DD276570A1

DD276570A1 - Langlebensdauerzuendkerze

Info

Publication number: DD276570A1
Application number: DD32118688A
Authority: DD
Inventors: Werner Bohmeyer; Wilfried Kabel; Juergen Pechtold; Norbert Schindhelm; Klaus Fischer
Original assignee: Sonnenberg Elektrokeramische
Priority date: 1988-10-17
Filing date: 1988-10-17
Publication date: 1990-02-28

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Zuendkerze fuer Verbrennungsmotore. Das Ziel der Erfindung besteht in der Verlaengerung des Wartungsintervalles und der Erhoehung der Grenznutzungsdauer. Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass die einen rechteckigen Querschnitt aufweisenden Masseelektroden mittig versetzt auf der Gehaeusestirnflaeche in der Weise aufgebracht sind, dass bei einer Biegung der Masseelektroden in Richtung der Mittelelektrode die breitere Flaeche der Masseelektrode parallel bzw. mit einer Winkelabweichung bis zu 10 zur Mittelpunktachse der Mittelelektrode angeordnet ist, die Unterkante der Masseelektroden parallel oder in einem Winkel von 0 bis 60 zur Gehaeusestirnflaeche verlaeuft und um den Umfang der Mittelelektrode in radialer Richtung ungleichmaessige Zuendspalte ausgebildet werden.

Description

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Zündkerze mit zwei Masseelektroden, die in Verbrennungsmotor eingesetzt wird. Durch die erfindungsgemäße Gestaltung der Elektrodenanordnung kann das Wartungsintervall verlängert und die Grenznutzungsdauer derartiger Zündkerzen erhöht werden.

Charakteristik der bekannten technischen L ösungen Gegenwärtig werden durch die Fahrzeughersteller verstärkte Anstrengungen unternommen, die Wartungsintervallc der Ottomotorsysteme zu verlängern. Für die Zündkerzen als ein Teil dos Motorsystems ergeben sich diese Anforderungen in

gleicher Weise. Der Wartungszyklus einer Zündkerze wird durch ihre Funktionsfähigkeit, die von vielen Faktoren wie z. B. von den thermischen Eigenschaften, vom Nebenschlußverhalten, der Zündfunkenbildung usw. beeinflußt wird, bestimmt. Eine große

Bedeutung für die Erreichung einer Verlängerung der Wartungsintervallzeiton und der Grenznutzungsdauer hat die durch

thermischen und elektrischen Elektrodenabbrand entstehende Zündspaltzunahme. Unter ungünstigen Motorbedingungen können durch dio infolge des Abbrandos auftretenden Zündspaltvergrößerungen und der damit verbundenen Verkürzung der

Funkenbrenndauer und der Erhöhung des Zündspannungsbedarfes Zündaussetzer mit den bekannten nachteiligen Folgen

auftreten.

Eine Erhöhung des Elektrodenabbrandes wurde auch durch die in jüngster Zeit eingeführton loistungsgesteigerten Zündanlagen

bewirkt.

Deshalb wurde verstärkt nach Lösungen gesucht, die eine weitere Zunahmo des Elektrodenabstandes infolge des Elektrodenabbrandes in Grenzen halten sollten. Eine der Lösungen bestand darin, die Elektrodenquerschnitte zu vergrößern, um mehr Elektrodenabbrandvolumen zur Verfügung zu haben. Dieser Vergrößerung sind jedoch technisch dadurch Grenzen gesetzt, daß andere funktionsbestimmende Parameter wie z. B. die Durchschlagsfestigkeit, die thermische Qualität usw. negativ beeinflußt wurden. Die wirksamen Abbrandflächen können bei diesen Lösungen nicht so vergrößert werden, daß die Zündspaltbreite während einer

langen Betriebsdauer etwa konstant gehalten werden kann.

Durch die Schaffung von Mehrelektroden- bzw. Ringelektrodensystemen wurde nun versucht, die Zunahme der Zündspaltbreite

durch die wesentliche Vergrößerung der Abbrandflächen zu verringen.

Diese bekannten Systeme weisen aber einige entscheidende Nachteile auf. Durch die Mehrfach- bzw. Ringelektrodenancrdnung

ergeben sich wesentlich höhere Material- und Herstellungskosten. Die Gemischzugänglichkeit zum Brennraum hin wird bei einigsn Systemen beträchtlich verschlechtert. Auch die thermischen Eigenschaften werden in der Regel durch diese

Anordnungen verschlechtert. Außerdem werden durch die Abschirmung der Itsolierkörperspitze verstärkt Verhrennungsprodukte, die zu unkontrollieiten Gleitentladungen und uiner vorzeitigen Funktionsuntüchtigkeit führen, an dieser

abgelagert.

