DE10131391B4

DE10131391B4 - Zündkerze für Kogenerationssystem

Info

Publication number: DE10131391B4
Application number: DE10131391.8A
Authority: DE
Inventors: Keiji Kanao
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2000-06-29
Filing date: 2001-06-28
Publication date: 2017-08-03
Anticipated expiration: 2021-06-29
Also published as: US6724132B2; DE10131391A1; US20020021066A1; DE10131391B8; JP2002083662A; JP4433634B2

Abstract

Zündkerze (100) für einen Kogenerationsmotor, mit: einem röhrenförmigen Gehäuse (10); einer in und von dem röhrenförmigen Gehäuse getragenen stabförmigen Mittelelektrode (30) mit einer elektrischen Isolierung (20) dazwischen; einem an einem Ende (31) der Mittelelektrode (30) angeordneten stabförmigen ersten Entladungselement (32), das eine Ir-Legierung umfasst und entlang einer Achse (AX) der Mittelelektrode (30) aus einem Ende (12) des röhrenförmigen Gehäuses (10) vorragt und das entlang der Achse (AX) eine Seitenfläche (35) hat; und einer Masseelektrode (40), die in Richtung dieser Achse (AX) an dem angesprochenen Ende (12) des röhrenförmigen Gehäuses (10) angeordnet ist und von der in Radialrichtung (RD) dieser Achse (AX) eine Endfläche (41) der Seitenfläche (35) des ersten Entladungselements (32) gegenüberliegt, gekennzeichnet durch ein plattenförmiges zweites Entladungselement (42), das an der angesprochenen Endfläche (41) angeordnet ist und von dem eine Oberfläche (34) der angesprochenen Seitenfläche (35) gegenüberliegt, wobei von einem Spalt (50) zwischen dem ersten und zweiten Entladungselement (32, 42) eine Funkenentladungsstrecke gebildet wird und wobei unter der Annahme eines Spaltzwischenraums G, einer Breite D des ersten Entladungselements (32) in Normalenrichtung (ND) einer die Radialrichtung (RD) und die angesprochene Achse (AX) einschließenden Ebene (PL1) und einer Breite A der angesprochenen Oberfläche (34) in der Normalenrichtung (ND) G größer oder gleich 0,2 mm und kleiner oder gleich 0,6 mm ist, D größer oder gleich 1,6 mm ist und |A – D| kleiner oder gleich der Summe aus 0,5 mm und G ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Zündkerze für einen Motor in einem Kogenerationssystem (Kogeneration: gleichzeitige Erzeugung zweier nutzbarer Energiearten).
In einem Gasmotor eines Kogenerationssystems wird mit einer Zündkerze Kraftstoff gezündet. Bei dieser Zündkerze ist die auf die Elektrode wirkende Wärmebelastung größer als bei einer Zündkerze für Kraftfahrzeugmotoren, da der Motor für das Kogenerationssystem ununterbrochen laufen muss. Eine typische Zündkerze für Kraftfahrzeugmotoren ist zum Beispiel in der EP 0 989 646 A1 offenbart.
Die US 5 369 328 A offenbart eine Kogenerationszündkerze mit sich gegenüberliegenden Masseelektroden und einer zwischen den Masseelektroden angeordneten Mittelelektrode. Die Mittelelektrode hat einen prismenförmigen Befestigungsabschnitt, der in Draufsicht viereckig ist und eine Platin-Rhodium-Legierung umfasst. Der prismenförmige Befestigungsabschnitt wird von einem stiftförmigen Teil der Mittelelektrode getragen, der in eine Mittelöffnung im Befestigungsabschnitt ragt und mit dem prismenförmigen Abschnitt an seiner Deckfläche verschweißt oder damit weich- oder hartgelötet ist. Der Schweißabschnitt, der sich durch Aufschmelzen der Platin-Rhodium-Legierung und des Materials der Mittelelektrode ergibt, unterliegt einer Beeinflussung durch die Wärme des Verbrennungsgases und kann der Wärmebelastung nicht für lange Zeit widerstehen, so dass es an diesem Abschnitt zu einem deutlichen Verschleiß kommt.
Die JP H09-7 734 A offenbart ebenfalls eine Zündkerze mit sich gegenüberliegenden Masseelektroden und einer zwischen den Masseelektroden angeordneten Mittelelektrode. An einem Ende der Mittelelektrode ist ein stabförmiges Entladungselement angeordnet, das eine Edelmetalllegierung wie Ir-Y₂O₃ umfasst und einen Durchmesser von 0,5 bis 1,5 mm hat. Die Masseelektroden haben jeweils eine Endfläche, die der der Seitenfläche des Entladungselements gegenüberliegt. Die JP H09-7 734 A offenbart daher eine Zündkerze mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.
