DE102012110362B4

DE102012110362B4 - Koronazündeinrichtung und Verfahren zum Herstellen eines Zündkopfes für eine Koronazündeinrichtung

Info

Publication number: DE102012110362B4
Application number: DE102012110362.3A
Authority: DE
Inventors: Timo Stifel; Helmut Müller
Original assignee: BorgWarner Ludwigsburg GmbH
Current assignee: BorgWarner Ludwigsburg GmbH
Priority date: 2012-10-30
Filing date: 2012-10-30
Publication date: 2015-10-15
Anticipated expiration: 2032-10-31
Also published as: CN103790753B; CN103790753A; US9464618B2; DE102012110362A1; US20140116370A1

Abstract

Koronazündeinrichtung zum Zünden von Brennstoff in einer Brennkammer eines Motors mittels einer Korona-Entladung, mit einem Isolator (2), einer Mittelelektrode (3), die in dem Isolator (2) steckt und einen Zündkopf (4) mit mehreren Zündnadeln (5) trägt, und einem Gehäuse (1), in dem der Isolator (2) steckt, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündnadeln (5) und die Mittelelektrode (3) in dem Zündkopf (4) stecken.

Description

Die Erfindung geht aus von einer Koronazündeinrichtung mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen, wie sie aus der DE 10 2010 045 173 A1 bekannt ist.
Aus der WO 2009/0163310 A2 ist eine Koronazündeinrichtung mit einer Mittelelektrode bekannt, aus einem Isolator herausragt und als ein Stift ausgebildet ist. Dieser Stift kann sich konisch zu einer Spitze verjüngen oder an seiner Stirnseite keilförmiger Einschnitte aufweisen, so dass mehrere Zündspitzen vorhanden sind.
Brennstoff lässt sich in einer Brennkammer eines Motors durch eine Koronaentladung umso leichter entzünden, je größer das Volumen der Koronaentladung ist. Mittelelektroden von Koronazündeinrichtungen tragen deshalb in der Regel einen Zündkopf mit mehreren Zündspitzen, von denen jeweils eine Koronaentladung ausgehen kann.
Zündköpfe mit mehreren Zündspitzen lassen sich sehr kostengünstig durch Ausschneiden aus Blech herstellen, wie dies in der DE 10 2010 045 175 A1 beschrieben ist. Allerdings lassen sich mit den Zündspitzen eines sternförmig aus Blech ausgeschnitten Zündkopfes nur einige wenige Raumrichtungen abdecken, so dass das erzielbare Volumen der von den Zündspitzen ausgehenden Koronaentladungen begrenzt ist.
Mit Zündköpfen, die mehrere Zündnadeln aufweisen, lässt sich in einem wesentlich größeren Volumen eine Koronaentladung erzeugen, da die Zündnadeln in beliebigen Richtungen von dem Zündkopf abstehen können. Allerdings ist die Herstellung derartiger Zündköpfe mit wesentlich höheren Kosten verbunden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Weg aufzuzeigen, wie sich ein Zündkopf, der mehrere Zündnadeln aufweist, bzw. eine Koronazündeinrichtung mit einem solchen Zündkopf kostengünstig herstellen lässt.
Diese Aufgabe wird durch eine Koronazündeinrichtung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß wird eine kostengünstige Fertigung dadurch erreicht, indem die Zündnadeln als separate Bauteile hergestellt werden, die ebenso wie die Mittelelektrode in dem Zündkopf stecken. Eine einstückige Herstellung des Zündkopfes einschließlich Zündnadeln ist zwar möglich, aber aufwändiger.
Der Zündkopf wird erfindungsgemäß durch Pulverspitzgießen aus Metall, beispielsweise aus Stahl oder einer Nickelbasislegierung, hergestellt. Eine Herstellung durch Gießen einer Schmelze, beispielsweise Kokillen- oder Schleudergießen, ist zwar ebenfalls möglich, erfordert aber einen höheren Aufwand zur Einhaltung enger Fertigungstoleranzen bzw. eine Nachbearbeitung. Ein wichtiger Vorteil einer Herstellung durch Pulverspritzgießen ist insbesondere auch, dass die Nadeln beim Sintern eines durch Pulverspritzgießen hergestellten Grünkörpers mit ihrem von der Zündspitze abgewandten Ende in dem Grünkörper stecken können und dann durch das Sintern stoffschlüssig mit dem Zündkopf verbunden werden. Die Nadeln können in den Grünkörper gesteckt werden. Möglich ist es aber auch, dass die Nadeln beim Herstellen des Grünkörpers umspritzt werden. Zusätzlich zu der durch den Sintervorgang erzeugten Verbindung der Nadeln mit dem Zündkopf können die Nadeln mit dem Zündkopf verschweißt werden, beispielsweise durch Laserschweißen oder Widerstandsschweißen.