Bei der Mehrzahl der bekannten Mehrfachelektrodenanordnungen kann ein Nachstellen der Masseelektrodcn zur Gewährleistung einer über eine lange Betriebszeit nahezu konstanten funktionell günstigen Zündspaltbreite nicht realisiert

werden.

Ausgezeichnete Gemischzugänglichkeit und gute Entflammungseigenschaften werden durch dünne oder speziell profilierte,

geschlitzte oder durchbrochene Elektroden erreicht. Der Voiumenabbrand ist aber bei diesen Systemen im Vergleich zum

Gesamtvolumen so groß, daß zur Sicherung einer hohen Grenznutzungsdauer diese Elektroden aus sehr teuren Edelmetallen,

wie z.B. Platin, gefertigt werden müssen. Bei den modernen Motoren wird eine optimale drehzahl- und lastabhängige

Zündzeitpunktsteuerung mit hoher Langzeitstabilität angestrebt. Bei allsn Elektrodensystemen, bei denen eine gleichbleibende Zündspaltbreite durch die Nachstellung der Elektn ^en nicht oder nur unzureichend realisiert werden kann, ändern sich durch

die abbrandbedingte Zunahme der Zündspaltbreitu die Entflammungseigenschaften dar Zündkerze und somit auch die

Verhältnis so bei der Steuerung der Gemischentflammung. Bei zu grc ßem Elektrodenabstand erfolgt eine starke Erhöhung des Zündspannungsbedarfes, es treten Überschläge entlang der Isolierkörperspitzo auf, die Funkenbrenndauer sinkt drastisch ab und die Energieeinspeisung ändert sich. Bei Elektrodensystemen mit einer zus3u-!ichen Hilfs- oder Trägerslektrode in der Isolierkörperspitze, wie sie beispielsweise in der US-PS 4029986 beschrieben wird, ist die Herstellung dieser Zündkerzen so kostenaufwendig, daß sie sich nur bedingt für die Serienfertigung eignen. Vergrößert sich infolge des Abbrandes der Elekti odenabstand zwischen den Elektroden, dann kann der Funke direkt zur Massoelektrode überschlagen und die Hilfselektrode bleib', ohne Wirkung. In der DE-OS 3407011 wird voi geschlagen, eine Zündkerze mit erhöhter Kapazität mit einem 2-Elektrodensystem zu kombinieren. Dabei soll ein gleichzeitiger Funkenüberschlag an beiden Elektroden mit guter Entflammung des Kraftstoff-Luft-Gemisches

vorhanden sein. Nachteilig bei diesan Systemen iüt die sehr starke Erhöhung des Zündspannungsbedarfes durch die

Vergrößerung des Funkenspal'.es, da die Elektroden nicht nachgestellt werden können. Mit diesem starken Anstieg des Zündspannungsbedarfes und der darauf resultierenden Verkürzung der Brenndauer des Zündfunkens wird eine besonders bei

der Entflammung magerer Kraftstoff-Luft-Gemische erforderliche gleichblsibende Energieeinspeitur.g in das Funkenplasma während der Nutzungsdauer nicht gewährleistet.

Mit den bisher bekannten technischen Lösungen können oine gute Gemischzugänglichkeit, guie Selbstreinigungseigenschaften,

gute Langzeitstabilität der Entflammungseigenschaften bei Gewährleistung einer hohen Grenznutzungsdauer nur durch erhebliche Kostenerhöhungen bzw. nich: im notwendigen Umfang realisiert werden.

Ziel der Erfindung

Es ist das Ziel der Erfindung, unter Verwendung üblicher Elektrodonwerkstoffo und ohne Vergrößerung der Elektrodenquerschnitte des Wartungsintervall und die Grenznutzungsdauer der Zündkerze bei Gewährleistung einer guten Gemischzugänglichkeit und guter thermischer Eigenschaften wesentlich zu erhöhen.

