DE10143209B4

DE10143209B4 - Zündkerze mit umkapseltem Elektrodenspalt, Verfahren zur Herstellung einer umkapselten Zündkerze und funkengezündeter Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE10143209B4
Application number: DE10143209.7A
Authority: DE
Inventors: Ronald D. Nevinger
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2000-09-14
Filing date: 2001-09-04
Publication date: 2017-05-18
Anticipated expiration: 2021-09-05
Also published as: DE10143209A1; US6460506B1

Abstract

Zündkerze (38) mit einem umkapselten Elektrodenspalt, wobei die Zündkerze (38) folgendes aufweist: eine erste Elektrode (44); einen, zumindest einen Teil der ersten Elektrode (44) abdeckenden Isolator (42); eine, mit dem Isolator (42) verbundene Zündkerzenhülle (40), wobei der Isolator (42) die erste Elektrode (44) gegenüber der Zündkerzenhülle (40) isoliert, die eine Vielzahl von hindurch verlaufenden Zumeßöffnungen (60) besitzt; eine zweite Elektrode (46), innerhalb einer Zündkammer (64) verbundene Zündkerzenhülle (40); und eine gesondert von der Zündkerzenhülle (40) geformte, mit einem Endteil (58) der Zündkerzenhülle (40) verbundene Zündkerzenkappe (62).

Description

Technisches Gebiet
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Zündkerzenvorrichtung und insbesondere auf eine umkapselte Zündkerze, auf ein Verfahren zur Herstellung einer umkapselten Zündkerze und auf einen funkengezündeten Verbrennungsmotor.
Technischer Hintergrund
Emissionen und der Wirkungsgrad treiben die Technologie immer weiter voran, um die Verbrennung von Luft-Brennstoff-Mischungen zu verbessern. Viele Verbesserungen sind durch die Steuerung der Luft-Brennstoff-Mischung hervorgerufen worden. Diese Steuerungsvorgänge sind durch verbesserte Konstruktion von Brennkammern, durch verbesserte Ventilbetätigung, durch die verbesserte Steuerung des Brennstoffes und die Zerstäubung des Brennstoffes erreicht worden. Diese Verbesserungen verbessern alle im allgemeinen die Steuerung der Brennstoff-Luft-Mischung.
Anders als bei einem Dieselmotor können funkengezündete Motoren auch ein Verbrennungsereignis durch die Einleitung bzw. Schaffung eines Funkens steuern. Umkapselte Zündkerzen kombinieren Verbesserungen, die durch die Verbesserung des Zustandes und der Vermischung von Brennstoff und Luft erreicht werden mit Verbesserungen, die durch die Steuerung der Einleitung der Zündung bzw. des Zündfunkens erreicht werden. Eine umkapselte Zündkerze weist eine Kerzenhülle auf, die einen Elektrodenspalt umgibt. Die Zündkerze definiert eine Zündkammer getrennt von einer Brennkammer. Die Zündkammer trennt auch einen Flammenkern von der Turbulenz in der Brennkammer. Wenn ein Kolben eine Luft/Brennstoff-Mischung in der Brennkammer komprimiert, läuft zumindest ein Teil der Luft/Brennstoff-Mischung durch Zumeßöffnungen in einer Zündkerze in die Zündkammer.
In der Zündkammer bewirkt der Funke, daß der Teil, der Luft/Brennstoff-Mischung verbrennt, was einen Druckanstieg in der Zündkammer zur Folge hat. Wenn der Druck in der Zündkammer die Drücke in der Brennkammer überwindet, entweichen heiße Gase aus der Zündkammer, was eine Mehrfachzündung in der Luft/Brennstoff-Mischung in der Brennkammer bildet. Mehrere Zündflammen vergrößern die Zündraten in der Brennkammer und verringern die Masse der unverbrannten Luft/Brennstoff-Mischung. Richardson zeigt umkapselte Zündkerzen sowohl in US 4 987 868 A , ausgegeben am 29. Januar 1991 als auch in US 5 105 780 A , ausgegeben am 21. April 1992.
Darüber hinaus offenbart DE 198 49 317 A1 Zündkerzen für Kraftstoffzündsysteme, insbesondere für Verbrennungskraftmaschinen.
US 4 930 473 A offenbart eine Wirbelkammer- und Zündkerzenanordnung, die ein einheitliches, im Allgemeinen tassenförmiges Bauteil mit Außengewinde für einen reversiblen Einbau im Zündkerzenaufnahmeloch eines Verbrennungsmotors sowie ein Unterteil mit verringertem Durchmesser am entgegen gesetzten Ende aufweist.
