DE102012110657B3

DE102012110657B3 - Koronazündeinrichtung

Info

Publication number: DE102012110657B3
Application number: DE201210110657
Authority: DE
Inventors: Timo Stifel
Original assignee: BorgWarner Beru Systems GmbH
Current assignee: BorgWarner Ludwigsburg GmbH
Priority date: 2012-11-07
Filing date: 2012-11-07
Publication date: 2014-02-06
Anticipated expiration: 2032-11-08
Also published as: CN103807083B; CN103807083A; US9574540B2; US20140123925A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Koronazündeinrichtung zum Zünden von Brennstoff in einer Brennkammer eines Motors mittels einer Koronaentladung, mit einem Isolator (2), der einen durchgehenden Kanal aufweist, einer Mittelelektrode (3), die in dem Kanal des Isolators (2) steckt und zu wenigstens einer Zündspitze führt, einer Glasdichtung (4), die in dem Kanal einen Spalt zwischen der Mittelelektrode (3) und dem Isolator (2) abdichtet, und einem Gehäuse (1), in dem der Isolator (2) steckt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Mittelelektrode (3) eine Dichtfläche (3a) aufweist, die zusammen mit einer Dichtfläche des Isolators (2) einen Dichtsitz bildet, und dass in einem der Zündspitze zugewandten Endabschnitt des Kanals zwischen der Mittelelektrode (3) und dem Isolator (2) ein ringförmiger, zur Zündspitze hin offener Luftspalt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Koronazündeinrichtung zum Zünden von Brennstoff in einer Brennkammer eines Motors mittels einer Koronaentladung.
Koronazündeinrichtungen sind beispielsweise aus der EP 1 897 193 B1 , der WO 2012/097 290 A1 sowie der WO 2012/116 004 A1 bekannt. Derartige Koronazündeinrichtungen und haben einen Isolator mit einem durchgehenden Kanal in dem eine Mittelelektrode steckt, die zu wenigstens einer Zündspitze führt.
Koronazündeinrichtungen sind eine Alternative zu Zündkerzen, die eine Zündung von Brennstoff durch eine Bogenentladung bewirken. Koronazündeinrichtungen bewirken eine Zündung dagegen durch eine Koronaentladung und haben deshalb das Potential einer wesentlich größeren Lebensdauer. Koronaentladungen verursachen nämlich wesentlich weniger Abbrand an einer Zündspitze als Bogenentladungen.
Koronaentladungen an einer Zündspitze werden durch hochfrequente Anregung eines elektrischen Schwingkreises erzeugt. Die Kapazität dieses Schwingkreises wird von dem Gehäuse der Koronazündeinrichtung und einer Mittelelektrode gebildet, die zu der Zündspitze führt. Die Mittelelektrode steckt in einem Kanal eines Isolators, der das brennraumseitige Ende des Gehäuses gasdicht verschließt. In dem Kanal des Isolators befindet sich eine Glasdichtung, um eine Leckage von Brennraumgasen zu verhindern.
Ein häufiger Grund für einen vorzeitigen Ausfall von Koronazündeinrichtungen sind Spannungsdurchschläge im Inneren einer Koronazündeinrichtung.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Weg aufzuzeigen, wie sich die Lebensdauer von Koronazündeinrichtungen erhöhen lässt.
Diese Aufgabe wird durch eine Koronazündeinrichtung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Bei einer erfindungsgemäßen Koronazündeinrichtung weist die Mittelelektrode eine Dichtfläche auf, die zusammen mit einer Dichtfläche des Isolators einen Dichtsitz bildet. Überraschender Weise lässt sich dadurch die Gefahr eines vorzeitigen Ausfalls der Koronazündeinrichtung deutlich reduzieren.
