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Die Erfindung betrifft eine Koronazündeinrichtung zum Zünden von Brennstoff in einer Brennkammer eines Motors mittels einer Koronaentladung.
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Eine Koronazündeinrichtung mit den im Oberbegriff des Anspruch 1 angegebenen Merkmalen ist aus der
DE 10 2010 045 175 A1 bekannt. Bei dieser Koronazündeinrichtung trägt die Mittelelektrode einen Zündkopf, der mehrere Zündspitzen aufweist, und durch Ausschneiden aus Blech hergestellt ist.
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Aus der
WO 2011/130365 A1 ist es bekannt, die Zündspitzen eines solchen Zündkopfes mit einer verschleißfesten Schicht zu bedecken und so die Lebensdauer des Zündkopfes zu erhöhen. Die verschleißfeste Schicht wird im Bereich der Zündspitzen auf die Oberseite und eventuell auch auf die Unterseite des Zündkopfes durch Plattieren, Pulverbeschichten oder Kathodenstrahlzerstäubung aufgebracht. Als Material für die verschleißfeste Schicht werden unter anderem Platinmetalle genannt.
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Aus der
DE 10 2010 062 279 A1 ist es bekannt, auf die Elektrode einer Koronazündeinrichtung ein Stück Platin- oder Patiniridiumdraht als Zündspitze aufzuschweißen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es einen Weg aufzuzeigen, wie ein verschleißfester Zündkopf einer Koronazündeinrichtung wirtschaftlich gefertigt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch eine Koronazündeinrichtung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie durch einen Zündkopf gemäß Anspruch 5 und ein Verfahren gemäß Anspruch 6 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Bei einer erfindungsgemäßen Koronazündeinrichtung bestehen die Zündspitzen aus einem anderen Material als der Grundkörper und sind an einer Seitenfläche des Grundkörpers befestigt. Unter der Seitenfläche ist dabei jene Fläche zu verstehen, welche die Oberseite des Zündkopfes bzw. eines Blechs mit der Unterseite verbindet. Die Seitefläche wird manchmal auch als Schmalseite oder Umfangsseite bezeichnet.
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Anstatt den Zündkopf aus Blech auszuschneiden und anschließend Ober- und Unterseite der Zündspitzen mit einem verschließfesten Material zu beschichten – wie dies aus der
WO 2011/130365 A1 bekannt ist – wird erfindungsgemäß der Zündkopf aus einem Halbzeug ausgeschnitten, das aus zwei unterschiedlichen Materialen zusammengefügt ist, nämlich aus einem Blech, das aus einem ersten Material, beispielsweise Stahl oder einer anderen Basislegierung eines Übergangsmetalls, besteht und wenigstens einem Körper aus einem zweiten Material, beispielsweise Platinmetall, der auf einem Randbereich, vorzugsweise einer Seitenfläche, des Blechs angebracht ist. Die Zündspitzen eines erfindungsgemäßen Zündkopfes, d. h. die Endabschnitte von Zacken oder radialen Vorsprüngen des Zündkopfes, haben deshalb Schnittkanten, d. h. Kanten, die durch Schneiden erzeugt wurden, beispielsweise Laserschneiden, Stanzen oder Funkenerosion. Scharfe Kanten der Zündspitzen sind für das Ausbilden einer Koronaentladung vorteilhaft. Die Vorsprünge der Zündköpfe, deren Enden die Zündspitzen sind, sind bevorzugt Zacken, beispielsweise bei sternförmigen Zündköpfen.
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Bei einem erfindungsgemäßen Zündkopf sind die Zündspitzen an einer Seitenfläche des Grundkörpers befestigt. Die Zündspitzen können auf diese Weise vollständig aus einem verschleißfesten Material hergestellt werden, beispielsweise aus Platinmetall. Wenn die Zündspitzen durchgehend von ihrer Oberseite bis zu ihrer Unterseite aus einem anderen Material als der Grundköper bestehen, lässt sich eine höhere Lebensdauer erreichen, als mit Zündspitzen, die nur eine mehr oder weniger dünnen Schicht aus verschließfestem Material aufweisen und darunter aus weniger widerstandsfähigem Material wie beispielsweise Stahl bestehen.
