DE102013102592A1

DE102013102592A1 - Koronazündeinrichtung

Info

Publication number: DE102013102592A1
Application number: DE102013102592.7A
Authority: DE
Inventors: Tom Achtstätter; Timo Stifel
Original assignee: BorgWarner Beru Systems GmbH
Current assignee: BorgWarner Ludwigsburg GmbH
Priority date: 2013-03-14
Filing date: 2013-03-14
Publication date: 2014-10-02
Anticipated expiration: 2033-03-15
Also published as: US9373941B2; BR102014006027A2; DE102013102592B4; CN104061107B; CN104061107A; US20140261273A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Koronazündeinrichtung zum Zünden von Brennstoff in einem Brennraum eines Motors mittels einer Koronaentladung, mit einem Rohrgehäuse (1), einer in dem Rohrgehäuse (1) angeordneten Spule (5), einem Isolator (2), der in dem Rohrgehäuse (1) steckt, einer an die Spule (5) angeschlossenen Mittenelektrode (3), die in dem Isolator (2) steckt und zu wenigstens einer Zündspitze (6) führt. Um die Lebensdauer der Zündspitze (6) zu erhöhen, ist diese ganz oder teilweise aus einer Iridiumbasislegierung hergestellt, die 3 bis 30 Gew.-% Rhodium enthält, oder mit einer Abbrandschicht (7) ummantelt

Description

Die Erfindung betrifft eine Koronazündeinrichtung zum Zünden von Brennstoff in einer Brennkammer eines Motors mittels einer Koronaentladung.
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 Mittenelektrode einen Zündkopf, der mehrere Zündspitzen aufweist, und durch Ausschneiden aus Blech hergestellt ist.
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 auf die Unterseite des Zündkopfes durch Plattieren, Pulverbeschichten oder Kathodenstrahlzerstäubung aufgebracht. Als Material für die verschleißfeste Schicht werden unter anderem Platinmetalle genannt.
Zündspitzen von Koronazündeinrichtungen können auch als Nadeln ausgebildet sein. Die DE 10 2010 045 173 A1 zeigt sowohl Zündköpfe, die zusammen mit ihren Zündspitzen aus Blech ausgeschnitten sind, als auch Zündköpfe, in denen von Nadeln gebildete Zündspitzen stecken.
Sowohl bei aus Blech ausgeschnittenen Zündspitzen als auch bei Zündspitzen in Form von Nadeln ist Verschleiß ein Problem.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb einen Weg aufzuzeigen, wie sich die Lebensdauer eine Koronazündeinrichtung verlängern lässt.
Diese Aufgabe wird durch eine Koronazündeinrichtung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Mit einer Zündspitze, die teilweise oder vollständig aus einer Iridiumbasislegierung besteht, die 3 bis 30 Gew.-% Rhodium enthält, lässt sich der Abbrand verlangsamen und somit die Lebensdauer verlängern. Iridium hat einen hohen Schmelzpunkt und einen hohen Siedepunkt, die eine vorteilhaft hohe Abbrandfestigkeit bewirken. Diese guten Eigenschaften können durch Beimischung von Rhodium noch verbessert werden.
Besonders vorteilhaft sind Iridiumbasislegierungen, die 3 bis 10 Gew.-% Rhodium enthalten. Bevorzugt enthält die Iridiumbasislegierung wenigstens 80 Gew.-% Iridium, beispielsweise 85 Gew.-% Iridium oder mehr. Neben Iridium und Rhodium kann die Legierung weitere Bestandteile enthalten, beispielsweise Nickel und/oder Oxide. Eine abbrandreduzierende Wirkung haben insbesondere Yttriumoxid, Zirkonoxid, Zinkoxid, Cadmiumoxid, Indiumoxid, Zinnoxid und Bleioxid. Bevorzugt enthält die Legierung nicht mehr als 5 Gew.-% Oxide, beispielsweise 0,5 Gew.-% bis 4 Gew.-%.