EP 0 675 272 A1 beschreibt eine Vorkammerzündeinrichtung Zündung von vorzugsweise magerem Kraftstoff-Luft-Gemisch, wobei mindestens einer der wandnah verlaufenden Zündbereiche der Zündelektroden eine Länge aufweist, die größer ist als die Hälfte des Halbmessers des im Wesentlichen kreisförmigen Querschnittes in dem entsprechenden Vorkammerbereich.
DE 31 48 296 A1 offenbart eine fremdgezündete Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Hauptbrennraum und einer diesem zugeordneten Zündkammer.
Weiterhin zeigt DE 90 05 250 U1 eine Zündkerze mit einem eingekapselten mittigen Zündelektrodenspalt und einer Öffnungsmittel aufweisenden Kapsel, die den Elektrodenspalt der Zündkerze umgibt und einkapselt, wobei der Elektrodenspalt im Wesentlichen mittig innerhalb der Kapsel angeordnet ist. Umgebungen mit erhöhter Temperatur, die umkapselte Zündkerzen antreffen, tendieren dazu, ihre Lebensdauer zu verringern. Der Betrieb in einer mageren Luft/Brennstoff-Mischung vergrößert die erforderlichen Abrißspannungen bzw. Überschlagsspannungen, die benötigt werden, um einen Elektrodenspalt zwischen der Elektrode und der Erdungselektrode zu überspringen. Vergrößerte Übersprungsspannungen erfordern eine größere elektrische Isolation zwischen der Elektrode und der Erdungselektrode. Die vergrößerte elektrische Isolation bedeutet oft eine Vergrößerung des Wärmeübertragungspfades zwischen einer Kapsel, die mit der Erdungselektrode verbunden ist, und einer kühlen Umgebung. Weiterhin wird die Abnutzung verschlimmert, da die Zumeßöffnungen durch die Zündkerze extreme Temperaturveränderungen erfahren. Heiße Gase treten aus der Zündkammer durch die Zumeßöffnungen mit hohen Geschwindigkeiten aus. Diese hohen Geschwindigkeiten vergrößern die Wärmeübertragung von den heißen Gasen auf die Zündkerze. Jedoch verhindern Widerstände, wie beispiels weise Aufschweißungen, die Wärmeübertragung weg von den Zumeßöffnungen.
Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der oben dargelegten Probleme zu überwinden.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch eine Zündkerze nach Anspruch 1, durch einen funkengezündeten Verbrennungsmotor nach Anspruch 10 sowie durch ein Verfahren zur Herstellung einer umkapselten Zündkerze nach Anspruch 7 gelöst. Die Unteransprüche beziehen sich auf bevorzugte Ausführungen der Erfindung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Querschnittsansicht eines zündkerzengezündeten Verbrennungsmotors; und
2 ist eine Ansicht einer umkapselten Zündkerze mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Bester Weg zur Ausführung der Erfindung
In 1 hat ein zündkerzengezündeter Verbrennungsmotor 10 einen Zylinderkopf 12, der dichtend mit einem Zylinderblock 14 verbunden ist. Eine Brennkammer 16 wird durch eine Zylinderwand 18 in dem Zylinderblock 14, den Zylinderkopf 12 und einen Kolben 20 definiert. Der Kolben 20 steht verschiebbar mit der Zylinderwand 18 in herkömmlicher Weise in Eingriff.
Der Zylinderkopf 12 hat zumindest einen (nicht gezeigten) Anschluß, der strömungsmittelmäßig die Brennkammer 16 mit einer (nicht gezeigten) Brennstoffleitung verbindet, eine Einlaßleitung 24 und eine Auslaßleitung 26. Für diese Anwendung hat der Motor 10 einen ersten Einlaßanschluß 28, einen zweiten (nicht gezeigten) Einlaßanschluß, einen ersten Auslaßanschluß 30 und einen zweiten (nicht gezeigten) Auslaßanschluß. Die Einlaßanschlüsse 28 stehen strömungsmittelmäßig mit der Einlaßleitung 24 in Verbindung. Die Auslaßanschlüsse 30 stehen strömungsmittelmäßig mit der Auslaßleitung 24 in Verbindung. Die Auslaßanschlüsse 30 stehen strömungsmittelmäßig mit der Auslaßleitung 26 in Verbindung. Während die Brennstoffleitung direkt mit der Brennkammer 16 verbunden sein kann, ist bei dieser Anwendung die Brennstoffleitung in Verbindung mit der Einlaßleitung 24 stromaufwärts des Einlaßanschlusses 28. Ein Einlaßventil 32 ist bewegbar in dem Einlaßanschluß 28 positioniert, und ein Auslaßventil 34 ist in dem Auslaßanschluß 30 bewegbar positioniert. Der Motor kann mehrere Einlaßventile 32 und Auslaßventile 34 für jede Brennkammer haben. Jeder Motor 10 kann mehrere Brennkammern 16 haben, die in vieler Art angeordnet sein können, wie beispielsweise in Reihenkonfiguration, V-Konfiguration, Flachmotorbauweise oder Radialkonfigurationen.