Anstatt die Zündnadeln in den Grünkörper zu stecken, ist es auch möglich, die Zündnadeln nach dem Sintern in Vertiefungen oder Bohrungen zu stecken und dort durch Schweißen zu fixieren.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Zündnadeln oder die Zündspitzen der Zündnadeln aus einem verschleißfesteren Metall bestehen. Beispielsweise können die Zündnadeln Zündspitzen aus Platinmetall oder einer Legierung auf Basis von Platinmetall aufweisen. Im einfachsten Fall können die Zündnadeln vollständig aus Platinmetall bestehen. Möglich ist es aber auch, dass eine Zündspitze aus Platinmetall auf einen stiftförmigen Grundkörper aufgeschweißt ist.
Platinmetalle werden manchmal auch als Platinoide bezeichnet. Ein Platinmetall ist ein Metalle der Platingruppe, also Ru, Rh, Pd, Os, Ir und Pt. Als Material für Zündspitzen sind Platinmetalle und Platinmetallbasislegierungen geeignet, also Legierungen die überwiegend, bevorzugt zu mehr als 80 Gew.-%, besonderes bevorzugt zu mehr als 90 Gew.-%, aus Platinmetall bestehen.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Zündspitzen eine schräg zur Längsrichtung der Zündnadeln verlaufende Zündkante aufweisen. Eine Zündkante führt ebenso wie eine konische Spitze zu einer lokalen Erhöhung der elektrischen Feldstärke und erleichtert somit die Ausbildung einer Koronaentladung. Abstumpfen durch Abbrand ist bei punktförmigen Zündspitzen ein Problem, das zu einem vorzeitigen Ausfall führen kann, wenn sich an einer abgerundeten Spitze kein ausreichend starkes elektrisches Feld mehr bildet. Bei einer Zündkante stumpft durch Abbrand stets nur ein kleiner Abschnitt der Zündkante ab, an dem die größte elektrische Feldstärke herrscht und von dem eine Koronaentladung ausgeht. Wenn dieser kleine Abschnitt abgestumpft ist, tritt die Erhöhung des elektrischen Feldes praktisch unverändert an einem angrenzenden Abschnitt der Zündkante auf, von dem dann die Koronaentladung ausgeht. Bis eine Zündkante auf voller Länge abgestumpft und die Zündnadel dadurch unbrauchbar geworden ist, vergehen also wesentlich mehr Betriebsstunden als bei einer Zündnadel mit einer konischen Spitze.
Eine Zündkante kann mit geringem Aufwand hergestellt werden, indem eine Zündnadel entlang einer quer zu ihrer Längsrichtung verlaufenden Ebene angeschliffen oder angeschnitten wird. Die Zündnadel kann dabei senkrecht zu ihrer Längsrichtung oder schräg zu ihrer Längsrichtung angeschliffen bzw. geschnitten werden.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Gleiche und einander entsprechende Komponenten sind darin mit übereinstimmenden Bezugszahlen versehen. Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel einer Koronazündeinrichtung;
2 eine teilweise geschnittene Detailansicht zu 1;
3 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Zündkopfs einer Koronazündeinrichtung mit Zündnadeln und einem Teil der Mittelelektrode;
4 eine Zündnadel;
5 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Zündnadel.
Die in 1 und 2 dargestellte Zündeinrichtung erzeugt zum Zünden von Brennstoffen in einer Brennkammer eines Motors eine Koronaentladung. Die Koronazündeinrichtung hat ein Gehäuse 1, das an einem Ende von einem Isolator 2 verschlossen ist. In dem Isolator 2 steckt eine Mittelelektrode 3, die einen Zündkopf 4 mit mehreren Zündnadeln 5 trägt. Die Mittelelektrode 3 bildet zusammen mit dem Isolator 2 und dem Gehäuse 1 eine Kapazität, die mit einer an die Mittelelektrode 3 angeschlossene Spule in Reihe geschaltete ist. Diese Kapazität und die in dem Gehäuse angeordnete Spule sind Teil eines elektrischen Schwingkreises, durch dessen Anregung Koronaentladungen an den Zündspitzen des Zündkopfes 4 erzeugt werden können.
Ein den Isolator 2 umgebender Endabschnitt 1a des Gehäuses 1 kann ein Außengewinde 1b zum Einschrauben in einen Motorblock aufweisen. Anstelle eines Außengewindes kann die Koronazündeinrichtung aber auch mit anderen Mitteln an einem Motorblock befestigt werden.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Zündkopfes 4 mit Zündnadeln 5 und einem Abschnitt der Mittelelektrode 3. Der Zündkopf 4 wird aus Metall, beispielsweise Stahl oder einer Nickelbasislegierung, durch Pulverspritzgießen hergestellt. Dabei wird zunächst ein Grünkörper erzeugt. Der Grünkörper wird dann gesintert und dabei im Grünkörper enthaltenes Bindemittel entfernt. Beim Sintern stecken die Zündnadeln 5 mit ihren von ihrer Zündspitze 6 abgewandten Enden in dem Grünkörper. Durch das Sintern entsteht eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem fertigen Zündkopf 4 und den Zündnadeln 5. Zusätzlich können die Zündnadeln 5 auch noch mit dem Zündkopf 4 verschweißt werden.