Wdiun der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Mitteln und in wirtschaftlicher Weise die abl 'andbedingte Zunahme der Zündspaltbreite zu verringern und die Nachstellbarkeit der Masseelektroden zu gewährleisten. Die Aufgabe wird erfindi-ngsgemäft dadurch gelöst, daß die einen rechteckigen Querschnitt aufweisenden Masseelektroden mittig versetzt auf der Gehäusestirnfläche in der Weise aufgebracht sind, daß bei einer Biegung der Masseelektroden in Richtung der Mittelelektrode die breitore Fläche der Masseoloktrodo parallel bzw. mit einer Winkelabweichung bis zu 10* zur Mittelpunktachso dar Mittelelektrode angeordnet ist, c!i<9 Unterkante der Masseelektrode parallel oder in einem Winkel von > 0 bis 60* zur Gehäusestirnfläche verläuft und um den Umfang der Mittelelektrode in radialer Richtung ungleichmäßige Zündspalto ausgebildet werden.

Vorteilhaft ist es, daß die Masscelektroden in einem entsprechenden Abstand voneinander mittig versetzt, sich gegenüberstehend, in gleiche Richtung zeigend oder winklig zueinandor versetzt auf der Gohäusestirnfläche angeordnet werden. Die Zündspalthöhe, die durch die breitere Fläche der Masseelektrode bestimmt wird, soll dabei mindestens gleich zweckmäßig größer als der Durchmesser d?i Mittelelektrode ausgebildet sein.

Mit der erfindungspemälJen Elektrodenanordnung wirr] mit einfachen Mitteln und niedrigen Aufwendungen eine wesentliche Vergrößerung der Elektrodenabbrandflächen im Zündspalt erreicht.

Durch die nach mehreren Richtungon offone Elektrodenanordnung werden günttige Entflammungsbedingungen sowie oine ungehinderte Flammfrontausbreitung gewährleistet. Auch die nechteilige Ablagerung von Verbrennungsprodukten auf der Isolierkörperspitze ist im Vergleich zu Lösungen mit ähnlichen Abbrandflächenverhöltnissen bedeutend geringer. Besonders günstig wirkt sich die Möglichkeit der Nachstellbarkeit der Masscelektroden auf die Grenznutzungsdauer der Zündkerze aus. Durch diü Regulierung der Zündspaltbreite werden zu großfi Elektrodenabstände, die letztlich zu einer Verschlechterung der elektrischen Eigenschaften bis hin zur Funk'ionsuntüchtigkeit führen, vermieden. Die Abbrandflächo im Zündspalt kann weiter vergrößert worden, wenn die Massoelektrodon die Mittelelektrode halbkreisförmig umschließen. Durch die Verwendung von zwei ringsegmeniförmigen Elektroden ist im Vergleich mit geschlossenen Ringsystemen die Gemischzugänglichkeit wesentlich besser, da an den Zündspalten und in Richtung Brennraum eine ungehinderte Flammfrontausbildung möglich ist.

Eine Verbesserung der Entflammungssicherhcit kann dadurch erreicht werden, daß die Masseelektroden über das

brennraumseitige Ende der Mittelelektrodi !.inausreichend angeordnet sind. Durch diese Anordnung wird eine zusätzliche

Ausbeulung des Funkens und eine Vergrößerung des Funkenvolumens erreicht. Zweckmäßig ist es, in die erfindungsgemäße Zündkerze eine Verbundmittelelektrode, die eine bessere Wärmeableitung von der Isolierkörperspitze ermöglicht, einzusetzen. Dadurch können die thermischen Eigenschaften dieser Zündkerze zusätzlich

verbessert werden.

Zweckmäßig ist es auch, daß die Langlebensdauerzündkerze in Verbindung mit einem Kondensatorkerzenstecker eingesetzt

wird oder als kapazitätsgesteigerte Zündkerze ausgelegt ist.

Durch die minimale Zunahme der Zündspaltbreite, die sich aus den vergrößerten Abbrandflächen und der Möglichkeit der Nachstellung der Elektroden ergibt, wie eine optimale und gleichbleibende Energieeinspeisung in der Durchbruchsphase der Entzündung während einer langen Nutzungsdauer realisiert und damit günstige Entflammungsbedingungen auch im Hinblick

auf die Anwendung abgemagerter Kraftstoff-Luft-Gemische geschaffen.