Der Zylinderkopf 12 weist weiter eine Zündkerzengrube 35 mit einem Verbindungsteil 36 auf. In dieser Anwendung ist der Verbindungsteil 36 mit Gewinde versehen. Die Zündkerzengrube kann auch (nicht gezeigte) Kühlkanäle aufweisen. Jedoch kann der Verbindungsteil 36 irgendein herkömmlicher Verbindungsmechanismus sein, der Drücken, Temperaturen und den chemischen Vorgängen widerstehen kann, die für einen Verbrennungsprozeß typisch sind. Eine Zündkerze 38 steht in dichtender Weise mit dem Zylinderkopf 12 in Verbindung.
2 zeigt die Zündkerze mit einer Zündkerzenhülle 40, mit einem Isolator 42, einer ersten Elektrode 44 und einer zweiten Elektrode 46. Die erste Elektrode 44 hat einen ersten Teil 48, der mit einer (nicht gezeigten) Leistungsquelle verbunden ist, und einem zweiten Teil 50. Die erste Elektrode 44 ist aus einem Material mit guter elektrischer Leitfähigkeit und Wärmebeständigkeit hergestellt, wie beispielsweise einer Nickellegierung. Der Isolator sollte elektrisch die erste Elektrode von der zweiten Elektrode isolieren, während immer noch die strukturelle Integrität in der Hochtemperaturumgebung beibehalten wird, wie beispielsweise bei einer Keramik. Der Isolator 42 steht in Verbindung mit der ersten Elektrode 44 und deckt diese ab, und zwar zwischen dem ersten Teil 48 und dem zweiten Teil 50.
Die Zündkerzenhülle 40 hat eine Isolatarrückhaltregion 52, eine Verbindungsregion 54, eine Zumeßöffnungsregion 56 und einen spitzen Teil 58. Die Isolatorrückhaltregion 52 steht dichtend in Verbindung mit dem Isolator 42 gegenüberliegend zum zweiten Teil 50 der ersten Elektrode 44. In dieser Anwendung steht die Verbindungsregion 54 mit dem Verbindungsteil 36 der Zündkerzengrube 34 in Verbindung. Wie oben erwähnt kann irgendeine übliche Verbindungsart verwendet werden. Die Zumeßöffnungsregion 56 definiert eine Vielzahl von Zumeßöffnungen 60 zwischen der Verbindungsregion 54 und dem Spitzenteil 58. Der Spitzenteil 58 ist in nächster Nähe zur Brennkammer 16, wobei mit eingeschlossen sei, daß er innerhalb der Brennkammer 16 sein könnte. Der Spitzenteil 58 definiert eine Zugriffsöffnung 59, die ausreichend groß ist, um auf die erste Elektrode 44 und die zweite Elektrode 46 zuzugreifen. Die zweite Elektrode 46 steht in Verbindung mit der Zündkerzenhülle 40, und zwar vorzugsweise nahe der Verbindungsregion, und erstreckt sich radial nach innen zur ersten Elektrode 44 hin. Eine vorbestimmte Distanz zwischen der ersten Elektrode 44 und der zweiten Elektrode 46 erzeugt einen Elektrodenspalt 61. Die Zündkerzenhülle 40 ist aus einem Material hergestellt, das hohe thermische Leitfähigkeit, hohe thermische Stabilität und Widerstandsfähigkeit gegenüber einer Korrosion in der Umgebung in hohen Temperaturen von bis zu 2.100 Grad Fahrenheit (1.150°C). In diesem Ausführungsbeispiel wird eine Nikkellegierung verwendet, die ungefähr 99 Gewichtsprozent Nickel enthält. Andere Eisen- und Nichteisenlegierungen können auch verwendet werden. In ähnlicher Weise können korrosionsbeständige Oberflächenbehandlungen eine Korrosionsbeständigkeit vorsehen.
