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Die Erfindung betrifft eine Koronazündeinrichtung zum Zünden von Brennstoff in einem Brennraum eines Motors. Eine Koronazündeinrichtung mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen ist aus
US 2013/0049566 A1 bekannt.
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Die Zündspitzen von Koronazündeinrichtungen sind hohen Belastungen ausgesetzt. Koronaentladungen verursachen zwar grundsätzlich einen geringeren Abbrand als Bogenentladungen herkömmlicher Zündkerzen, dennoch ist der durch Koronaentladungen verursachte Abbrand bei feinen Zündspitzen ein Problem. Bereits geringer Abbrand von Zündspitzen führt nämlich zu einem zunehmenden Abstumpfen der Zündspitzen. Abgestumpfte Zündspitzen erschweren das Ausbilden einer Koronaentladung, da mit zunehmender Abstumpfung die elektrische Feldstärke an der Zündspitze abnimmt.
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Um den Abbrand zu reduzieren, kann als Mittelelektrode einer Koronazündeinrichtung einen Stift verwendet werden, der ein Verbund aus einem Mantel und einem Grundkörper aus Kupfer ist. Der Mantel schützt den Grundkörper vor Abbrand, der für einen eine gute Wärmeableitung sorgt. Auf diese Weise werden die Temperatur der Zündspitzen und damit auch der Abbrand reduziert.
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Aus der
DE 10 2010 062 276 A1 ist eine Koronazündeinrichtung bekannt, deren Mittelelektrode einen geschlossenen Aluminium- oder Kupferhohlkörper aufweist, in dem sich eine Flüssigkeit befindet. Auf diese Weise wird die Wärmeabfuhr von der Zündspitze wesentlich verbessert. Nachteilig ist aber ein hoher Fertigungsaufwand.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Weg aufzuzeigen, wie kostengünstig der Verschleiß von Zündspitzen noch weiter reduziert werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch eine Koronazündeinrichtung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Die Mittelelektrode einer erfindungsgemäßen Koronazündeinrichtung weist einen massiven Stift auf, der ein Verbund aus einem ersten metallischen Material und einem zweiten metallischen Material ist, wobei das erste Material eine bessere Wärmeleitfähigkeit als das zweite Material hat. Der Stift ist massiv, hat also keine Hohlräume. Der Stift kann beispielsweise einen Grundkörper aus dem ersten Material und einen Mantel aus dem zweiten Material haben. Eine andere Möglichkeit ist, dass der Stift aus zwei Teilstiften zusammengefügt ist, wobei der erste Teilstift aus dem ersten Material und der zweite Teilstift aus dem zweiten Material ist.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Mittelelektrode eine Dichtfläche aufweist, die zusammen mit einer Dichtfläche des Isolators einen Dichtsitz bildet. Die beiden Dichtflächen können beispielsweise konisch geformt sein. Die Oberfläche der Mittelelektrode von dem Dichtsitz bis zu ihrem brennraumseitigen Ende ist aus dem zweiten Material, das in Bezug auf seine Abbrandfestigkeit optimiert werden kann.
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Die Mittelelektrode ist nur bis zu dem Dichtsitz den Brennraumgasen ausgesetzt, so dass abbrandfestes Material auch nur bis zu dem Dichtsitz benötigt wird. Ab dem Dichtsitz kann der Stift deshalb eine höhere Wärmeleitfähigkeit haben. So kann die vom Grundkörper bewirkte Wärmeableitung verbessert und folglich die Temperatur der Zündspitzen noch weiter reduziert werden. Eine erfindungsgemäße Koronazündeinrichtung hat deshalb einen besonders geringen Verschleiß der Zündspitzen.