Durch Verwendung einer Iridiumrhodiumlegierung lässt sich der Abbrand der Zündspitze verlangsamen. Überraschender Weise ist eine Verlangsamung des Abbrandes aber nicht unbedingt erforderlich, um die Lebensdauer einer Zündspitze zu erhöhen. Durch eine Abbrandschicht, mit der die Zündspitze ummantelt oder zumindest auf zwei gegenüberliegenden Seiten bedeckt ist, lässt sich auch mit an sich weniger verschleißfesten Legierungen eine sehr lange Lebensdauer einer Zündspitze erreichen.
Wichtig für ein einwandfreies Funktionieren einer Zündspitze ist nämlich, dass sie an ihrem Ende spitz bleibt. Nur dann kann sich an ihrem Ende eine Erhöhung der elektrischen Feldstärke bilden, die für das Zünden einer Koronaentladung wesentlich ist. Abbrand von Zündspitzen führt bei herkömmlichen Zündspitzen zu einem zunehmenden Abstumpfen und deshalb nach mehr oder weniger langer Zeit zu einem Ausfall der Zündspitze.
Mit einer Abbrandschicht, die weniger abbrandfest ist als die von ihr bedeckte Zündspitze, lässt sich ein Abstumpfen der Zündspitze wirksam verhindern. Eine Koronaentladung geht nämlich typischer Weise vom distalen Ende einer Zündspitze aus, da dort die elektrische Feldstärke am höchsten ist. An dem Ende der Zündspitze ist Abbrand deshalb unvermeidlich. Mit zunehmender Entfernung von dem Ende der Zündspitze nehmen die elektrische Feldstärke und deshalb auch die Intensität der Koronaentladung ab. Die Koronaentladung bewirkt folglich stets nur in einem kurzen Abschnitt am Ende der Zündspitze einen Abbrand der Abbrandschicht. Mit zunehmendem Abbrand der Zündspitze brennt somit stets auch ein entsprechender Abschnitt der Abbrandschicht ab, so dass kontinuierlich ein neuer Abschnitt der Zündspitze freigelegt wird. Es liegt also auch nach langem Betrieb der Zündspitze stets ein kurzer Endabschnitt der Zündspitze frei. Die Dicke des fortlaufend durch Abbrand freigelegten Endabschnitts bleibt also konstant. Die Zündspitze stumpft also nicht ab, sondern bleibt durch Abbrand stets ausreichend spitz.
Wenn eine solche Abbrandschicht vorhanden ist, muss für die Zündspitze nicht unbedingt eine Iridiumrhodiumlegierung verwendet werden. Die Zündspitze kann dann teilweise oder vollständig aus irgendeiner Legierung auf Basis eines Metalls der Platingruppe bestehen.
Die Abbrandschicht kann beispielsweise einen Draht aus einer Legierung auf Basis eines Metalls der Platingruppe umhüllen oder bei einem aus Blech ausgestanzten Zündkopf Ober- und Unterseite der Zündspitze bedecken. Die Abbrandschicht ermöglicht es dabei, den von ihr ummantelten Draht so dünn zu machen, dass dieser stets für eine spitze Zündspitze und somit hohe Feldstärken sorgt. In entsprechender Weise ermöglicht eine Abbrandschicht auf der Ober- und Unterseite eines aus Blech ausgeschnittenen Zündkopfes die dazwischen liegende Schicht, welche die Zündspitze bildet, sehr dünn auszubilden. Diese Zwischenschicht liegt am Ende der Zündspitze frei und wird durch Abbrand fortlaufend soweit freigelegt wie erforderlich. Das Ende der Zündspitze ist deshalb stets spitz und ermöglicht hohe elektrische Feldstärken.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Zündspitze ohne die Abbrandschicht eine Dicke von weniger als 0,3 mm hat. Beispielsweise kann die Zündspitze ohne Abbrandschicht eine Dicke von 0,1 mm oder weniger haben. Derart dünner Draht oder derart dünne Bleche lassen sich nur schwer handhaben und verarbeiten. Mit einer erfindungsgemäßen Abbrandschicht, die einen solchen Draht umhüllt, oder die Ober- und die Unterseite einer so dünnen Schicht bedeckt, erhält man jedoch problemlos einen Draht bzw. ein Blech mit einer ausreichenden Dicke. Die Zündspitze und die Abbrandschicht haben zusammen bevorzugt eine Dicke von 0,6 mm oder mehr.