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Zündköpfe lassen sich wirtschaftlich herstellen, indem auf einen Randbereich eines Blechs aus einem ersten Material ein zweites Material aufgebracht wird, und danach aus dem Halbzeug ein Zündkopf ausgeschnitten wird, dessen Grundkörper aus dem ersten Material besteht und dessen Zündspitzen von dem mit dem zweiten Material belegten Randbereich des Halbzeugs gebildet sind. Der Randbereich kann ein Streifen auf der Vorder- oder der Rückseite eines Blechs sein. Bevorzugt ist der Randbereich aber eine Seitenfläche des Blechs.
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Bevorzugt wird auf wenigstens eine Seitenfläche eines Blechs, das aus einem ersten Material, beispielsweise Stahl oder einer anderen Basislegierung eines Übergangsmetalls, besteht, ein zweites Material, beispielsweise Platinmetall, aufgetragen und danach aus diesem Blech einen Zündkopf ausgeschnitten, beispielsweise durch Stanzen, Funkenerosion oder Laserschneiden. Dabei werden die Zündspitzen aus einem Randbereich des Blechs ausgeschnitten, auf dessen Seitenfläche das zweite Material aufgetragen wurde. Der Grundkörper des Zündkopfes besteht dann aus dem ersten Material und die Zündspitzen bestehen aus dem zweiten Material.
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Da der Zündkopf mit seinen Zündspitzen aus einem Halbzeug ausgeschnitten wird, weisen die Zündspitzen jeweils mehrere Schnittkanten auf. Schnittkanten sind vorteilhaft, da scharfe Kanten zu lokal erhöhten Feldstärken führen und so das Entstehen von Koronaentladungen begünstigen. Würde man dagegen einen Grundkörper samt Zündspitzen aus einem homogenen Blech ausschneiden und danach im Bereich seiner Zündspitzen mit einem verschleißfesten Schicht überziehen, so würde Kanten des Grundkörpers durch die Schicht abgerundet und somit die Bedingungen für Koronaentladungen verschlechtert.
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Erfindungsgemäß weist jede Zündspitze mehrere Schnittkanten auf, beispielsweise zwei Schnittkanten, die zwischen sich einen spitzen Winkel einschließen und am Rand der Oberseite oder der Unterseite verlaufen. Vorzugsweise laufen die beiden Seitenflächen einer Zündspitze in einer weiteren Schnittkante zusammen.
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Koronaentladungen bilden sich stets an Spitzen, da dort das elektrische Feld am höchsten ist. Beim Betrieb einer Koronazündeinrichtung werden deshalb in erster Linie die Zündspitzen belastet. Wenn diese massiv aus verschleißfestem Material bestehen, beispielsweise Platinmetall oder einer Legierung auf Basis von Platinmetall, können diese trotz unvermeidlichem Abbrand länger verwendet werden als Zündspitzen, die nur auf ihrer Ober- und Unterseite mit verschleißfestem Material beschichtet sind.
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Da die Zündspitzen recht kurz sein können, wird für einen erfindungsgemäßen Zündkopf nur eine geringe Menge von verschließfestem Material benötigt, so dass selbst bei Verwendung von teueren Platinmetallen eine kostengünstige Fertigung möglich ist.
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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.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1 eine Koronazündeinrichtung;
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2 einen Längsschnitt zu 1;
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3 ein Ausführungsbeispiel des Zündkopfes für eine Koronazündeinrichtung;
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4 ein Halbzeug zur Herstellung des in 3 gezeigten Zündkopfes;
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5 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Zündkopfes;
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6 ein Halbzeug zur Herstellung des in 5 gezeigten Zündkopfes;
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7 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Zündkopfes;
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8 ein Halbzeug zur Herstellung des in 7 gezeigten Zündkopfes.
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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 einem Zündkopf 4 mit mehreren Zündspitzen trägt. Der Zündkopf 4 hat nämlich mehrere Zacken. Das Ende eines solchen Zackens wird als Zündspitze bezeichnet. Die Mittelelektrode 3 bildet zusammen mit dem Isolator 2 und dem Gehäuse 1 eine Kapazität, die mit einer an die Mittelelektrode 3 angeschlossene Spule 5 in Reihe geschaltete ist. Diese Kapazität und die Spule 5 sind Teil eines elektrischen Schwingkreises, durch dessen Anregung Koronaentladungen an den Zündspitzen des Zündkopfes 4 erzeugt werden können.