Die Glasdichtung einer Koronazündeinrichtung ist nämlich einer erheblichen Temperaturbelastung ausgesetzt, die dazu führen kann, dass die Glasdichtung im Betrieb weich wird und Verschmutzungen in den Kanal eindringen können. Dadurch erhöht sich die Gefahr von Durchschlägen und Teilentladungen, die zu einem vorzeitigen Ausfall der Koronazündeinrichtung führen können. Ablagerungen von Brennstoffresten in einem mit Glas gefüllten Abschnitt des Kanals reichern sich im Lauf der Zeit an und setzten die Spannungsfestigkeit immer mehr herab, bis es schließlich zu Spannungsdurchschlägen kommt. Durch den Dichtsitz, insbesondere durch einen konischen Dichtsitz, wird selbst bei einem Weichwerden der Glasdichtung eine hervorragende Abdichtung gewährleistet.
Bevorzugt wird die Dichtfläche der Mittelelektrode mit einer Vorspannung gegen die Dichtfläche des Isolators gedrückt. Auf diese Weise lässt sich die Abdichtung noch weiter verbessern, insbesondere auch bei einem Weichwerden der Glasdichtung.
Erfindungsgemäß ist in einem der Zündspitze zugewandten Endabschnitt des Kanals zwischen der Mittelelektrode und dem Isolator ein ringförmiger, zur Zündspitze hin offener Luftspalt. Die Glasdichtung ist also in einem Abstand von dem brennraumseitigen Ende des Isolatorkörpers angeordnet und deshalb nur einer reduzierten thermischen Belastung ausgesetzt. Die verbesserte Abdichtung erschwert das Eindringen von Brennraumgasen und Verschmutzungen in die Glasdichtung bzw. einen hinter dem Dichtsitz liegenden Kanalabschnitt. Vorteilhaft ist deshalb die Gefahr von Durchschlägen und Teilentladungen reduziert. Ablagerungen von Brennstoffresten in dem Luftspalt können durch Koronaentladungen immer wieder verbrannt werden, so dass auch an dieser Stelle Durchschläge und Teilentladungen vermieden werden können.
Um die Ausbildung einer Koronaentladung in dem Luftspalt zu erleichtern und somit das Ansammeln von Brennstoffresten zu verhindern, ist bevorzugt, dass ein Abschnitt der Mittelelektrode und/oder die Oberfläche des Isolators in dem Luftspalt eine Feldspitze zur Erzeugung einer Koronaentladung in dem Luftspalt bewirkt. Beispielsweise können in dem Endabschnitt des Kanals die Mittelelektrode und/oder die Innenseite des Isolators eine erhöhte Rauhigkeit aufweisen, also eine größere Rauhigkeit als in dem die Glasdichtung enthaltenden Hauptabschnitt des Kanals haben. Alternativ oder zusätzlich kann ein Abschnitt der Mittelelektrode zwischen der Zündspitze und der Dichtfläche der Mittelelektrode eine umlaufende Kante aufweisen. Eine Kante bewirkt nämlich eine lokale Erhöhung des elektrischen Feldes, also eine Feldspitze, und führt deshalb zu einer Koronaentladung.
Ein Dichtsitz kann zu lokalen Erhöhungen des elektrischen Feldes führen und somit die Gefahr von Spannungsdurchschlägen zwischen Mittelelektrode und Gehäuse mit sich bringen. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht deshalb vor, dass der Isolator mit seinem brennraumseitigen Ende aus dem Gehäuse herausragt, beispielsweise mit einer Länge B, und der Dichtsitz in diesem Endabschnitt des Isolators angeordnet ist, beispielsweise in einem Abstand A von dem brennraumseitigen Ende des Isolators. Die Dichtfläche der Mittelelektrode ist dann vollständig außerhalb des Gehäuses angeordnet. Durch ausreichend hohen Abstand der Dichtflächen von dem Gehäuse lassen sich Spannungsdurchschläge vermeiden, selbst wenn Kanten der Dichtflächen lokale Feldüberhöhungen oder Feldspitzen bewirken. Bevorzugt liegt das Verhältnis von A zu B bei 0,3 bis 0,7, besonders bevorzugt ist A/B im Bereich von 0,4 bis 0,6.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an einem Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Koronazündeinrichtung; und
2 das brennraumseitige Ende einer Koronazündeinrichtung in einer schematischen Schnittansicht.