Die Zündnadeln 5 können in eine Spritzgussform eingelegt und dann beim Pulverspritzgießen des Grünköpers umspritzt werden. Alternativ ist es aber auch möglich, die Zündnadeln 5 in den Grünkörper zu stecken. In jedem Fall stecken die Zündnadeln 5 später mit ihrem von ihrer Zündspitze 6 abgewandeten Ende in dem fertigen Zündkopf 4. In dem Zündkopf 4 steckt auch ein Abschnitt der Mittelelektrode 3. Dieser Abschnitt kann durch den Zündkopf 4 hindurchragen oder in dem Zündkopf 4 enden. Bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ragt ein Ende 3a der Mittelelektrode auf der von dem Isolator 2 abgewandten Seite aus dem Zündkopf 4 heraus. Der Abschnitt der Mittelelektrode 3 kann in eine Spritzgussform eingelegt und dann beim Pulverspritzgießen des Grünköpers umspritzt werden. Alternativ ist es aber auch möglich, die Mittelelektrode 3 in den fertigen Grünkörper oder nach dem Sintern in den Zündkopf 4 zu stecken. Die Mittelelektrode 3 kann mit dem Zündkopf verschweißt oder vernietet werden.
Der an dem Zündkopf 4 befestigte Abschnitt der Mittelelektrode 3 kann eine konische Dichtfläche 3b aufweisen, um einen gasdichten Verschluss der durch den Isolator 2 führenden Bohrung zu erleichtern.
In 4 ist ein Ausführungsbeispiel einer Zündnadel 5 dargestellt. Die Zündnadel 5 hat einen zylindrischen Körper, der schräg zu seiner Längsrichtung angeschliffen ist. Durch Anschleifen oder Anschneiden entlang einer quer zur Längsrichtung der Zündnadel 5 verlaufende Ebene werden Zündspitzen 6 ausgebildet. Durch schräges Anschneiden oder Anschleifen entsteht ein längs verlaufender Schnittgrat, der eine Zündkante bildet. Möglich ist auch ein stumpfes Abschneiden oder Abschleifen, wodurch ein klingenförmiger Grat erzeugt werden kann, der eine umlaufende Zündkante bildet.
Vorteilhaft ist bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel, dass die Zündspitzen 6, also der Endabschnitt der Zündnadeln 5, von dem eine Koronaentladung ausgeht, eine Zündkante 6a aufweisen. Diese Zündkante 6a hat bevorzugt einen elliptischen Verlauf. Die Zündnadel 5 kann beispielsweise aus Stahl, einer Nickelbasislegierung, Platinmetall oder einer Platinmetallbasislegierung bestehen.
5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Zündnadel 5, die aus einem stiftförmigen Grundkörper 5a und einer aufgeschweißten Zündspitze 6 besteht. Die Zündspitze 6 ist aus Platinmetall oder einer Platinmetallbasislegierung, beispielsweise einer Rhodium- oder Iridiumbasislegierung. Der Grundköper 5a kann aus Stahl oder einer Nickelbasislegierung gefertigt sein, beispielsweise aus Inconel. Auf diese Weise lässt sich bereits mit einer kleinen Menge Platinmetall die Lebensdauer einer Zündnadel deutlich verlängern. Das Aufschweißen einer Zündspitze 6 aus Platinmetall führt dabei zu besseren Ergebnissen als das Plattieren eines Grundkörpers mit Edelmetall, da eine aufplattierte Schutzschicht nach mehr oder weniger kurzer Zeit durch Abbrand soweit geschädigt ist, dass der Grundkörper nicht mehr geschützt ist. Eine massiv aus Platinmetall oder einer Platinmetallbasislegierung bestehende Zündspitze kann Abbrand dagegen wesentlich länger standhalten. Bevorzugt besteht die Zündspitze zu wenigstens 90 Gew.-% aus Platinmetall, beispielsweise zu wenigstens 95 Gew.-% Platinmetall.
Als Zündspitze 6 kann beispielsweise ein Draht auf einen stiftförmigen Grundkörper 5a aufgeschweißt werden. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine Zündspitze 6 ein aufgeschweißtes Stück Draht, wobei die Längsrichtung des Drahts in Längsrichtung des Grundkörpers verläuft. Bevorzugt hat der Draht einen geringeren Durchmesser als der Grundkörper. Anstelle eine Drahtabschnitts können auch anders geformte Teile als Zündspitzen aufgeschweißt werden, beispielsweise Würfel, Kugeln oder Halbkugeln.
Die Form der Zündspitze kann mit oder ohne aufgeschweißtem Edelmetallelement durch Formschleifen gebildet werden. Hierfür kann die Spitze konisch mit einem tangentialen Übergang zum zylinderförmigen Nadelschaft nachgeschliffen werden. Zu besseren Wärmeableitung von der Zündspitze ist es vorteilhaft keine rein kegelige Form anzuschleifen, sondern eine in der Kontur eher elliptische Form zu wählen.
Auch bei einer Zündnadel 5 mit einer aufgeschweißten Zündspitze 6 ist eine schräg zur Längsrichtung der Zündnadel 5 verlaufende Zündkante vorteilhaft. Beispielsweise kann die in 5 gezeigte Zündnadel 5 entlang einer quer zur Längsrichtung der Zündnadel verlaufende Ebene angeschliffen oder angeschnitten und so die Zündspitze 6 mit einer Zündkante versehen werden, die einen elliptischen Verlauf hat.

