DE10008830A1

DE10008830A1 - Zündkerze

Info

Publication number: DE10008830A1
Application number: DE2000108830
Authority: DE
Inventors: Manfred Vogel; Werner Herden; Walter Benedikt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-02-25
Filing date: 2000-02-25
Publication date: 2001-08-30
Also published as: WO2001063711A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Zündkerze mit wenigstens einer Masseelektrode und einer dazu über einen Gasspalt beabstandeten Mittelelektrode, die in einer Bohrung eines Isolators angeordnet ist, wobei durch Anlegen einer Zündspannung ein Zündfunken zwischen den Elektroden entlang einer Funkenstrecke erzeugt wird. DOLLAR A Es ist vorgesehen, dass mindestens zwei Ausgangspole (18, 20) für den Zündfunken vorhanden sind, die auf einer oder mehreren Masseelektroden (12) liegen und deren Lage so gewählt ist, dass die Höhe der Zündspannung zwischen jeweils einem der Ausgangspole (18, 20) und der Mittelelektrode (14) von einer Rußbelegung der Zündkerze (10) im Bereich der Elektroden (12, 14) und/oder des Isolators (16) abhängt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Zündkerze mit wenigstens einer Masseelektrode und einer dazu über einen Gas spalt beabstandeten Mittelelektrode, die in einer Bohrung eines Isolators angeordnet ist, mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.

Stand der Technik

Zur Zündung eines Luft-Kraftstoff-Gemisches ist es bekannt, einen elektrischen Zündfunken durch eine kurzfristige Entladung zwischen den Elektroden der Zündkerze zu erzeugen. Eine Gemischentflammung ist aber von zahlreichen Parametern abhängig. So muss je nach verwendetem Luft-Kraftstoff-Gemisch eine Min destzündenergie bereitgestellt werden. Weiterhin ist die Zündung von geometrischen Faktoren, wie einem Abstand der Elektroden oder ihrer relativen Lage zueinander, abhängig. Im Allgemeinen kann zwar mit Längenzunahme einer Funkenstrecke eine sichere Zün dung gewährleistet werden, jedoch kann bei zu großen Funkenstrecken in bestimmten Extremsituationen kein Zündfunken gebildet werden (Zündaussetzer). Es ist auch denkbar, eine Funkenlage zu variieren. So können sogenannte Luftfunkenstrecken, Luftgleitfunken strecken und Gleitfunkenstrecken vorgegeben werden, bei denen der Zündfunken teils erst über eine Oberfläche des Isolators fließt. Allen herkömmlichen Zündkerzen ist gemeinsam, dass durch Anlegen einer Zündspannung ein Zündfunken zwischen den Elektroden entlang der Funkenstrecke erzeugt wird, und zwar ausgehend von einem einzigen Ausgangspol auf der Masseelektrode.

Während eines Kaltstartes einer Verbrennungskraftma schine kann es im Bereich der Zündkerze zu einer Ruß belegung kommen. Die entstehende Rußschicht hat auf grund ihrer elektrischen Eigenschaften erheblichen Einfluss auf die Zündspannung. Mit steigender Schichtdicke und damit erhöhter Leitfähigkeit sinkt gleichzeitig auch der Widerstand. Es kann zum Aufbau eines Nebenschlusses kommen, so dass damit einherge hend die Zündspannung abfällt. Baut sich die Ruß schicht weiter auf, so kann unter Umständen die Span nung an der Zündkerze niedriger liegen als die Zünd spannung. Infolgedessen kann es zu Fehlzündungen und Zündaussetzern in dieser Betriebsphase kommen.

Vorteile der Erfindung

Mit Hilfe der Zündkerze mit den in dem Anspruch 1 ge nannten Merkmalen ist es dagegen möglich, auch noch bei stärkeren Rußbelegungen eine sichere Zündung zu gewährleisten. Dadurch, dass mindestens zwei Aus gangspole für den Zündfunken vorhanden sind, die auf einer oder mehreren Masseelektroden liegen und deren Lage so gewählt ist, dass die Höhe der Zündspannung zwischen jeweils einem der Ausgangspole und der Mittelelektrode von einer Rußbelegung der Zündkerze im Bereich der Elektroden und/oder des Isolators abhängt, kann eine sichere und zur Zündung des Luft- Kraftstoff-Gemisches ausreichende Funkenbildung er möglicht werden.