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Beispielsweise kann ein Mantel aus dem zweiten Material einen vorderen, von der Spule abgewandten Endabschnitt des Grundkörpers bedecken und einen mittleren, in dem Kanal angeordneten Abschnitt eines Grundkörpers aus dem ersten Material unbedeckt lassen. Auf diese Weise kann die Mittelelektrode Wärme besonderes wirksam über den Isolator an das Gehäuse abführen. In dem mittleren Abschnitt des Stifts wird der Wärmestrom von dem Grundkörper zu dem Isolator nämlich nicht durch den Mantel behindert. Wärme kann deshalb von den Zündspitzen über den Stift effizient abgeführt werden. Bevorzugt ist der vom Mantel bedeckte Endabschnitt des Grundkörpers kürzer als der an den Endabschnitt angrenzende, vom Mantel unbedeckte mittlere Abschnitt des Grundkörpers. In dem mittleren Abschnitt kann der Grundkörper an einer Innenseite des Isolators anliegen, also innen in dem Kanal den Isolator berühren.
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Das erste Material hat eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das zweite Material. Der Grundkörper kann beispielsweise aus Kupfer, Aluminium oder einem anderen Metall mit einer guten Wärmeleitfähigkeit sein, wobei unter Metallen auch metallische Legierungen zu verstehen sind. Bevorzugt besteht der Grundkörper aus einem Metall, das eine Wärmeleitfähigkeit von wenigstens 200 W/(m·K) hat.
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Das zweite Material geht erst bei einer höheren Temperatur als das erste Material des Grundkörpers aus der festen Phase in die flüssige oder gasförmige Phase über. Das zweite Material hat also einen höheren Schmelzpunkt als das erste Material oder – falls es keinen Schmelzpunkt hat – einen Sublimationspunkt, der bei einer höheren Temperatur als der Schmelzpunkt des ersten Materials liegt. Das zweite Material ist bevorzugt ein Metall, beispielsweise Stahl, Platinmetall oder Refraktärmetall. Bevorzugt ist das zweite Material ein Material, das erst bei einer Temperatur von wenigstens 1400°C, besonders bevorzugt 1500°C oder mehr, beispielsweise 1700°C oder mehr, aus der festen Phase in die flüssige oder gasförmige Phase übergeht.
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Besonders bevorzugt ist die Oberfläche des Stifts nur von dem Dichtsitz einschließlich der Dichtfläche bis zu dem von der Spule abgewandten Ende des Grundkörpers aus dem zweiten Material. Die Oberfläche des Stifts kann zwar auch über den Dichtsitz hinaus in Richtung zur Spule aus dem zweiten Material bestehen, jedoch wird eine hohe Abbrandfestigkeit dort nicht mehr benötigt, würde aber die Wärmeabgabe an den Isolator behindern. Bis zu dem Dichtsitz kann die Mittelelektrode in mehr oder weniger großem Ausmaß Brennraumgasen und/oder der Einwirkung von Brennraumgasen ausgesetzt sein, so dass in diesem Endabschnitt die Schutzfunktion des zweiten Materials vorteilhaft ist.
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Die Mittelelektrode kann sich zu einer einzigen Zündspitze verjüngen. Bevorzugt hat die Mittelelektrode aber mehrere Zündspitzen. Eine Mittelelektrode mit mehreren Zündspitzen lässt sich vorteilhaft herstellen, indem mehrere Bauteile zusammengefügt werden. Beispielsweise kann ein Zündkopf, der mehrere Zündspitzen aufweist aus Blech ausgestanzt und auf dem Stift befestigt werden. Koronazündeinrichtungen mit derartigen Zündköpfen sind beispielsweise in der
WO 2011/130365 A1 beschrieben. Zündspitzen können auch von Nadeln gebildet werden, die in einem Zündkopf stecken, den der Stift trägt.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Isolator aus dem Gehäuse herausragt. Der Dichtsitz kann in einem Isolatorabschnitt, der sich in dem Gehäuse befindet, oder in einem Isolatorabschnitt, der außerhalb des Gehäuses ist. Bevorzugt ist der Dichtsitz außerhalb von dem Gehäuse angeordnet. Dann ist nämlich eine besonders effiziente Wärmeabfuhr möglich. Wärme fließt dabei zunächst von den Zündspitzen über den Grundkörper der Mittelelektrode zu dem Isolator. Der Isolator gibt die Wärme dann an das Gehäuse ab.