Ausfuhrungsbelsplele

Anhand der Zeichnungen werden verschiedene Ausführungsbeispiele näher erläuteit. Es zeiger:

Fig. 1: eine Vorderansicht eines Ausschnittes einer herkömmlichen Zündkerze Fig. 2: eine der Fig. 1 zugeordnete Draufsicht Fig. 3: eine ausschnittweise Vorderansicht einer erfindungsgemsßen Zündkerze mit einer schematischen Darstellung der Flammfrontbildung Fig.4: eine der Fig. 3 zugeordnete Draufsicht Fig. 5: eine andere Ausführungsform in einer ausschnittweisen Draufsicht Tig. 6: eine dritte Ausführungsform in einer ausschnittweisen Draufsicht Fig.7: eine vierte Ausführungsform in einer ausschnittweisen Draufsicht

In der Fig. 1 und 2 ist eine herkömmliche Zündkerze mit zwei Masseelektroden 4 dargestellt. Sie umfaßt ein Gehäuse 1 aus Metall, an dessen brenniaumsoitigem Ende die Masseelektroden 4 befestigt sind. Im Gehäuse 1 ist der Zündkerzenisolierkörper 2 mit integrierter Mittelelektrode 3 angoordnet. Der weitere nicht nShor dargestellte Aufbau entspricht dem handelsüblicher Zündkerzen.

Im Motorbetrieb erfolgt der Elektrodenabbrand im Bereich des Zündspaltes Z zwischen der Masseelektrodenfrontfläche und der Mantelfläche der Mittelelektrode 3. Eine Regulierung der Breite des Zündspeltes Z durch das Nachstellen der Masseelektroden ist bei diesen Ausführungen nur bedingt möglich.

In der Fig. 3 und 4 ist eine vergleichbare Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zündkerze dargestellt. Die Masseelektroden sind derart auf der Stirnfläche dee Gehäuses 1 aufgeschweißt, daß bei einer Biegung der Massoelektrode 4 in Richtung der Mittelelektrode 3 die größere Fläche der Masseelektrode 4 seitlich an der Mittelelektrode 3 vorbeigeführt wird und die untere Kante der Masseelektrode 4 parallel zur Gehäusestirnfläche verläuft. Da bei vorgegebenen Abmessungen der Mittelelektrode die Größe dos Volumenabbrandes bei vergleichbaren Elektrodenwerkstoffen in erster Linie von der Größe der Elcktrodonabbrandflächo der Masseolektrode 4 abhängt, ist dio abbrandbedingte Vergrößerung der Zündspaltbreite bei der erfindungsgemäßen Ausführung viel kleiner. Wählt man beispielsweise als Mittelelektrodendurchmesser 2,5mm und als Massoelektrodenquerschnitt2,5mal 1,0 mm, so ergibt sich bei der herkömmlichen Bauart eine nutzbare Abbrandfläche von etwa 2,5mm² und boi der erfindungsgemäßen oine nutzbare Abbrandfläche von etwa e,25mm⁷ je Masseelektrode 4. Außerdem vergrößert sich das Funkenvolumen durch den sich in radialer Richtung um den Umfang der Mitteleleki'rodo 3 ungleichmäßig ausgebildeten Zündspalt Z. Die Linionzüge a, b und c sollen schematisiert die Ausbreitung der Flammfront zu unterschiedlichen Zeitpunkten darstellen. Wie aus den Abbildungen ersichtlich ist, erfolgt eine ungehinderte Ausbreitung der Flammfront in seitlicher Richtung und auch in Richtung des Brennraumes. Die Gemischzugänglichkeit, die besonders bei der Entzündung magerer Kraftstoff-Luft-Gemische von großor Bedeutung ist, wird mit der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung in sehr guter Weise gewährleistet.

In der Fig. 5 ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung dargestellt. Bei dieser Ausführung sind die beiden Masseelektroden 4 auf einer Seite zur Mittelelektrode 3 zeigend auf der Gehäusestirnfläche aufgeschweißt. Mit dieser Ausführungsform wird ebenfalls eine verminderte Zunahme der Zündspaltbreite und eine sehr gute Gemischzugänglichkeit erreicht. In der Herstellung ist diese Ausführung einfacher und kostengünstiger. Abgewandtelte Ausführungsformen, wie beispielsweise die Aufschweißung der Masser'ektroden 4 in einem Winkel zur Gehäusestirnfläche oder die Biegung der Masseelektroden 4 um weniger aus 90° werden selbstverständlich von der Erfindung mit umfaßt. Alle beschriebenen Elektrodenanordnungen haben den großen Vorteil, daß die Masseelektrod?n 4 über einen großen Bereich nachstellbar sind und damit die Zündspaltbreite immer wieder auf das erforderliche Maß eingestellt werden kann. Durch die Vfii ringerung des Abbrandes und der Nachstellmöglichkeit der Masseolektroden 4 werdon über eino lange Betriebsdauer die Funktionseigenschaften der erfindungsgemäßen Zündkerzen nahezu konstant gehalten. Die Grenznutzungsdauer steigt beträchtlich an.