Bevorzugt ist die Lage der Ausgangspole derart fest gelegt, dass an einem ersten Ausgangspol die Zünd spannung bei keiner oder nur unwesentlicher Rußbele gung geringer ist als die Zündspannung bei einem zweiten Ausgangspol. Bei steigender Rußbelegung fällt die Zündspannung an dem zweiten Ausgangspol unter die Zündspannung am ersten Ausgangspol. Durch die aufge zeigte Ausgestaltung der einen oder mehreren Masse elektroden ist es möglich, die Funkenstrecke in Bezug auf den Ausgangspol jeweils an die Rußbelegung zu koppeln. Die Ausgangspole können auf verschiedenen Masseelektroden oder nur einer einzigen Masse elektrode angeordnet sein. Durch entsprechende geo metrische Ausgestaltungen können auf einer Masse elektrode eine Vielzahl von Ausgangspolen vorgegeben werden, von denen aufeinander folgend der Zündfunken zur Mittelelektrode in Abhängigkeit von der Rußbele gung überspringt. Dadurch, dass die Funkenstrecke bei Rußbelegung verändert wurde, indem beispielsweise die Funkenlage oder die Streckenlänge variiert wurde, ist es möglich, auch mit dann geringerem Zündspannungs angebot eine zur Zündung ausreichende Spannung be reitzustellen.

Weiterhin ist bevorzugt, den ersten Ausgangspol an einem Ende einer Masseelektrode und den zweiten Aus gangspol (sowie gegebenenfalls weitere Ausgangspole) zwischen dem Ende und einer Anschlussstelle derselben Masseelektrode für die anzulegende Spannung anzuord nen. Die relative geometrische Lage ist dabei vor teilhafterweise derart auszugestalten, dass im Falle von zwei Ausgangspolen ein Abstand zwischen dem ersten Ausgangspol und der Mittelelektrode geringer ist als ein Abstand zwischen dem zweiten Ausgangspol und der Mittelelektrode. Dabei ist jedoch der Abstand zwischen dem ersten Ausgangspol und der Mittelelek trode geringer als der Abstand zwischen dem zweiten Ausgangspol und dem Isolator.

Es hat sich weiterhin als bevorzugt erwiesen, die Funkenstrecke, ausgehend vom ersten Ausgangspol, als Luftfunkenstrecke oder Luftgleitfunkenstrecke und ausgehend vom zweiten Ausgangspol als Gleitfunken strecke auszugestalten. Durch eine derartige unter schiedliche Ausgestaltung der Funkenlage lässt sich auch bei erheblich geringerem Zündspannungsangebot eine Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemisches sicher stellen.

Eine Realisierung des zweiten Ausgangspols und aller weiteren Ausgangspole auf einere einzelnen Masse elektrode kann vorteilhafterweise derart erfolgen, dass die Masseelektrode in dem betreffenden Bereich einen Wulst oder eine Nase ausbildet. Häufig genügt es jedoch schon, wenn die Masseelektrode eine zur Mittelelektrode beziehungsweise zum Isolator gerichtete Biegung aufweist. Alternativ oder in Kombination dazu kann der Bereich des zweiten Ausgangspols oder der weiteren Ausgangspole dadurch definiert werden, dass der Isolator einen Wulst oder eine Nase oder eine in Richtung der Masseelektrode gerichtete Bie gung besitzt. Der diesen Ausformungen des Isolators gegenüber liegende Bereich der Masseelektrode bildet dann den erwünschten Ausgangspol. In besonders be vorzugter Weise kann dieses Konzept auch auf ring förmige Masseelektroden übertragen werden. Die Aus gangspole liegen dann auf einem inneren Rand der ringförmigen Masseelektrode. Alternativ oder in Kom bination dazu kann der Ring leicht versetzt zur Längsachse der Mittelelektrode angeordnet werden oder er besitzt anstelle einer konzentrischen Form eine eher ovale Ausgestaltung.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung er geben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispie len anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zei gen:

Fig. 1 einen Verlauf eines Zündspannungsangebots an einer herkömmlichen Zündkerze mit einem Ausgangspol in Abhängigkeit vom Rußneben schlusswiderstand;

Fig. 2 einen Verlauf des Zündspannungsangebots so wie des Zündspannungsbedarfs einer erfin dungsgemäßen Zündkerze mit zwei Ausgangs polen;

Fig. 3 eine erste Ausführungsform der Zündkerze mit zwei Ausgangspolen und

Fig. 4 bis 8 weitere alternative Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Zündkerze.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Die Fig. 3 zeigt in einer schematischen Schnittan sicht einen Bereich einer Zündkerze 10. Die Zündkerze 10 besteht aus einer Masseelektrode 12 und einer Mit telelektrode 14, die in einer Bohrung eines Isolators 16 angeordnet ist. Die hier dargestellte Masse elektrode 12 weist zwei Ausgangspole - nämlich einen ersten Ausgangspol 18 sowie einen zweiten Ausgangspol 20 - auf.

Die Fig. 1 zeigt einen Verlauf eines Zündspannungs angebots (Kurve 30), wie sie sich in Abhängigkeit von einer Dicke einer Rußschicht (Rußbelegung) bei einer Zündkerze herkömmlicher Bauart einstellt. Eine solche Zündkerze hat nur einen einzigen Ausgangspol, also beispielsweise nur den in der Fig. 3 dargestellten ersten Ausgangspol 18. Steigt die Rußbelegung der Zündkerze, zum Beispiel in einer Kaltstartphase, so sinkt aufgrund der elektrischen Eigenschaften des Ru ßes auch der Widerstand (Rußnebenschlusswiderstand) ab. Die Zündspannung, die mindestens angeboten werden muss, um das Gemisch in Extremsituationen sicher zu zünden (Zündspannungsbedarf), wird durch eine ge strichelte Linie 32 angedeutet. Mit sinkendem Ruß nebenschlusswiderstand fällt das Zündspannungsangebot (Kurve 30) und schneidet in einem Punkt 34 den Zünd spannungsbedarf 32. Unterhalb dieses Rußnebenschluss widerstandes kann eine sichere Zündung nicht mehr gewährleistet werden.

Eine sichere Zündung hängt weiterhin von einer Länge einer Funkenstrecke, also dem Weg des Zündfunkens zwischen den beiden Elektroden 12, 14, sowie einer Funkenlage ab. Unter Funkenlage ist hierbei ein rela tiver räumlicher Verlauf der Funkenstrecke zu verste hen. Bei sogenannten Luftfunkenstrecken durchschlägt der Zündfunke auf direktem Wege das zwischen den Elektroden 12, 14 befindliche Luft-Kraftstoff- Gemisch. Durch geeignete Ausgestaltung ist es jedoch auch möglich, den Zündfunken entlang einer Oberfläche des Isolators zu führen (Gleitfunkenstrecke). Beide extremen Funkenstreckenführungen lassen sich auch miteinander kombinieren zu sogenannten Luftgleitfun kenstrecken. Im Allgemeinen ist mit zunehmender Länge der Funkenstrecke und zunehmender Länge der Gleit funkenstrecke eine sichere Zündung auch bei niedri geren Temperaturen möglich. Die Höhe des Zündspan nungsbedarfs hängt jedoch nicht nur von der Größe des Elektrodenabstandes und von deren Form ab, sondern wird zusätzlich durch eine Elektrodentemperatur, einen verwendeten Elektrodenwerkstoff und durch die brennraumspezifischen Parameter, wie einem Lambdawert, einer Strömungsgeschwindigkeit, möglichen Tur bulenzen und eine Dichte des zu entflammenden Luft- Kraftstoff-Gemisches, beeinflusst.