Eine besonders hohe Lebensdauer erhält man, wenn man die beiden vorstehend erläuterten Maßnahmen kombiniert, also die Zündspitze teilweise oder vollständig aus einer Iridiumbasislegierung herstellt, die 3 bis 30 Gew.-% Rhodium enthält, und zusätzlich eine Abbrandsschicht vorsieht. Allerdings bewirkt schon eine einzige dieser beiden Maßnahmen für sich genommen eine erhebliche Verbesserung der Lebensdauer. Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft also auch eine Koronazündeinrichtung, deren Zündspitze teilweise oder vollständig aus einer Legierung auf Basis eines Metalls der Platingruppe besteht und eine Abbrandschicht trägt.
Metalle der Platingruppe sind Ruthenium, Rhodium, Palladium, Osmium, Iridium und Platin. Diese Metalle werden oft auch als Platinmetalle bezeichnet Anstatt die Zündspitze vollständig aus einer Iridiumbasislegierung oder einer anderen Platinmetalllegierung herzustellen, also beispielsweise einen homogenen Draht mit einer Abbrandschicht zu ummanteln oder Oberseite und Unterseite einer homogenen Schicht mit einer Abbrandschicht zu bedecken, kann man auch einen Verbundwerkstoff verwenden. Beispielsweise kann ein Faser- oder Matrixverbundwerkstoff mit einer Abbrandschicht ummantelt oder auch seiner Ober- und Seite mit einer Abbrandschicht bedeckt werden.
Die Abbrandschicht ist aus Metall, beispielsweise aus einer Legierung, die überwiegend aus einem oder mehreren Übergangsmetallen besteht. Geeignet sind unter anderem Eisenbasislegierungen, Nickelbasislegierungen und Chrombasislegierungen.
Das Abbrandverhalten einer Metalllegierung wird weitgehend, aber nicht ausschließlich, von ihrem Schmelzpunkt bestimmt. Bevorzugt ist die Abbrandschicht deshalb aus einem Material, das einen niedrigeren Schmelzpunkt hat als die Legierung auf Basis eines Metalls der Platingruppe, aus dem die Zündspitze teilweise oder vollständig besteht.
Weiter Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 Eine Koronazündeinrichtung;
2 Eine Schnittansicht zu 1;
3 Eine schematische Darstellung einer Zündspitze der Koronazündeinrichtung;
4 Eine Schnittansicht der Zündspitze im Neuzustand;
5 Eine Schnittansicht der Zündspitze im gebrauchten Zustand.
Die in 1 und 2 dargestellte Koronazündeinrichtung erzeugt zum Zünden von Brennstoff in einem Brennraum eines Motors eine Koronaentladung. Die Koronazündeinrichtung hat ein Rohrgehäuse 1, das an einem Ende von einem Isolator 2 verschlossen ist. In dem Isolator 2 steckt eine Mittenelektrode 3, die einen Zündkopf 4 mit mehreren Zündspitzen 6 trägt. Ein Abschnitt 3a der Mittenelektrode 3 kann aus elektrisch leitfähigem Glas bestehen, das eine Abdichtung bewirkt.
Die Mittenelektrode 3 bildet zusammen mit dem Isolator 2 und dem Rohrgehäuse 1 eine Kapazität, die mit einer an die Mittenelektrode 3 angeschlossenen Spule 5 in Reihe geschaltet ist. Diese Kapazität und die in dem Rohrgehäuse 1 angeordnete Spule 5 sind Teil eines elektrischen Schwingkreises, durch dessen Anregung Koronaentladungen an den Zündspitzen 6 des Zündkopfes 4 erzeugt werden können.