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Das Verhältnis zwischen dem Abstand des von der Spule abgewandten Endes des Dichtsitzes zu dem von der Spule abgewandten Ende des Isolators und dem Abstand des von der Spule abgewandten Ende des Isolators zu dem Gehäuse beträgt bevorzugt 0,4 bis 0.7.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass zwischen einem hinteren, der Spule zugewandten Endabschnitt des Grundkörpers und dem Isolator ein Ringspalt ist, der von einer Leitglaseinschmelzung gefüllt ist. Auf diese Weise wird ein Eindringen von Brennraumgasen in das Gehäuseinnere der Koronazündeinrichtung erschwert und so die Lebensdauer der Koronazündeinrichtung erhöht. Die Wärmeabgabe von dem Stift der Mittelelektrode zu dem Isolator erfolgt dann in erster Linie über den mittleren Abschnitt des Stifts, zwischen dem von Leitglas umgebenen hinteren Endabschnitt und dem den Mantel tragenden, vorderen Endabschnitt. Dieser mittlere Abschnitt ist bevorzugt länger als der vordere Endabschnitt. Bevorzugt ist der mittlere Abschnitt auch länger als der von der Glaseinschmelzung umgebene hintere Endabschnitt. Bevorzugt ist der von der Glaseinschmelzung umgebene hintere Endabschnitt des Stifts dünner als der mittlere Abschnitt ist. Möglich ist aber auch, dass der hintere Endabschnitt und der mittlere Abschnitt des Stifts gleich dick sind.
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Der von der Glaseinschmelzung umgebene Endabschnitt des Stifts kann eine metallische Schutzschicht tragen, um den Grundkörper vor chemischen Reaktionen mit der Glaseinschmelzung zu schützen. Die metallische Schutzschicht ist bevorzugt aus einem anderen Material als das zweite Material. Die metallische Schutzschicht kann beispielsweise durch Vernickeln gebildet sein. Die metallische Schutzschicht kann wesentlich dünner als ein Mantel aus dem zweiten Material ausgebildet sein und beispielsweise nur ein Fünftel der Dicke des Mantels oder weniger haben. Die metallische Schutzschicht lässt bevorzugt den mittleren Abschnitt des Grundkörpers frei, um die Wärmeabgabe an den Isolator nicht zu beeinträchtigen.
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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 Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
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1 eine Koronazündeinrichtung;
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2 eine Schnittansicht zu 1;
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3 eine Schnittansicht eines Details der Koronazündeinrichtung;
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4 eine Schnittansicht eines Details eines weiteren Ausführungsbeispiels;
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5 eine Schnittansicht eines Details eines weiteren Ausführungsbeispiels; und
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6 eine Schnittansicht eines Details eines weiteren Ausführungsbeispiels.
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Die in 1 und 2 dargestellte Koronazündeinrichtung erzeugt zum Zünden von Brennstoff in einem Brennraum eines Motors eine Koronaentladung. Die Koronazündeinrichtung hat ein Gehäuse 1, das an einem Ende von einem eingepressten Isolator 2 verschlossen ist. In dem Isolator 2 steckt eine Mittelelektrode 3, die aus einem massiven Stift und einem Zündkopf 4 mit Zündspitzen besteht. 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 ist eine geschnittene Detailansicht des vorderen, brennraumseitigen Teils der Koronazündeinrichtung dargestellt. In dieser Detailansicht sind insbesondere ein Teil 1a des Gehäuses 1, der Isolator 2 und die verschiedenen Komponenten der Mittelelektrode 3 dargestellt.
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Die Mittelelektrode 3 ragt aus einem Kanal des Isolators 2, beispielsweise einer Bohrung heraus, und besteht aus einem massiv ausgebildeten Stift 6 und einem Zündkopf 4 mit mehreren Zündspitzen 7. Der Stift ist auf seiner vollen Länge massiv aus Metall, weist also – im Gegensatz zu einem Rohr – keine Hohlräume auf und hat somit überall einen vollflächigen Querschnitt.