Darüber hinaus ist aus der DE 42 03 251 A1 eine Zündkerze mit sich gegenüberliegenden Masseelektroden und einer zwischen den Masseelektroden angeordneten Mittelelektrode bekannt, bei der sowohl am Ende der Mittelelektrode als auch an den Endflächen der Masseelektroden plättchenförmige Entladungselemente aus Platin-Nickel-Faserverbundmaterial vorgesehen sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Zündkerze für einen Kogenerationsmotor zur Verfügung zu stellen.
Gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist eine Zündkerze für einen Kogenerationsmotor vorgesehen, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
Gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung ist bei der Zündkerze der ersten Ausgestaltung D kleiner oder gleich 5,0 mm.
Gemäß einer dritten Ausgestaltung der Erfindung weist die Zündkerze der ersten Ausgestaltung einen Schweißabschnitt zwischen dem angesprochenen Ende der Mittelelektrode und dem ersten Entladungselement auf, wobei die maximale Querschnittfläche des Schweißabschnitts in einer zu der angesprochenen Achse senkrechten Ebene kleiner oder gleich 8 mm² ist.
Gemäß einer vierten Ausgestaltung der Erfindung ist bei der Zündkerze der ersten Ausgestaltung das angesprochene Ende der Mittelelektrode mit einer Oberfläche des ersten Entladungselements auf der Seite der Mittelelektrode verschweißt.
Gemäß einer fünften Ausgestaltung der Erfindung weist die Zündkerze der ersten Ausgestaltung einen durch Laserschweißen zustande gekommenen Schweißabschnitt zwischen dem angesprochenen Ende der Mittelelektrode und dem ersten Entladungselement auf, der nicht der angesprochenen Oberfläche des zweiten Entladungselements gegenüberliegt, so dass unter der Annahme eines kürzesten Abstands L zwischen dem Schweißabschnitt und dem zweiten Entladungselement L größer oder gleich G ist.
Gemäß einer sechsten Ausgestaltung der Erfindung ist bei der Zündkerze der fünften Ausgestaltung L größer oder gleich der Summe aus 0,2 mm und G.
Gemäß einer siebten Ausgestaltung der Erfindung umfassen bei der Zündkerze der ersten Ausgestaltung das erste und zweite Entladungselement Ir und zumindest einen der Stoffe Rh, Pt, Ru, Pd und W.
Die Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen. Es zeigen:
1 im Teilquerschnitt eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Seitenelektrodenzündkerze;
2A im Querschnitt eine vergrößerte Seitenansicht eines Funkenentladungsabschnitts;
2B einen Schnitt entlang der Linie B-B in 2A;
3A eine Draufsicht auf ein weiteres Beispiel für das erste Entladungselement;
3B eine Seitenschnittansicht entlang der Linie C-C in 3A;
4A und 4B Schnittansichten von Beispielen für das erste und zweite Entladungselement;
5 eine grafische Darstellung des Zusammenhangs zwischen der Entladungsbreite T und dem Spalt G bei unterschiedlicher Breite D;
6 eine grafische Darstellung des Zusammenhangs zwischen dem kürzesten Abstand L (mm) und dem Anteil (%) ungewünschten Funkenflugs zu dem Schweißabschnitt; und
7A, 7B und 8A bis 8C Abwandlungen dieses Ausführungsbeispiels.
In den Zeichnungen sind gleiche oder sich entsprechende Elemente oder Teile mit gleichen Bezugszahlen versehen.
Im Folgenden wird ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Zündkerze beschrieben, die beispielsweise in einem Motor für einen elektrischen Generator in einem Kogenerationssystem Verwendung finden kann. 1 zeigt im Teilquerschnitt eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Seitenelektrodenzündkerze 100. Seitenelektrodenzündkerzen weisen eine Mittelelektrode 30 und eine auf der Seite der Mittelelektrode 30 angeordnete Masseelektrode 40 auf, wobei entlang ihrem im wesentlichen in senkrechter Richtung zur Achse der Mittelelektrode 30 verlaufenden Spalt 50 eine Funkenentladung stattfindet.
2A zeigt im Querschnitt eine vergrößerte Seitenansicht eines Funkenentladungsabschnitts und 2B einen Schnitt entlang der Linie B-B in 2A.