Die in 1 dargestellte Koronazündeinrichtung hat ein Gehäuse 1, das an einem Ende von einem Isolator 2 verschlossen ist. Wie insbesondere 2 zeigt, steckt dem Isolator 2 eine Mittelelektrode 3, die zu wenigstens einer Zündspitze führt. In 1 sind mehrere Zündspitzen dargestellt, während in 2 der Einfachheit halber nur eine einzige Zündspitze dargestellt ist. Indem an der Mittelelektrode ein Zündkopf mit mehreren Zündspitzen befestigt wird, lässt sich eine Koronaentladung in einem größeren Volumen erzeugen.
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 bilden einen elektrischen Schwingkreis, durch dessen Anregung Koronaentladungen an der Zündspitze bzw. den Zündspitzen 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.
Wie 2 zeigt, liegt die Mittelelektrode 3 in einem Kanal des Isolators 2 und ist dort von einer Glasdichtung 4 umgeben. Die Glasdichtung 4 ist bevorzugt aus Leitglas, beispielsweise aus Glas, das durch leitfähige Zusätze wie Graphit- oder Metallpartikel, elektrisch leitfähig gemacht wurde.
Die Glasdichtung 4 dichtet in dem Kanal einen Ringspalt zwischen der Mittelelektrode 3 und dem Isolator 2 ab. Zur Verbesserung der Abdichtung weist die Mittelelektrode 3 eine konische Dichtfläche 3a auf, die zusammen mit einer konischen Dichtfläche des Isolators 2 einen Dichtsitz bildet. Die Dichtfläche 3a der Mittelelektrode 3 kann mit einer Vorspannung gegen die konische Dichtfläche des Isolators 2 gedrückt werden, um auch bei einem Weichwerden der Glasdichtung 4 eine zuverlässige Abdichtung gegen Brennraumgase zu gewährleisten.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Dichtfläche des Isolators 2 gebildet, indem der Kanal einen sich konisch verjüngenden Abschnitt aufweist, der an einen die Glasdichtung 2 enthaltenden Hauptabschnitt angrenzt. An den sich konisch verjüngenden Abschnitt schließt ein Endabschnitt an, der ebenso wie der Hauptabschnitt zylindrisch geformt sein kann, aber enger als der Hauptabschnitt ist. Der Endabschnitt des Kanals kann sich auch zu seinem von dem Dichtsitz abgewandten Ende hin aufweiten, beispielsweise konisch aufweiten. Auf diese Weise lässt sich eine vorteilhafte Wanderung von Koronaentladungen in dem Luftspalt erreichen.
Zwischen dem Dichtsitz und dem der Zündspitze zugewandten Ende des Isolators 2 ist die Mittelelektrode 3 von einem Luftspalt umgeben, der zur Zündspitze und somit zum Brennraum hin offen ist. Der brennraumseitige Endabschnitt des Kanals hat nämlich einen größeren Durchmesser als der in ihm angeordnete Abschnitt der Mittelelektrode 3.
Die Mittelelektrode 3 verbreitert sich an ihrer Dichtfläche. Damit dies nicht zu Spannungsdurchschlägen führt, ragt ein der Zündspitze zugewandter Endabschnitt des Isolators 2 aus dem Gehäuse 1 heraus. Der Dichtsitz befindet sich in diesem Endabschnitt des Isolators 2. Einerseits soll die Dichtfläche der Mittelelektrode 3 nicht zur Spannungsdurchschlägen zu dem Gehäuse 1 führen. Hierfür ist ein möglichst großer Abstand zu dem Ende des Gehäuses 1 vorteilhaft. Andererseits soll der Dichtsitz thermisch möglichst wenig belastet werden. Hierfür ist ein möglichst großer Abstand von der Zündspitze vorteilhaft.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ragt der Isolator 2 mit einem Endabschnitt der Länge B aus dem Gehäuse 1 heraus. Diese Länge B ist größer als die Länge A des ringförmigen Luftspalts in dem Kanal des Isolators 2. Vorteilhaft ist ein Längenverhältnis A/B im Bereich von 0,3 bis 0,7. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Länge A zwischen vier und sechs Zehnteln der Länge B beträgt.