Die Fig. 2 zeigt die Verläufe des Zündspannungs angebots 30 sowie des Zündspannungsbedarfs 36 bei einer Zündkerze 10 mit zwei Ausgangspolen 18, 20, wie sie der Fig. 3 zu entnehmen sind. Deutlich wird dabei, dass die beiden Kurven 30, 36 eine unter schiedliche Abhängigkeit von der Schichtdicke der Rußbelegung aufweisen.

Die Kurve 30 zeigt wie in Fig. 1 die Abnahme des Zündspannungsangebots in Abhängigkeit vom Rußneben schlusswiderstand. Der Zündspannungsbedarf (Kurve 36) ist nicht wie in Fig. 1 konstant, sondern nimmt mit abnehmendem Rußnebenschlusswiderstand ebenfalls ab. Dieses Verhalten entsteht dadurch, dass sich ohne Rußbelag, das heißt bei hohem Rußnebenschlusswider stand, zunächst ein Zündspannungsbedarf gemäß Elek trodenabstand d_e,1 ergibt, da der Zündspannungsbedarf gemäß dem Elektrodenabstand d_e,2 größer ist als der gemäß d_e,1. Mit zunehmendem Rußbelag, also zunehmen der Leitfähigkeit auf dem Isolator, das heißt abneh mendem Rußnebenschlusswiderstand, wird dann der Zünd spannungsbedarf gemäß dem Elektrodenabstand d_i,2 und dem sich anschließenden Rußbelag kleiner als der Zündspannungsbedarf gemäß dem Elektrodenabstand d_e,1. Dies bedeutet, dass bei den erfindungsgemäßen Zünd kerzen das Zündspannungsangebot 30 bis zu erheblich niedrigeren Rußnebenschlusswiderständen über dem Zündspannungsbedarf 36 liegt (Punkt 40) und somit eine Zündung bei stärkerem Rußbelag ermöglicht wird im Vergleich zu herkömmlichen Zündkerzen (vergleiche Fig. 1). Bestehen die beiden Ausgangspole 18, 20 aus dem selben Elektrodenmaterial, so ist selbstverständ lich der Abstand d_e,1 des ersten Ausgangspols 18 geringer zu wählen als ein Abstand d_e,2 des zweiten Ausgangspols 20 zur Mittelelektrode 14. Erst wenn die Zündspannung diesen Schwellenwert unterschreitet (Punkt 40), kann auch hier keine sichere Zündung mehr gewährleistet werden.

Deutlich wird hiermit, dass zunächst bei keiner oder nur unwesentlicher Rußbelegung ein Zündfunken, aus gehend vom ersten Ausgangspol 18 der Masseelektrode 12, auf die Mittelelektrode 14 überspringt. Wenn der Zündspannungsbedarf am zweiten Ausgangspol 20 infolge zunehmender Rußbelegung den Zündspannungsbedarf am ersten Ausgangspol 18 unterschreitet, ist eine zün dungssichere Entladung noch entlang der Funkenstrecke zwischen dem zweiten Ausgangspol 20 über d_i,2 und Rußbelag zur Mittelelektrode 14 möglich.