Die Zündkerze 100 weist ein röhrenförmiges Metallgehäuse 10 mit einem Innenloch 36 darin und einen Gewindeabschnitt 11 zur Befestigung an einem (nicht gezeigten) Motorblock auf. Das Gehäuse 10 trägt in seinem Innenloch 36 einen Isolator 20 aus einer Aluminiumoxidkeramik (Al₂O₃) oder dergleichen. Eine Spitze 21 des Isolators liegt zu dem Raum an dem einen Ende 12 des Gehäuses 10 hin frei.
Der Isolator 20 trägt die Mittelelektrode 30 in einem Axialloch 22, so dass das Gehäuse 10 die Mittelelektrode 30 über eine Isolierung trägt. Eine Spitze 31 der Mittelelektrode 30 liegt vor dem Schweißen zu dem Raum an dem einem Ende 12 des Gehäuses 10 hin frei. Die Mittelelektrode 30 weist ein Innenmaterial und um das Innenmaterial herum ein Außenmaterial auf. Das Innenmaterial umfasst ein metallisches Material mit hervorragender Wärmeleitfähigkeit, wie etwa Cu, und das Außenmaterial ein metallisches Material mit hervorragender Wärmebeständigkeit und hervorragender Korrosionsbeständigkeit, wie etwa eine Legierung der Ni-Gruppe. Die Mittelelektrode 30 hat bei diesem Ausführungsbeispiel eine Zylinderform.
An der Spitze 31 der Mittelelektrode 30 befindet sich ein stabförmiges, eine Ir-Legierung umfassendes erstes Entladungselement 32, dessen Achse AX mit der Achse der Mittelelektrode 30 übereinstimmt. Das erste Entladungselement 32 ragt entlang seiner Achse AX von der Mittelelektrode 30 aus dem angesprochenen Ende 12 des Gehäuses 10 vor. Bei diesem Ausführungsbeispiel hat das erste Entladungselement 32 eine Stabform (Zylinderform) mit kreisförmiger Querschnittfläche und wird die Spitze 31 der Mittelelektrode 30 mit einer Oberfläche des ersten Entladungselements 32 auf der Seite der Mittelelektrode 30 mittels Laserschweißen verschweißt. Dadurch werden die Materialien der Mittelelektrode 30 und des ersten Entladungselements 32 in einem (Legierungs-)Schweißabschnitt 33 aufgeschmolzen, miteinander legiert und gehärtet. Der Schweißabschnitt 33 liegt keiner Oberfläche des nachstehend erwähnten zweiten Entladungselements 42 gegenüber.
An dem angesprochenen Ende 12 des Gehäuses 10 werden in Radialrichtung RD der Achse AX zwei Masseelektroden 40 mittels Schweißen oder dergleichen an dem Gehäuse 10 angebracht. Diese Masseelektroden 40 enthalten eine Ni-Legierung, eine Fe-Legierung oder dergleichen. Bei diesem Ausführungsbeispiel hat die Masseelektrode 40 eine Pfeilerform, deren Querschnitt rechteckig ist. Ein zu dem angesprochenen Ende 12 des Gehäuses 10 entgegengesetztes Ende (Endfläche) 41 der Masseelektrode 40 liegt der Seitenfläche 35 des ersten Entladungselements 32 gegenüber. Die Masseelektroden 40 sind bezogen auf die Kreisform des Endes 12 an entgegengesetzten Stellen angeordnet, so dass zwischen diesen Masseelektroden 40 und dem ersten Entladungselement 32 auf der Mittelelektrode 30 Funkenspalte 50 gebildet werden.
An dem angesprochenen Ende 41 der Masseelektrode 40 befindet sich ein plattenförmiges, eine Ir-Legierung enthaltendes zweites Entladungselement 42, dessen Oberfläche der angesprochenen Seitenfläche 35 des ersten Entladungselements 32 gegenüberliegt. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfasst das zweite Entladungselement 42 eine kreisförmige Platte und wird mit der Endfläche 41 der Masseelektrode 40 durch Laserschweißen verschweißt, wobei der Schweißabschnitt 43 gebildet wird, indem die beiden Materialien der Masseelektrode 40 und des zweiten Entladungselements aufgeschmolzen, legiert und gehärtet werden, so dass sich die Masseelektrode 40 mit dem zweiten Entladungselement 42 verbindet.
Das erste und zweite Entladungselement 32 und 42 enthalten jeweils hauptsächlich Ir und zusätzlich mindestens einen der Stoffe Rh (Rhodium), Pt (Platin), Ru (Ruthenium), Pd (Palladium) und W (Wolfram). Bei diesem Ausführungsbeispiel enthalten das erste und das zweite Entladungselement 32 und 42 eine Ir-Legierung mit 90 Gew.-% Ir und 10 Gew.-% Rh (nachstehend als Ir-10Rh-Legierung bezeichnet).