In den Figuren 6 ui >d 7 sind weitere Ausführungsformen der Erfindung dargestellt. Durch die optimale Vergrößerung der AbbrandfiäcitC de/ Masseelektroden 4 bei guter Gemischzugänglichkeit zum Brennraum hin wird das Wartungsintervall beträchtlich verlängert. Bei diesen, wie auch bei den anderen Ausführungsformen, ist ns zweckmäßig, daß die Masseelektroden 4 über das brennraumseitige Ende der Mittelelektrode 3 hinausragend angeordnet sind. Die wird durch die damit bewirkte Vergrößerung des Funkenvolumens in Richtung Brennraum weiter erhöht.

Beim Einsatz von Mehrelektrodensystemen zur Verlängerung der Lebensdauer ergeben sich, wie allgemein bekannt ist, thermische Probleme in Form eines starken Abfalles des Wärmewertes im Vergleich zu herkömmlichen einpoligen Serienkerzen. Überraschend wurde nun gefunden, daß bei einer optimalen Bestimmung der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung die Absenkung des Wärmewertes nur geringfügig ist. Bei einer erfindijngsgemäßen Zündkerze mit einem Masseslektrodenquerschnitt von 2,5 mal 1,5mm, einem Mittelelektrodendurchmesser von 2,5 mm und einer Zündspaltbreite von 0,6mm entsprechend der Fig.3 und 4 ragte das freie Ende der Mittelelektrode 3 etwa 3 bis 4mm aus der Isolierkörperspiüe heraus und der Abstand der unteren Kante der Masseelektrode 4 zur Gehäusestirnfläche wurde mit 3mm eingestellt. Der Wärmewert dieser Zündkerze und der einer vergleichbaren einpoligen Zündkerze mit Dachelektrode waren annähernd gleich.

Claims

1. Langlebensdauerzündkerze mit zwei seitlich an einer Mittelelektrode vorbeigeführten Masseelektroden, gekennzeichnet dadurch, daß die einen rechteckigen Querschnitt aufweisenden Masseelektroden (4) mittig versetzt auf der Gehäusestirnfläche in der Weise aufgebracht sind, daß bei einer Biegung der Masseelektroden (4) in Richtung der Mittelelektrode (3) die breitere Fläche der Masseelektrode (4) parallel bzw. mit einer Winkelabweichung bis zu 10° zur Mittelpunktachse der Mittelelektrode (3) angeordnet ist, die Unterkante der Masseelektroden (4) parallel oder in einem Winkel von >0 bis 60° zur Gehäusestirnfläche verläuft und um den Umfang der Mittelelektrode (3) in radialer Richtung ungleichmäßige Zündspalte (Z) ausgebildet werden.

2. Langlebensdauerzündkerze nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Masseelektroden (4) in einem entsprechenden Abstand voneinander mittig versetzt., sich gegenüberstehend, in gleicher Richtung zeigend oder winklig zueinander versetzt angeordnet sind.

3. Langlebensdauerzündkerze nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Höhe des Zündspaltes (Z), die durch breitere Fläche der Masseelektroden (4) bestimmt wird, mindestens gleich zweckmäßiger größer als der Durchmesser der Mittelelektrode (3) ausgebildet ist.

4. Langlebensdauerzündkerze nach Punkt 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Masseelektroden (4) die Mantelfläche der Mittolelektrode (3) halbkreisförmig umschließen.

5. Langlebensdauerzündkerze nach Punkt 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Masseelektroden (4) über das brennraumseitige Ende der Mittelelektrode (3) hinausreichend angeordnet sind.

6. Langlebensdauerzündkerze nach Punkt 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß als Mittelelektrode (3) eine Verbundelektrode, deren Kern aus einem Material guter Wärmeleitfähigkeit und deren Mantel aus einem Material hoher Korrosionsbeständigkeit besteht, eingesetzt wird.

7. Langlebensdauerzündkerze nach Punkt 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß sie in Verbindung mit einem Kondensatorkerzenstecker eingesetzt wird oder als kapazitätsgesteigerte Zündkerze ausgelegt ist.