Eine Zündkerzenkappe 62 steht dichtend in Verbindung mit dem Spitzenteil 58 der Zündkerzenhülle 40. Die Zündkerzenkappe 62, die Zündkerzenhülle 40 und der Isolator 42 definieren eine Zündkammer 64. Bei dieser Anwendung ist die Zündkerzenkappe 62 auf dem spitzen Teil 58 durch einen herkömmlichen in volle Tiefe herunterreichenden TIG-Schweißprozeß verbunden. Andere herkömmliche Verbindungsverfahren, wie beispielsweise (Hart-)Löten können auch verwendet werden, solange sie der Umgebung mit hoher Temperatur und hohem Druck widerstehen. Die Zündkerzenkappe 62 kann aus einem zweiten Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit, mit hoher thermischer Stabilität und Beständigkeit gegen eine Korrosion durch die Umgebung mit hohen Temperaturen von bis zu 2.100 Grad Fahrenheit (1.150°C) hergestellt sein. In dieser Anwendung sind das erste Material und das zweite Material das gleiche. Jedoch kann das erste Material und das zweite Material unterschiedlich sein.
Industrielle Anwendbarkeit
Die Zündkerze 38 verbessert bei dieser Anwendung die Steuerung des Verbrennungsprozesses und verbessert die Lebensdauer gegenüber Zündkerzen mit der gegenwärtigen Konstruktion. Ein Großteil der verbesserten Lebensdauer resultiert aus der verbesserten Wärmeübertragung von der Zumeßöffnungsregion 56 durch die Zündkerzenhülle 40 zum Zylinderkopf 12. Die verbesserte Wärmeübertragung verhindert eine Vorzündung oder eine vorzeitige Explosion, die in anderer Weise aus einer Überhitzung der Zündkerzenhülle 40 resultieren kann.
Im Betrieb druckt der Kolben 20, wenn er sich durch seinen Kompressionshub bewegt, eine Luft/Brennstoff-Mischung von der Brennkammer durch die Zumeßöffnungsregion 56 in die Zündkammer 64. Zu einem vorbestimmten Zeitpunkt erzeugt die Leistungsquelle eine Spannungsdifferenz zwischen der ersten Elektrode 44 und der zweiten Elektrode 46. Der Isolator 42 verhindert, daß die erste Elektrode die Spannung zwischen der ersten Elektrode 44 und der zweiten Elektrode 46 überträgt. Wenn die Spannungsdifferenz ansteigt, springt ein Funke zwischen der ersten Elektrode 44 und der zweiten Elektrode 46 über. Der Funke zündet die Luft/Brennstoff-Mischung.
Wenn die Luft/Brennstoff-Mischung verbrennt, steigt der Druck und die Temperatur der Luft/Brennstoff-Mischung. Die Luft/Brennstoff-Mischung in der Zündkammer 64 steigt schließlich auf einen ausreichenden Druck an, um den Fluß von Verbrennungsgasen durch die Zumeßöffnungsregion 56 mit hohen Geschwindigkeiten zurück in die Brennkammer 16 zu begünstigen. Hohe Geschwindigkeiten und hohe Temperaturen der Verbrennungsgase begünstigen eine schnelle Aufheizung der Zumeßöffnungsregion 56. Jedoch sieht die Zundkerzenhülle 40 einen ununterbrochenen Wärmeübertragungspfad zum Zylinderkopf 12 vor, um eine schnelle Abkühlung der Zumeßöffnungsregion 56 zu begünstigen. Ohne ordnungsgemäße Kühlung beginnen die Zündkerzenhülle 40 und die Zündkerzenkappe, Energie zu speichern und sie erfahren gesteigerte Temperaturen. Bei gesteigerten Temperaturen können die Zündkerzenhülle 40 und die Zündkerzenkappe 62 Quellen vorzeitiger Zündung werden.
Die Zugriffsöffnung 59 bietet einen leichten Zugriff zur Einstellung des Funkenspaltes zwischen der ersten Elektrode 44 und der zweiten Elektrode 46. Weiterhin steht die Zündkerzenkappe 62 in Verbindung mit der Zündkerzenhülle 40, um eine Wärmeübertragung weg von der Zündkerzenkappe 62 in den Zylinderkopf 12 zu bieten, und dies hält die Zündkerzenkappe 62 auf einer ausreichend geringen Temperatur, um eine Vorzündung oder vorzeitige Detonation zu verhindern.
Andere Aspekte, Ziele und Vorteile dieser Erfindung können aus einem Studium der Zeichnungen, der Offenbarung und der beigefügten Ansprüche erhalten werden.