Bei der Seitenelektrodenzündkerze 100 dieses Ausführungsbeispiels sind die Abmessungen des ersten und zweiten Entladungselements 32 und 42 und der Funkenentladungsspalte 50 wie folgt:
Wie in 2A und 2B gezeigt ist, wird angenommen, dass der durch den Funkenspalt 50 gebildete Zwischenraum G entspricht, die Breite der Seitenfläche, die der Oberfläche des zweiten Entladungselements 42 (in Normalenrichtung ND einer die Radialrichtung RD und die Achse AX einschließenden Ebene PL1) gegenüberliegt, D entspricht und die Breite der Oberfläche des zweiten Entladungselements 42, die dem ersten Entladungselement 32 in der Normalenrichtung ND gegenüberliegt, A entspricht. Bei diesem Ausführungsbeispiel stimmt die Breite D mit dem Durchmesser des ersten Entladungselements 32 und die Breite A mit dem Durchmesser des zweiten Entladungselements 42 überein, das die Form einer kreisförmigen Platte hat.
Der durch den Spalt gebildete Zwischenraum G ist größer oder gleich 0,2 mm und kleiner oder gleich 0,6 mm. Die Breite D ist größer oder gleich 1,6 mm und kleiner oder gleich der Summe aus 0,5 mm und dem Absolutwert |A – D|. Der Grund dafür, den durch den Spalt gebildeten Zwischenraum G auf 0,2 mm ≤ G ≤ 0,6 mm einzustellen, ist der, eine Fehlzündung zu vermeiden. Da die Kogenerationszündkerze 100 eine hohe Entladungsspannung erfordert, ist dieser Bereich notwendig, um das Erfordernis nach einem stabilen Betrieb ohne Fehlzündung zu erfüllen.
D ≥ 1,6 mm ergibt sich aus Untersuchungsergebnissen der Erfinder. Im Betrieb der Zündkerze 100 entwickeln sich entlang des Spalts G, d. h. zwischen der Seitenfläche 35 des ersten Entladungselements 32 und der Oberfläche 34 des zweiten Entladungselements 42 Funken. Dadurch verschleißen sowohl die Oberfläche 34 als auch die Seitenfläche 35 und wird der Spalt G allmählich größer als der Anfangswert.
In der Praxis besteht beispielsweise dann Verschleißbeständigkeit, wenn die Zündkerze 100 in einem unter üblichen Bedingungen stattfindenden Versuch 2000 Stunden lang ununterbrochen in Betrieb ist und für den Spalt G die Differenz zwischen dem Anfangswert und dem Wert nach dem Versuch kleiner oder gleich 0,3 mm ist. Mit anderen Worten tritt eine Fehlzündung auf, wenn für den Spalt G die Differenz zwischen dem Anfangswert und dem Wert nach dem Versuch größer als 0,3 mm ist. Anhand dieses Verschleißbeständigkeitsversuchs stellten die Erfinder fest, dass die Breite D des ersten Entladungselements 32 mit D ≥ 1,6 mm größer als der herkömmliche Wert sein muss, um den Verschleiß auf der Seitenfläche 35 des ersten Entladungselements 32 zu unterdrücken und somit Fehlzündungen zu verhindern.
Bei Kogenerationszündkerzen, deren Außendurchmesser an dem Befestigungsgewindeabschnitt 11 des Gehäuses 10 im Allgemeinen 14 bis 18 mm beträgt, sollte die Breite D des ersten Entladungselements 32 allerdings auf weniger als 5,0 mm eingestellt werden. Dies liegt daran, dass die Masseelektrode 40 nur schwer innerhalb des Außendurchmessers des Befestigungsgewindeabschnitts 11 untergebracht werden kann, wenn die Breite D des ersten Entladungselements 32 größer als 5,0 mm ist.
Abgesehen davon werden für den Fall, dass die Spitze 31 der Mittelelektrode 30 wie oben beschrieben mit dem ersten Entladungselement 32 durch Laserschweißen verschweißt wird und die maximale Querschnittfläche (Verbindungsfläche) des Schweißabschnitts 33 in einer zu der Achse AX senkrechten Ebene PL2 größer als 8 mm² ist, die Wärmespannungen am Schweißabschnitt so groß, dass Risse auftreten können. Daher besteht die Möglichkeit, dass das erste Entladungselement 32 von der Mittelelektrode 30 abgelöst wird. Um die Verbindung zwischen der Spitze 31 der Mittelelektrode 30 und dem ersten Entladungselement 32 halten zu können, ist es daher günstig, wenn 1,6 mm ≤ D ≤ 5,0 mm gilt und die Maximalquerschnittfläche an dem Lötabschnitt 33 kleiner oder gleich 8 mm² ist.