Eine der Zündspitzen 6 dieser Koronazündeinrichtung ist vergrößert in 3 dargestellt. 4 zeigt einen Längsschnitt dieser Zündspitze 6 im ungebrauchten, neuen Zustand zusammen mit einem Ausschnitt des Zündkopfes 4, in dem sie steckt. 5 zeigt einen Längsschnitt der Zündspitze 6 im gebrauchten Zustand, also mit beginnendem Abbrand.
Die Zündspitze 6 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein Draht aus einer Iridiumbasislegierung und von einer Abbrandschicht 7, die weniger abbrandfest als die Zündspitze 6 ist, ummantelt. Der Draht kann homogen sein, also vollständig aus der Iridiumbasislegierung bestehen. Möglich ist auch, dass der Draht ein Verbundwerkstoff ist, der von einer Abbrandschicht 7 ummantelt ist.
An ihrem distalen Ende ragt die Zündspitze 6 aus der Abbrandschicht 7 heraus. Bei einem Betrieb der Koronazündeinrichtung ergibt sich deshalb am distalen Ende der Zündspitze 6 eine starke Erhöhung der elektrischen Feldstärke. Dadurch wird das Ausbilden einer Koronaentladung erleichtert. Eine solche Koronaentladung geht von dem distalen Ende der Zündspitze 6 aus. Das distale Ende der Zündspitze 6 ist deshalb den stärksten Belastungen ausgesetzt ist. Mit zunehmendem Abstand von dem distalen Ende der Zündspitze 6 nehmen die elektrische Feldstärke und somit auch die Intensität der Koronaentladung ab.
Die Abbrandschicht 7 ist weniger abbrandfest als die Iridiumbasislegierung, kann der Einwirkung einer Koronaentladung also bei weitem nicht so gut Stand halten wie die Zündspitze 6. Dies führt dazu, dass die Abbrandschicht 7 unter Einwirkung der Koronaentladung relativ rasch in einem Endabschnitt der Zündspitze 6 abgebrannt wird. In noch größerem Abstand von dem distalen Ende der Zündspitze 6 ist die Intensität der Koronaentladung jedoch so gering, dass dort kein nennenswerter Abbrand mehr stattfindet. Von dem in 3 und 4 gezeigten Neuzustand geht die Zündspitze 6 also recht bald in den in 5 dargestellten gebrauchten Zustand über. Auch im gebrauchten Zustand, der durch Abbrand der Zündspitze 6 und der Abbrandschicht 7 gekennzeichnet ist, ist stets ein freigelegter Abschnitt der Zündspitze 6 vorhanden. Da die Zündspitze 6 sehr dünn ist, beispielsweise eine Dicke von weniger als 0,3 Millimetern hat, ist das distale Ende der Zündspitze 6 auch im gebrauchten Zustand so spitz, dass eine starke Erhöhung der elektrischen Feldstärke eintritt und sich problemlos eine Koronaentladung bildet. Durch fortgesetzten Betrieb und fortgesetzten Abbrand wird die Zündspitze 6 insgesamt zwar kürzer, die Form ihres distalen Endes bleibt jedoch weitgehend unverändert, sodass weiterhin gute Vorraussetzungen zum Ausbilden einer Koronaentladung vorliegen.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel hat die Zündspitze 6 eine Dicke von nicht mehr als 0,1 mm. Ein derart dünner Draht wird erst durch die ihn umgebende Abbrandschicht 7 handhabbar. Die Abbrandschicht 7 kann beispielsweise eine Dicke von 0,2 mm bis 0,4 mm haben. Ohne eine die Zündspitze 6 umhüllende Abbrandschicht 7 könnte eine so dünne Zündspitze 6 nur mit sehr großem Aufwand am Zündkopf 4 einer Koronazündeinrichtung befestigt werden. Bevorzugt hat die Zündspitze 6 zusammen mit der Abbrandschicht eine Dicke von 0,6 mm oder mehr.