Claims

Koronazündeinrichtung zum Zünden von Brennstoff in einer Brennkammer eines Motors mittels einer Korona-Entladung, mit einem Isolator (2), einer Mittelelektrode (3), die in dem Isolator (2) steckt und einen Zündkopf (4) mit mehreren Zündnadeln (5) trägt, und einem Gehäuse (1), in dem der Isolator (2) steckt, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündnadeln (5) und die Mittelelektrode (3) in dem Zündkopf (4) stecken.
Koronazündeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zündkopf (4) stoffschlüssig mit den Zündnadeln (3) verbunden ist.
Koronazündeinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündnadeln (5) aus einem stiftförmigen Grundkörper (5a) und einer auf den Grundkörper (5a) aufgeschweißten Zündspitze (6) bestehen.
Koronazündeinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündspitzen (6) aus Platinmetall oder einer Legierung auf Basis von Platinmetall bestehen.
Koronazündeinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündspitzen (6) aus Draht sind.
Koronazündeinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündnadeln (5) eine schräg zu ihrer Längsrichtung verlaufende Zündkante (6a) aufweisen.
Koronazündeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündkante (6a) einen elliptischen Verlauf hat.
Verfahren zur Herstellung eines Zündkopfes (4) für eine Koronazündeinrichtung, wobei durch Spritzgießen von Metallpulver ein Grünköper des Zündkopfes (4) hergestellt wird, der Grünkörper gesintert wird, während Zündnadeln (5) und/oder eine Mittelelektrode (3) in ihm stecken, und so ein Zündkopf (4) mit stoffschlüssig an ihm befestigten Zündnadeln (5) und/oder stoffschlüssig an ihm befestigter Mittelelektrode (3) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Spritzgießen die Zündnadeln (5) in eine Spritzgussform eingelegt, dann beim Pulverspritzgießen des Grünköpers umspritzt werden und so ein Grünkörper mit in ihm steckenden Zündnadeln (5) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündnadeln (5) jeweils durch Anschleifen oder Anschneiden entlang einer schräg zur Längsrichtung der Zündnadel (5) verlaufenden Ebene mit einer Zündkante (6a) versehen werden.