Um die Verschleißbeständigkeit und die Verbindung zwischen dem ersten Entladungselement 32 in der Mittelelektrode 30 weiter zu verbessern, sollten das erste Entladungselement 32 und die Mittelelektrode 30 wie in dem in 3A und 3B gezeigten Beispiel ausgeführt sein. 3A zeigt eine Draufsicht auf ein weiteres Beispiel für das erste Entladungselement 32 und 3B eine Seitenschnittansicht entlang der Linie C-C.
Wie in 3A und 3B gezeigt ist, führt die im zur Achse AX senkrechten Querschnitt rechteckige Form des ersten Entladungselektrodenelements 32 zu einer Breite D, die innerhalb der Maximalgröße von 5,0 mm so groß wie möglich ist. Dementsprechend wird die Lebensdauer der Zündkerze 100 verbessert.
Andererseits ist der Durchmesser der Mittelelektrode 30 kleiner als die Breite D des ersten Entladungselements 32 und wurde die Mittelelektrode 30 mit der Oberfläche des ersten Entladungselements 32 auf der Seite der Mittelelektrode 30 über den Schweißabschnitt 33 durch Laserschweißen verbunden, indem die beiden Materialien der Mittelelektrode 30 des ersten Entladungselements 32 aufgeschmolzen und zu einer Legierung gemischt wurden. Dementsprechend ist der Maximalquerschnitt S des Legierungsabschnitts 33 in der zu der Achse AX senkrechten Ebene PL2 kleiner als 8 mm², so dass die Wärmespannungen an dem Schweißabschnitt 33 gering sind und sich eine günstige Verbindung ergibt.
Darüber hinaus stellten die Erfinder anhand einer Untersuchung des Zusammenhangs zwischen den Abmessungen des ersten und zweiten Entladungselements 32 und 42 und dem Funkenentladungsbereich (Entladungsbreite T in Normalenrichtung ND auf der Oberfläche des zweiten Entladungselements 42) experimentell fest, dass der Absolutwert |A – D| kleiner oder gleich der Summe aus 0,5 mm und dem Spalt G sein sollte. Dieses Merkmal ist zwar nicht wesentlich für die Erfindung, doch wird es anhand eines Beispiels beschrieben.
In diesem Beispiel fand bei dem ersten und zweiten Entladungselement 32 und 42 eine Ir-10Rh-Legierung Verwendung, galt 1,6 mm ≤ D ≤ 2,4 mm und 0,2 mm ≤ G ≤ 0,6 mm, und wurde für das zweite Entladungselement 42 wie in 4A gezeigt eine Kreisplatte verwendet, deren Breite (Durchmesser) A 4 mm betrug, was eher groß ist. Diese Zündkerze 100 wurde in eine Kammer eingebaut, in der der Druck auf 0,6 MPa erhöht wurde, und eine Funkenentladung herbeigeführt.
Die Funkenentladung trat dann in dem sich radial von der Seitenfläche des ersten Entladungselements 32 bis zur Oberfläche des zweiten Entladungselements 42 erstreckenden Bereich auf. Die Entladungsbreite T stellt an der Oberfläche des zweiten Entladungselements 42 den Entladungsbereich auf der Oberfläche dar.
5 zeigt eine grafische Darstellung des Zusammenhangs zwischen der Entladungsbreite T und dem Spalt G bei unterschiedlicher Breite D. In der Zeichnung stellt O die Änderung der Entladungsbreite T bei einer Breite D von 1,6 mm, Δ die Änderung der Entladungsbreite T bei einer Breite D von 2,0 mm und ☐ die Änderung der Entladungsbreite T bei einer Breite D von 2,4 mm dar.
Wie in 5 gezeigt ist, besteht die Tendenz, dass die Entladungsbreite T im Wesentlichen gleich der Summe aus der Breite D des ersten Entladungselements 32 und dem von dem Funkenspalt 50 gebildeten Abstand G ist. Das heißt, dass die Beziehung T = D + G gilt. Wenn die Breite A des zweiten Entladungselements 42 kleiner als (D + G) ist, kann demnach die Fläche außerhalb der Entladungsbreite T, d. h. die Fläche, die nicht zu der Funkenentladung beiträgt, wegfallen. Um bei größerer Breite A die Lebensdauer zu erhöhen, sollte die Breite A daher günstigerweise gleich (D + G) sein.