Claims

Zündkerze (38) mit einem umkapselten Elektrodenspalt, wobei die Zündkerze (38) folgendes aufweist: eine erste Elektrode (44); einen, zumindest einen Teil der ersten Elektrode (44) abdeckenden Isolator (42); eine, mit dem Isolator (42) verbundene Zündkerzenhülle (40), wobei der Isolator (42) die erste Elektrode (44) gegenüber der Zündkerzenhülle (40) isoliert, die eine Vielzahl von hindurch verlaufenden Zumeßöffnungen (60) besitzt; eine zweite Elektrode (46), innerhalb einer Zündkammer (64) verbundene Zündkerzenhülle (40); und eine gesondert von der Zündkerzenhülle (40) geformte, mit einem Endteil (58) der Zündkerzenhülle (40) verbundene Zündkerzenkappe (62).
Zündkerze (38) nach Anspruch 1, wobei die Zündkerzenkappe (62) aus einer Nickellegierung hergestellt ist.
Zündkerze (38) nach Anspruch 2, wobei die Zündkerzenhülle (40) aus der Nickellegierung hergestellt ist.
Zündkerze (38) nach Anspruch 1, wobei die Zündkerzenhülle (40) aus einer Eisenlegierung mit einer korrosionsbeständigen Oberflächenbehandlung hergestellt ist.
Zündkerze (38) nach Anspruch 1, wobei die Zündkerzenkappe (62) eine Hüllenkappenzumeßöffnung (66) hat.
Zündkerze nach Anspruch 1, wobei die Zündkerzenkappe (62) auf den Endteil (58) der Zündkerzenhülle (40) geschweißt ist.
Verfahren zur Herstellung einer umkapselten Zündkerze (38), das folgende Schritte aufweist: Formen einer Zündkerzenhülle (40) mit einer Vielzahl von Zumeßöffnungen (60); Verbinden einer zweiten Elektrode (46) mit der Zündkerzenhülle (40); Isolieren der zweiten Elektrode (46) von einer ersten Elektrode (44); Einstellung eines Elektrodenspaltes (61) zwischen der ersten Elektrode (44) und der zweiten Elektrode (46) durch eine Zugriffsöffnung (59), die von einem Endteil (58) der Zündkerzenhülle (40) definiert ist; und Abdecken der Zugriffsöffnung (59) durch die Verbindung einer Zündkerzenkappe (62) mit dem Endteil (58) der Zündkerzenhülle (40) ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Schritt des Isolierens die Abdeckung der ersten Elektrode (44) mit einem Isolator (42) ist.
Verfahren nach Anspruch 7, das weiter den Schritt aufweist, eine Hüllenkappenzumeßöffnung (66) in der Zündkerzenkappe (62) zu formen.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Abdeckung der Zugriffsöffnung (58) mittels Schweißen der Zündkerzenkappe (62) auf den Endteil (58) der Zündkerzenhülle (40) erfolgt.
Funkengezündeter Verbrennungsmotor (10), der folgendes aufweist: einen Zylinderkopf (12); einen Zylinderblock (14), der mit dem Zylinderkopf (12) verbunden ist; eine Brennkammer (16), die von dem Zylinderkopf (12) und dem Zylinderblock (14) definiert wird; einen Kolben (20), der innerhalb der Brennkammer (16) bewegbar ist; eine umkapselte Zündkerze (38), die mit dem Zylinderkopf (12) verbunden ist, wobei die Zündkerze (38) eine Zündkerzenhülle (40), eine erste Elektrode (44), einen Isolator (42), eine zweite Elektrode (46) und eine Zündkerzenkappe (62) besitzt, wobei die erste Elektrode (44) von der zweiten Elektrode (46) durch einen Isolator (42) getrennt ist, wobei die zweite Elektrode (46) mit der Zündkerzenhülle (40) verbunden ist, wobei die Zündkerzenhülle (40) einen Endteil (58) in Richtung zur Brennkammer (16) aufweist, wobei die Zündkerzenhülle (40) eine Vielzahl von Zumeßöffnungen (60) hat, wobei die Zündkerzenhülle (40) eine Zugriffsöffnung (59) in der Nähe des Endteils (58) hat, wobei die, gesondert von der Zündkerzenhülle (40) geformte Zündkerzenkappe (62) mit dem Endteil (58) verbunden ist.
Funkengezündeter Verbrennungsmotor (10) nach Anspruch 11, der weiter eine Hüllenkappenzumeßöffnung (66) in der Zündkerzenhüllenkappe (62) aufweist.