somit mit der negativen Zündstromquelle verbunden.
Die untere, aus dem Kerzengehäuse 17, den Elektroden 9 und 16, dem Elektrodenschaft 8 und dem Führungskörper 13 bestehende Kerzenhälfte lässt sich von der oberen, aus dem Magnetgehäuse 1, dem Elektromagneten 5 und dem Drehanker 7 bestehenden Kerzenhälfte mit wenigen Handgriffen lösen, so dass ein kostensparender Austausch abgenützter Teile möglich ist. Die Verwendung eines Klappankermagnetes und die damit verbundene Bewegungsumwandlung ist bei dieser Kerze vermieden. Die gewählte Anordnung der Achse des Elektrodenschaftes 8 auf der mit 21 bezeichneten Kerzenachse ermöglicht eine optimale Ausnutzung des im Magnetgehäuse 1 vorhandenen Platzes zur Auslegung des Elektromagneten 5 bzw. der Spule 6. Die Anwendung eines berührungslos mit den Polen N, S des Elektromagneten 5 zusammenarbeitenden Drehankers 7 reduziert den Verschleiss und die Störanfälligkeit der Kerze auf ein Minimum.
Durch die gewählte Stromführung über die Schraubenfeder 15 wird ein Kontaktabbrand und Festsitzen des Elektrodenschaftes 13 vermieden.
Da der Lichtbogen bzw. Zündfunke auf den einander zugewandten Oberflächen der beiden Elektroden erfahrungsgemäss wandert, ergibt sich ein relativ geringfügiger Abbrand, dem durch Verdrehen des Ankers in bezug auf den Trägerschaft 8 Rechnung getragen werden kann. Hierzu dient, wie bereits erwähnt wurde, die Klemmschraube 12.
Diese Zündkerze weist keine in Richtung der Kerzenachse hin- und herbewegte Teile auf. Wie Versuche gezeigt haben, lässt sich die vorgeschlagene Anordnung mit durch- aus tragbarem Kostenaufwandrealisieren. Die bei den heute üblichen Zündkerzen notwendige Hochspannung wird vermieden, so dass nicht nur die ganze Hochspannungsisolierung der stromführenden Teile, sondern auch die Zündspule und der Kondensator entfallen.
Ausserdem verliert für die beschriebene Zündvorrich-.
tung der bisher so entscheidende Begriff des Wärmewertes seine Bedeutung: Der Wärmewert einer Zündkerze ist bekanntlich ein Zeitmass, welches angibt, nach welcher Zeit eine Zündvorrichtung in einem Prüfmotor unter festgelegten Betriebsbedingungen Glühzündungen verursacht; er kennzeichnet demnach den Widerstand gegen Überhitzung. Die Elektrode der vorstehend beschriebenen Zündvorrichtung tritt im Betrieb immer wieder mit der benachbarten massiven Gegenelektrode in Berührung, an welche sie überflüssige Wärme abgeben kann.
Durch geeignete Wahl der Betriebsspannung, der Spulenwicklungszahl und der Stärke der Rückstellfeder 15 lässt sich die Intensität und Zündfrequenz des Lichtbogens derart einstellen, dass eine praktisch vollständige Verbrennung des Luft-Brennstoffgemisches und damit eine Entgiftung der Abgase sowie eine beträchtliche Brennstoffersparnis erzielt wird.
Wie sich aus den erwähnten Merkmalen ohne weiteres ableiten lässt, ist die neue Abreisszündkerze robust und wenig störanfällig und weist eine lange Lebensdauer auf. Sie lässt sich Dank der intensiven Wärmeabgabe des Lichtbogens zur Erleichterung des Kaltstartes und selbst als Starthilfe in Dieselmotoren verwenden. Feuchtigkeit und Frost können ihr einwandfreies Arbeiten nicht beeinträchtigen. Sie arbeitet sogar unter Wasser einwandfrei.
Es sind verschiedene Ausführungsvarianten möglich. So kann z. B. der Drehanker 7 ebenfalls berührungslos zwischen die beiden Pole N, S des Elektromagneten 5 verlegt werden.
Ferner könnte, bei entsprechender Ausführung des Füh- rungskörpers 13 die Feder 15 an der unteren Stirnwand 2.2 des Magnetgehäuses 1 befestigt sein.