Abgesehen davon, können das erste und zweite Entladungselement 32 und 42 aufgrund von Schwankungen beim Herstellungsverfahren aus ihrer korrekten Lage versetzt sein. Wenn das zweite Entladungselement 42 beispielsweise wie in 4B gezeigt von der Achse AX des ersten Entladungselements 32 aus (in der Zeichnung nach oben) versetzt ist, befindet sich nicht die gesamte Oberfläche des zweiten Entladungselements 42 im Entladungsbereich T. Obwohl die Breite A des zweiten Entladungselements 42 gleich (D + G) eingestellt wurde, liegt daher ein nutzloser Abschnitt vor.
Die Versetzung liegt im Allgemeinen innerhalb von etwa 0,5 mm, so dass die Breite A des zweiten Entladungselements 42 kleiner oder gleich der Summe aus 0,5 mm und (D + G) sein sollte. Es gilt daher der Zusammenhang A ≤ D + G + 0,5 mm (Zusammenhang 1). Indem die Breite A des zweiten Entladungselements 42 innerhalb des durch den Zusammenhang 1 definierten Bereichs eingestellt wird, kann also der nutzlose Abschnitt vermieden werden.
Im Gegensatz zu dem in 4A und 4B gezeigten Fall kann die Breite A des zweiten Entladungselements 42 auch kleiner als die Breite D des ersten Entladungselements 32 sein. In diesem Fall vergrößert sich der Entladungsbereich T radial von der Oberfläche des zweiten Entladungselements 42 zu der Seitenfläche des ersten Entladungselements 32. Die Erfinder untersuchten auch diesen Fall und gelangten so zu dem Zusammenhang D ≤ A + G + 0,5 mm (Zusammenhang 2). Aus den Zusammenhängen (1) und (2) ergibt sich der Zusammenhang |A – D| ≤ G + 0,5 mm.
Wie vorstehend erwähnt ist, wurden bei diesem Ausführungsbeispiel die Abmessungen des ersten und zweiten Entladungselements 32 und 42 unter der Voraussetzung vergrößert, dass 0,2 mm ≤ G ≤ 0,6 mm und D ≥ 1,6 mm gilt. Die Zündkerze 100 ergibt als Zündkerze für ein Kogenerationssystem nach derzeitigem Stand eine lange Lebensdauer (beispielsweise ununterbrochener Betrieb von mehr als 2000 Stunden).
Für eine lange Lebensdauer wird zunächst die Breite D des ersten Entladungselements 32 erhöht und dann die Breite A des zweiten Entladungselements 42 so bestimmt, dass bei langer Lebensdauer der nutzlose Abschnitt des ersten oder zweiten Entladungselements 32 oder 42 im wesentlichen vermieden werden kann.
Darüber hinaus wird die Spitze 31 der Mittelelektrode 30 bei diesem Ausführungsbeispiel mit dem ersten Entladungselement 32 über den Schweißabschnitt 33 durch Laserschweißen verbunden. Wie in 2A gezeigt ist, ist es in diesem Fall vorzuziehen, dass unter der Annahme eines kürzesten Abstands L zwischen dem Schweißabschnitt 33 und dem zweiten Entladungselement 42 der kürzeste Abstand L größer als der durch den Funkenentladungsspalt 50 gebildete Zwischenraum G ist.
Die Erfinder fanden diesen Zusammenhang experimentell anhand von Untersuchungen des Zusammenhangs zwischen dem kürzesten Abstand L und ungewünschten Funkenentladungen zum Schweißabschnitt 33.
Bei diesen Untersuchungen wurde für das erste und zweite Entladungselement 32 und 42 eine Ir-10Rh-Legierung verwendet. Die Breite D des ersten Entladungselements 32 betrug 2,0 mm und die Breite A des zweiten Entladungselements 42 2,0 mm. Unter diesen Voraussetzungen und einem Zwischenraum G von 0,2, 0,4 und 0,6 mm wurde der kürzeste Abstand L geändert. Die Zündkerze 100 wurde in eine Kammer gesetzt, in der der Druck auf 0,6 MPa erhöht wurde, und eine Funkenentladung herbeigeführt, um durch Beobachtung des Funkenzustands den Anteil ungewünschten Funkenflugs zum Schweißabschnitt 33 zu ermitteln.