Die Zündspitze 6 besteht bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus einer Iridiumbasislegierung, die 3 bis 30 Gew.-% Rhodium enthält, beispielsweise 3 bis 10 Gew.-% Rhodium. Der Iridiumanteil der Iridiumbasislegierung liegt bei mehr als 85%. Die Iridiumbasislegierung kann zusätzliche Legierungsbestandteile enthalten, beispielsweise Nickel und/oder Oxide. Günstig sind beispielsweise Anteile von 0,5 Gew.-% bis 5 Gew.-% eines Oxids, beispielsweise Yttriumoxid, Zirkonoxid, Zinnoxid oder andere Oxide.
Die Abbrandschicht 7 hat bevorzugt einen niedrigen Schmelzpunkt als die für die Zündspitze 6 verwendete Iridiumbasislegierung. Die metallische Abbrandschicht 7 kann beispielsweise eine Legierung auf Basis von einem oder mehreren Übergangsmetallen sein. Gut geeignet sind beispielsweise Nickelbasislegierungen, Chrombasislegierungen oder Eisenbasislegierungen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010045175 A1 [0002]
WO 2011/130365 A1 [0003]
DE 102010045173 A1 [0004]

Claims

Koronazündeinrichtung zum Zünden von Brennstoff in einem Brennraum eines Motors mittels einer Koronaentladung, mit einem Rohrgehäuse (1), einer in dem Rohrgehäuse (1) angeordneten Spule (5), einem Isolator (2), der in dem Rohrgehäuse (1) steckt, einer an die Spule (5) angeschlossenen Mittenelektrode (3), die in dem Isolator (2) steckt und zu wenigstens einer Zündspitze (6) führt, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündspitze (6) teilweise oder vollständig aus einer Iridiumbasislegierung besteht, die 3 bis 30 Gew.-% Rhodium enthält.
Koronazündeinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Abbrandschicht (7), mit der die Zündspitze (6) ummantelt oder zumindest auf zwei gegenüberliegenden Seiten bedeckt ist.
Koronazündeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbrandschicht (7) überwiegend aus einem oder mehreren Übergangsmetallen besteht.
Koronazündeinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittenelektrode (3) zu einem Zündkopf aus Blech führt, der mehrere Zündspitzen aufweist.
Koronazündeinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündspitze (6) aus Draht ist.
Koronazündeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbrandschicht (7) aus einer Nickelbasislegierung, Chrombasislegierung oder einer Eisenbasislegierung besteht.
Koronazündeinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündspitze (6) ohne die Abbrandschicht eine Dicke von weniger als 0,3 mm, vorzugsweise nicht mehr als 0,1 mm, hat.
Koronazündeinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündspitze (6) aus einem Verbundwerkstoff ist, der die Iridiumbasislegierung und eine Legierung, die überwiegend aus einem oder mehreren Übergangsmetallen besteht, enthält
Koronazündeinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Iridiumbasislegierung 3 bis 10 Gew.-% Rhodium enthält.
Koronazündeinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Iridiumbasislegierung wenigstens 80 Gew.-%, vorzugsweise wenigstens 85 Gew.-% Iridium enthält.
Koronazündeinrichtung zum Zünden von Brennstoff in einem Brennraum eines Motors mittels einer Koronaentladung, mit einem Rohrgehäuse (1), einer in dem Rohrgehäuse (1) angeordneten Spule (5), einem Isolator (3), der in dem Rohrgehäuse (1) steckt, einer an die Spule (5) angeschlossenen Mittenelektrode (3), die in dem Isolator (2) steckt und zu wenigstens einer Zündspitze (6) führt, die teilweise oder vollständig aus einer Legierung auf Basis eines Metalls der Platingruppe besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündspitze (6) eine metallische Abbrandschicht (7) trägt, die weniger abbrandfest als die Zündspitze (6) ist, vorzugsweise einen niedrigeren Schmelzpunkt hat als die Legierung auf Basis eines Metalls der Platingruppe.