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In 3, 5 und 7 sind verschiedene Ausführungsbeispiele von Zündköpfen 4 dargestellt. Die Zündköpfe 4 haben jeweils einen Grundkörper 4a aus Blech, der in seinem Zentrum einen Durchbruch 4c zur Befestigung an einer Mittelelektrode einer Koronazündeinrichtung aufweisen kann, und Zündspitzen 4b. Der Grundkörper 4a besteht aus einem ersten Material, beispielsweise aus Stahl oder einer anderen Basislegierung eines Übergangsmetalls wie beispielsweise Nickel. An einer Seitenfläche des Grundkörpers 4a sind Zündspitzen 4b aus einem anderen Material befestigt. Die Seitenfläche des Grundköpers 4a ist die Fläche, welche die in den Figuren dargestellte Oberseite mit der in den Figuren nicht sichtbaren Unterseite verbindet. Bevorzugt bedeckt das Material der Zündspitzen 4b nur die Seitenfläche des Grundkörpers 4a. Ober- und Unterseite des Grundkörpers 4a sind dann vollständig frei von dem Material der Zündspitzen 4ab
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Die Zündspitzen 4b können beispielsweise aus Platinmetall oder einer Legierung auf Basis von Platinmetall bestehen. Gut geeignet sind insbesondere Zündspitzen aus Platin oder Iridium bzw. einer Legierung auf Basis von Platin oder Iridium.
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Zur Herstellung der Zündköpfe wird auf einer Seitenfläche eines Blechs aus seinem ersten Material ein zweites Material aufgebracht. Beispielsweise kann ein Körper aus einem zweiten Material, bevorzugt ein Blechstreifen, an der Seitenfläche des Blechs angebracht werden. Aus dem durch Aufbringen des zweiten Materials gebildeten Halbzeug wird dann ein Zündkopf 4 ausgeschnitten, dessen Zündspitzen 4b aus dem zweiten Material bestehen. Ausführungsbeispiele für Halbzeuge, die durch das Anbringen von zweitem Material an Seitenflächen von Blechen aus erstem Material hergestellt wurden, zeigen 4, 6 und 8.
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Zündköpfe 4 können aus einem solchen Halbzeug beispielsweise durch Ausstanzen, Laserschneiden oder Funkenerosion ausgeschnitten werden. Die Zündspitzen 4b haben dann jeweils mehrer Schnittkanten. Bevorzugt haben die Zündspitzen Schnittkanten zwischen ihren Seitenflächen und der Oberseite, zwischen ihren Seitenflächen und der Unterseite und zwischen zwei Seitenflächen, die zwischen sich einen spitzen Winkel einschließen. Wenn eine oder mehrere Schnittebenen schräg zu einer Flächensenkrechten der Oberseite des Halbzeugsverlaufen, wird eine der Schnittkanten flacher und die andere Schnittkante dafür noch scharfkantiger. Dies kann vorteilhaft sein, um beispielsweise zwischen der Oberseite und einer oder mehreren Seitenflächen eine besonders scharfe Schnittkante und damit besonders günstige Bedingungen für eine Koronaentladung zu schaffen.
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Anstelle gerader Schnittflächen können auch gezackte Schnittflächen verwendet werden, um zusätzliche Schnittkanten zu schaffen. Beispielsweise kann eine gezackte Rillenkontur ausgeschnitten werden.
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Das zweite Material kann an der Seitenfläche des Blechs beispielsweise durch Schweißen befestigt werden. Neben anderen Schweißverfahren ist das Auftragsschweißen, insbesondere das Laserauftragsschweißen, geeignet. Durch Auftragsschweißen kann auf einfache Weise an der Seitenfläche ein edleres Material aufgebracht werden. Zur Reduzierung des Materialeinsatzes kann das Auftragsschweißen auf die Randbereiche bzw. Seitenflächen beschränkt werden, aus denen durch Ausschneiden dann eine Zündspitze gebildet wird. Es kann ein- oder mehrstufiges Auftragsschweißen eingesetzt werden. Bei dem zwei- oder mehrstufigen Auftragsschweißen kann für die Zwischenschicht bzw. Zwischenschichten ein anderes Material verwendet werden oder dasselbe Material, wie für die letzte Schicht. Beim Auftragen einer Zwischenschicht kann das Material mit der darunterliegenden Schicht bzw. dem Blech eine Legierung bilden. Diese Legierung bildet dann die Grundlage für die nächste Schicht, so dass die Reinheit des aufgetragenen Materials zur Oberfläche hin zunimmt. So kann eine bessere Haftung des verschleißfesteren Materials erzielt werden.