Es ist aber auch möglich, den Dichtsitz in dem Gehäuse 1 anzuordnen. Dann sollte der Abstand A des Dichtsitzes von dem brennraumseitigen Ende des Isolators 2 bevorzugt mindestens das 1,3 fache der Länge B betragen, beispielsweise ist vorteilhaft wenn das Verhältnis A/B im Bereich von 1,5 bis 2,0 liegt.
In dem Luftspalt, der bevorzugt eine Breite C von 0,05 mm bis 0,5 mm hat, ergibt sich eine hohe elektrische Feldstärke, die das Entstehen von Koronaentladungen begünstigt. Koronaentladungen in dem Luftspalt verbrennen eventuell vorhandene Verbrennungsrückstände und verhindern somit eine Verkokung des Luftspaltes.
Zur Unterstützung der Ausbildung einer Koronaentladung in dem Luftspalt können gezielt Feldspitzen erzeugt werden, beispielsweise indem ein Endabschnitt der Mittelelektrode 3 und/oder die Oberfläche des Isolators 2 in dem Endabschnitt des Kanals aufgeraut sind. Besonders wirksam sind Kanten an der Mittelelektrode 3. Beispielsweise kann durch eine Durchmesseränderung an einem Endabschnitt der Mittelelektrode 3 eine umlaufende Kante 5 ausgebildet sein. Eine solche Kante 5 kann in dem Isolator 2 oder außerhalb von dem Isolator 2 liegen. Wenn sie außerhalb liegt, ist bevorzugt, dass sich die Mittelelektrode in einem an die Kante 5 angrenzenden Bereich weniger stark verjüngt als in einem daran anschließenden Bereich. Möglich ist auch, in dem Endabschnitt des Kanals eine Kante vorzusehen, um die Ausbildung einer Koronaentladung in dem Luftspalt zu erleichtern.

Claims

Koronazündeinrichtung zum Zünden von Brennstoff in einer Brennkammer eines Motors mittels einer Koronaentladung, mit einem Isolator (2), der einen durchgehenden Kanal aufweist, einer Mittelelektrode (3), die in dem Kanal des Isolators (2) steckt und zu wenigstens einer Zündspitze führt, einer Glasdichtung (4), die den Kanal abdichtet, und einem Gehäuse (1), in dem der Isolator (2) steckt, wobei die Mittelelektrode (3) eine Dichtfläche (3a) aufweist, die zusammen mit einer Dichtfläche des Isolators (2) einen Dichtsitz bildet, in einem der Zündspitze zugewandten Endabschnitt des Kanals zwischen der Mittelelektrode (3) und dem Isolator (2) ein ringförmiger, zur Zündspitze hin offener Luftspalt ist, und die Dichtfläche (3a) der Mittelelektrode (3) und die Dichtfläche des Isolators (2) konisch sind.
Koronazündeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein der Zündspitze zugewandter Endabschnitt des Isolators (2) aus dem Gehäuse (1) herausragt.
Koronazündeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Luftspalt kürzer als der aus dem Gehäuse (1) herausragende Endabschnitt des Isolators (2) ist.
Koronazündeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Länge (A) des ringförmigen Luftspaltes zu der Länge (B) des aus dem Gehäuse (1) herausragenden Endabschnitts des Isolators (2) im Bereich von 0,3 bis 0,7 liegt.
Koronazündeinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Endabschnitt des Kanals enger als ein die Glasdichtung (4) enthaltender Hauptabschnitt des Kanals ist.
Koronazündeinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abschnitt der Mittelelektrode (3) und/oder die Oberfläche des Isolators (2) in dem Luftspalt eine Feldspitze zur Erzeugung einer Koronaentladung in dem Luftspalt bewirkt.
Koronazündeinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung einer Koronaentladung in dem Luftspalt ein Abschnitt der Mittelelektrode (3) eine umlaufende Kante (5) aufweist.
Koronazündeinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtfläche (3a) der Mittelelektrode (3) mit einer Vorspannung gegen die Dichtfläche des Isolators (2) gedrückt ist.