6 zeigt eine grafische Darstellung des Zusammenhangs zwischen dem kürzesten Abstand L (mm) und dem Verhältnis (%) der Anzahl ungewünschter Funken zum Schweißabschnitt 33 zur Gesamtfunkenzahl. Die Erfinder stellten fest, dass der Verschleiß am Schweißabschnitt 33 auf ein in der Praxis verwendbares Niveau unterdrückt werden kann, wenn der Anteil ungewünschten Funkenflugs zum Schweißabschnitt 33 auf unter 20% gesteuert wird.
Das in 6 dargestellte Ergebnis zeigt, dass das Verhältnis der Anzahl ungewünschter Funken zum Schweißabschnitt 33 auf unter 20% gedrückt werden kann, wenn der kürzeste Abstand L bei einem von dem Spalt 50 gebildeten Zwischenraum G von 0,2 mm (O) größer oder gleich 0,2 mm ist. Des weiteren kann das Verhältnis auf unter 20% gedrückt werden, wenn der kürzeste Abstand L bei einem Spaltzwischenraum G von 0,4 mm (Δ) größer oder gleich 0,4 mm ist, oder wenn der kürzeste Abstand L bei einem Spaltzwischenraum G von 0,6 mm (☐) größer oder gleich 0,6 mm ist. Das heißt, dass der Anteil ungewünschten Funkenflugs zum Schweißabschnitt 33 auf weniger als 20% gedrückt werden kann, wenn der kürzeste Abstand L größer oder gleich dem Zwischenraum G des Funkenentladungsspalts 50 ist.
Außerdem ist anhand von 6 zu erkennen, dass sämtliche Funken zwischen der Seitenfläche 35 des ersten Entladungselements 32 und der Oberfläche 34 des zweiten Entladungselements 42 auftreten, wenn der kürzeste Abstand L bei einem Zwischenraum G von 0,2 mm größer oder gleich 0,3 mm ist. Darüber hinaus treten sämtliche Funken zwischen der Seitenfläche 35 des ersten Entladungselements 32 und der Oberfläche 34 des zweiten Entladungselements 42 auf, wenn der kürzeste Abstand L bei einem Zwischenraum G von 0,4 mm größer oder gleich 0,6 mm ist, oder wenn der kürzeste Abstand L bei einem Zwischenraum G von 0,6 mm größer oder gleich 0,8 mm ist. Auf diese Weise kann Funkenflug zum Schweißabschnitt 33 verhindert werden.
Bei L ≥ G und vorzugsweise L ≥ G + 0,2 (mm) kann dementsprechend das Auftreten von Funken zwischen dem Schweißabschnitt 33 und dem zweiten Entladungselement 42 unterdrückt werden, so dass der Verschleiß an dem Schweißabschnitt 33 verringert und für eine günstige Verbindung der Mittelelektrode 30 zum ersten Entladungselement 32 gesorgt werden kann.
Wie vorstehend erwähnt ist, werden bei der Seitenelektrodenzündkerze gemäß diesem Ausführungsbeispiel die Abmessungen des ersten und zweiten Entladungselements 32 und 42 vergrößert, um für eine längere Lebensdauer zu sorgen. Darüber hinaus werden die Abmessungen des ersten und zweiten Entladungselements 32 und 42 optimiert. Auf diese Weise kann ein nutzloser Abschnitt, der nicht zur Funkenentladung beim ersten und zweiten Entladungselement 32 und 42 beiträgt, ausgeschlossen werden. Außerdem wird für eine günstige Verbindung des ersten Entladungselements 32 mit der Mittelelektrode 30 gesorgt.
(ABWANDLUNGEN)
Bei der in 1 gezeigten Zündkerze 100 sind zwei Masseelektroden 40 vorgesehen. Allerdings ist die Anzahl der Masseelektroden nicht darauf eingeschränkt. Das heißt, dass die Zahl der Masseelektroden auch eine oder, wie in 7A gezeigt ist, drei betragen kann. 7B zeigt eine Zündkerze mit vier Masseelektroden.
Bei der in 1 gezeigten Zündkerze 100 beschreibt der Querschnitt des ersten Entladungselements 32 einen Kreis. Allerdings ist die Querschnittform des ersten Entladungselements 32 nicht auf einen Kreis eingeschränkt, sofern das erste Entladungselement ein Stab ist. Wie in 8A bis 8C gezeigt ist, kann der Querschnitt des ersten Entladungselements 32 im wesentlichen rechteckig (8A) oder auch dreieckförmig sein (8B). Abgesehen davon kann die Zahl der Masseelektroden, wie in 8C gezeigt ist, vier betragen, wobei die Masseelektroden jeweils einer Seite des rechteckförmigen Querschnitts gegenüberliegen.