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Das zweite Material kann auch durch Walzplattieren, beispielsweise Laserwalzplattieren, an der Seitenfläche des Blechs angebracht werden.
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Das Anbringen eines Körpers aus zweitem Material an einer Seitenfläche des Blechs aus einem ersten Material kann bei einem dünnen Blech mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden sein. Es kann deshalb vorteilhaft sein, das zweite Material an der Seitenfläche eines Blechs zu befestigen, das dicker als der herzustellende Zündkopf ist, und danach die Stärke des so erzeugten Halbzeugs zu reduzieren, beispielsweise durch Walzen. Auf diese Weise lässt sich das zweite Material leichter an einer Seitenfläche eines Blechs aus dem ersten Material befestigen, da die Seitenfläche dann wegen der größeren Stärke des Blechs entsprechend breiter ist. Anschließend kann die Stärke des so aus dem ersten und dem zweiten Material hergestellten Halbzeugs auf die für den Zündkopf gewünschte Dicke reduziert werden.
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Um die Haftung des zweiten Materials an dem ersten Material zu verbessern, kann zwischen dem ersten und dem zweiten Material eine Zwischenschicht vorgesehen sein. Besonders gut geeignet sind Zwischenschichten aus einem Material, das eine Affinität sowohl zu dem ersten Material als auch zu dem zweiten Material aufweist. Die Zwischenschicht kann beispielsweise aus einer Legierung des ersten Materials mit dem zweiten Material bestehen.
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Das zweite Material kann beispielsweise als Streifen 10 an einer Seitenfläche des Blechs 11 befestigt werden. Bei dem in 4 dargestellten Halbzeug sind Streifen 10 aus dem zweiten Material an den Längsseiten eines Blechstreifens aus erstem Material befestigt. Auf diese Weise wird ein streifenförmiges Halbzeug hergestellt, aus dem dann ein Zündkopf ausgeschnitten werden kann. Besonders gut können aus einem solchen streifenförmigen Halbzeug Zündköpfe mit zwei bis vier Zündspitzen ausgeschnitten werden. Es können auch Zündköpfe mit mehr als vier Zündspitzen ausgeschnitten werden, die dann unterschiedliche Abstände vom Mittelpunkt des Zündkopfes aufweisen können.
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Das zweite Material kann als Streifen 10 auch an der Seitenfläche eines scheibenförmigen Blechs 11 angebracht werden, wie es beispielsweise in 6 dargestellt ist. Die Blechscheibe kann eine Kreisscheibe sein, wie dies in 6 dargestellt ist oder auch eine abweichende Form haben. Ein Vorteil eines Halbzeugs in Form einer Kreisscheibe besteht darin, dass aus einem solchen Halbzeug Zündköpfe mit einer beliebigen Anzahl von Zündspitzen ausgeschnitten werden können. Es ist ohne Schwierigkeiten möglich, aus einem solchen Halbzeug Zündköpfe mit 4, 5, 6 oder noch mehr Zündspitzen, die radial von einem Zentrum ausgehen, auszuschneiden.
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Die Seitenfläche einer Blechsscheibe aus dem ersten Material kann entlang ihres vollen Umfangs mit dem zweiten Material beschichtet werden, wie dies in 6 dargestellt ist. Um Material einzusparen, ist es auch möglich, Körper 10 aus zweitem Material, beispielsweise Plättchen, Stifte, Würfel, Kugeln oder Halbkugeln, nur an einigen Stellen an der Seitenfläche des Blechs 11 zu befestigen. Ein Beispiel für ein solches Halbzeug in 8 dargestellt.