Neben der bereits in der Fig. 3 gezeigten Ausgestal tung der Zündkerze 10 zeigen die Fig. 4 bis 8 wei tere alternative Möglichkeiten auf. Einerseits kann der zweite Ausgangspol 20 dadurch erzeugt werden, dass die Masseelektrode 12 einen Wulst, eine Nase oder eine zur Mittelelektrode 14 beziehungsweise zum Isolator 16 gerichtete Biegung aufweist (Fig. 3, 7 und 8). Ebenso denkbar ist es, einen Bereich der Masseelektrode 12, der den zweiten Ausgangspol 20 bilden soll, durch eine gleichartige Ausgestaltung des gegenüber liegenden Isolators 16 zu realisieren (Fig. 4 und 5). Weiterhin kann auch auf ringförmi ge Masseelektroden 12 zurückgegriffen werden (Fig. 6). Dabei ist ein Rand 42 der Elektrode 12 derart auszugestalten, dass er Bereiche aufweist, die unter schiedlich zur Mittelelektrode 14 beziehungsweise zum Isolator 16 beabstandet sind. Dies wird beispiels weise erreicht durch eine zur Längsachse der Mittel elektrode 14 versetzte Anordnung oder aber auch durch eine entsprechende Ausgestaltung der Elektroden 12, 14 beziehungsweise des Isolators 16 in der bereits geschilderten Art und Weise. Weiterhin können die Ausgangspole 18, 20 auch auf verschiedenen Masse elektroden - also bei Einsatz von Zündkerzen mit mehreren Masseelektroden - angeordnet werden.

Claims

1. Zündkerze mit wenigstens einer Masseelektrode und einer dazu über einen Gasspalt beabstandeten Mittel elektrode, die in einer Bohrung eines Isolators an geordnet ist, wobei durch Anlegen einer Zündspannung ein Zündfunken zwischen den Elektroden entlang einer Funkenstrecke erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Ausgangspole (18, 20) für den Zündfunken vorhanden sind, die auf einer oder mehre ren Masseelektroden (12) liegen und deren Lage so gewählt ist, dass die Höhe der Zündspannung zwischen jeweils einem der Ausgangspole (18, 20) und der Mit telelektrode (14) von einer Rußbelegung der Zündkerze (10) im Bereich der Elektroden (12, 14) und/oder des Isolators (16) abhängt.

2. Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage der Ausgangspole (18, 20) derart fest gelegt ist, dass an einem ersten Ausgangspol (18) die Zündspannung bei keiner oder nur unwesentlicher Ruß belegung geringer ist als die Zündspannung an einem zweiten Ausgangspol (20) und bei steigender Rußbele gung die Zündspannung an dem zweiten Ausgangspol (20) unter die Zündspannung am ersten Ausgangspol (18) fällt.

3. Zündkerze nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, dass der erste Ausgangspol (18) an einem Ende einer Masseelektrode (12) und der zweite Aus gangspol (20) (sowie gegebenenfalls weitere Ausgangs pole) zwischen dem Ende und einer Anschlussstelle derselben Masseelektrode (12) liegt.

4. Zündkerze nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Ausgangspol (20) ein Wulst, eine Nase oder eine zur Mittelelektrode (14) beziehungsweise zum Isolator (16) gerichtete Biegung der Masse elektrode (12) ist.

5. Zündkerze nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Ausgangspol (20) ein Bereich der Masseelektrode (12) ist, der einem Wulst, einer Nase oder einer zur Masseelektrode (12) gerichteten Biegung des Isolators (16) gegenüber liegt.

6. Zündkerze nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Masseelektrode (12) im Bereich der Aus gangspole (18, 20) ringförmig ist, wobei die Bereiche eines inneren Randes (42), in dem die Ausgangspole (18, 20) untergebracht sind, unterschiedliche Ab stände zur Mittelelektrode (14) beziehungsweise zum Isolator (16) aufweisen.

7. Zündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand (d_e,1) zwi schen dem ersten Ausgangspol (18) und der Mittelelek trode (14) geringer ist als ein Abstand (d_e,2) zwischen dem zweiten Ausgangspol (20) und der Mittel elektrode (14), jedoch größer ist als ein Abstand (d_i,2) des zweiten Ausgangspols (20) zum Isolator (16).

8. Zündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Länge der Funken strecken, ausgehend von den jeweiligen Ausgangspolen (18, 20), unterschiedlich ist.

9. Zündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Funkenstrecke, aus gehend vom ersten Ausgangspol (18), eine Luftfunken strecke oder Luftgleitfunkenstrecke ist und die Fun kenstrecke, ausgehend vom zweiten Ausgangspol (20), eine Gleitfunkenstrecke ist.