Darüber hinaus hat das zweite Entladungselement 42 bei der in 1 gezeigten Zündkerze 100 die Form einer Kreisplatte. Allerdings kann das zweite Entladungselement 42 auch eine beliebige andere Form haben, solange es eine Platte ist. So kann die Form beispielsweise ein Oval, eine rechteckige Platte, oder eine dreieckförmige Platte sein.
Darüber hinaus reicht es aus, wenn die Spitze der Masseelektrode der Seitenfläche des ersten Entladungselements gegenüberliegt, wobei die Form der Masseelektrode nicht auf die L-Form eingeschränkt ist. Des Weiteren kann die Verbindung der Mittelelektrode 30 mit dem ersten Entladungselement 32 und die Verbindung der Masseelektrode 40 mit dem zweiten Entladungselement 42 durch Plasmaschweißen zustande kommen.

Claims

Zündkerze (100) für einen Kogenerationsmotor, mit: einem röhrenförmigen Gehäuse (10); einer in und von dem röhrenförmigen Gehäuse getragenen stabförmigen Mittelelektrode (30) mit einer elektrischen Isolierung (20) dazwischen; einem an einem Ende (31) der Mittelelektrode (30) angeordneten stabförmigen ersten Entladungselement (32), das eine Ir-Legierung umfasst und entlang einer Achse (AX) der Mittelelektrode (30) aus einem Ende (12) des röhrenförmigen Gehäuses (10) vorragt und das entlang der Achse (AX) eine Seitenfläche (35) hat; und einer Masseelektrode (40), die in Richtung dieser Achse (AX) an dem angesprochenen Ende (12) des röhrenförmigen Gehäuses (10) angeordnet ist und von der in Radialrichtung (RD) dieser Achse (AX) eine Endfläche (41) der Seitenfläche (35) des ersten Entladungselements (32) gegenüberliegt, gekennzeichnet durch ein plattenförmiges zweites Entladungselement (42), das an der angesprochenen Endfläche (41) angeordnet ist und von dem eine Oberfläche (34) der angesprochenen Seitenfläche (35) gegenüberliegt, wobei von einem Spalt (50) zwischen dem ersten und zweiten Entladungselement (32, 42) eine Funkenentladungsstrecke gebildet wird und wobei unter der Annahme eines Spaltzwischenraums G, einer Breite D des ersten Entladungselements (32) in Normalenrichtung (ND) einer die Radialrichtung (RD) und die angesprochene Achse (AX) einschließenden Ebene (PL1) und einer Breite A der angesprochenen Oberfläche (34) in der Normalenrichtung (ND) G größer oder gleich 0,2 mm und kleiner oder gleich 0,6 mm ist, D größer oder gleich 1,6 mm ist und |A – D| kleiner oder gleich der Summe aus 0,5 mm und G ist.
Zündkerze nach Anspruch 1, bei der D kleiner oder gleich 5,0 mm ist.
Zündkerze nach Anspruch 1, mit einem Schweißabschnitt (33) zwischen dem angesprochenen Ende (31) der Mittelelektrode (30) und dem ersten Entladungselement (32), wobei die maximale Querschnittfläche des Schweißabschnitts in einer zu der angesprochenen Achse (AX) senkrechten Ebene (PL2) kleiner oder gleich 8 mm² ist.
Zündkerze nach Anspruch 1, bei der das angesprochene Ende (31) der Mittelelektrode (30) mit einer Oberfläche des ersten Entladungselements (32) auf der Seite der Mittelelektrode verschweißt ist.
Zündkerze nach Anspruch 1, mit einem durch Laserschweißen zustande gekommenen Schweißabschnitt (33) zwischen dem angesprochenen einen Ende (31) der Mittelelektrode (30) und dem ersten Entladungselement (32), der nicht der angesprochenen Oberfläche (34) des zweiten Entladungselements (42) gegenüberliegt, so dass unter der Annahme eines kürzesten Abstands L zwischen dem Schweißabschnitt (33) und dem zweiten Entladungselement (42) L größer oder gleich G ist.
Zündkerze nach Anspruch 5, bei der L größer oder gleich der Summe aus 0,2 mm und G ist.
Zündkerze nach Anspruch 1, bei der das erste und zweite Entladungselement (32, 42) jeweils Ir und zumindest einen der Stoffe Rh, Pt, Ru, Pd und W umfassen.