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Der Stift 6 ist ein Verbund aus einem ersten Material 6a und einem zweiten Material 6b. Der Stift 6 hat nämlich einen Grundkörper aus einem ersten Metall 6a und einen Mantel aus einem zweiten Metall 6b. Das erste Metall 6a, beispielsweise Kupfer, hat eine bessere Wärmeleitfähigkeit als das zweite Metall 6b. Das zweite Metall 6b, beispielsweise Stahl oder Platin, hat eine höhere Abbrandfestigkeit als das erste Metall 6a.
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Der Mantel umgibt nur einen vorderen, brennraumseitigen Endabschnitt des Grundkörpers. Dieser Endabschnitt erstreckt sich von einem Dichtsitz 8, an dem eine konische Dichtfläche des Stifts 6 an einer konischen Dichtfläche des Isolators 2 anliegt bis zu dem vorderen Ende des Stifts 6. Der Mantel kann dabei auch die Dichtfläche des Stifts 6 bilden. Ein an den Dichtsitz 8 angrenzenden mittlerer Abschnitt des Grundkörpers, der bevorzugt eine größere Länge der ummantelte Endabschnitt hat, ist unbedeckt. Der mittlere Abschnitt des Grundkörpers 6a hat deshalb guten Wärmekontakt zum Isolator 2. Der Mantel bedeckt insgesamt weniger als die Hälfte der Länge des Grundkörpers, beispielsweise nicht mehr als ein Drittel, insbesondere nicht mehr als ein Viertel. Die Länge des unbedeckten mittleren Abschnitts ist größer als die Länge des von dem Mantel bedeckten Endabschnitts.
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Der mittlere Abschnitt des Stifts 6 kann einen größeren Durchmesser als seine beiden Endabschnitte haben. Der hintere, der Spule 5 zugewandte Endabschnitt des Stifts 6 kontaktiert eine Glaseinschmelzung 9, die wegen beigemischter Metall- oder Graphitpartikel elektrisch leitfähig ist. Die Glaseinschmelzung 9 schafft eine elektrische Verbindung zwischen der Mittenelektrode 3 und einem Leiter 10, der in dem Kanal des Isolators 2 steckt und über den die Mittenelektrode 3 an die Spule 5 angeschlossen ist.
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Die Glaseinschmelzung 9 kann einen Ringspalt zwischen dem hinteren Endabschnitt des Stifts 6 und dem Isolator 2 auffüllen. In diesem Endabschnitt kann einen der Stift 6 eine metallische Schutzschicht tragen beispielsweise aus Nickel. Diese Schutzschicht ist dünner als der Mantel und bevorzugt aus einem anderen Material. Der von der Glaseinschmelzung 9 umgebene Endabschnitt des Stifts 6 kann zur besseren mechanischen Befestigung an der Glaseinschmelzung 9 eine konturierte Oberfläche aufweisen, beispielsweise mit Abflachungen, Prägungen, Schlitzen und/oder Rillen versehen sein.
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Der Isolator 2 ragt aus dem Gehäuse 1 heraus. Der Dichtsitz 8 ist außerhalb des Gehäuses 1 angeordnet, befindet sich also in einem Isolatorabschnitt, der außerhalb des Gehäuses 1 liegt. In 3 ist von dem Gehäuse 1 nur ein vorderer Gehäuseteil 1a dargestellt, der ein Außengewinde aufweisen kann.
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In 4 ist eine Schnittansicht eines Details eines weiteren Ausführungsbeispiels dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel der 1 bis 3 nur dadurch, dass der Zündkopf 4 nicht als ein sternförmiges Blechteil ausgebildet ist, sondern stattdessen die Zündspitzen 7 von Zündnadeln gebildet werden, die in dem Zündkopf 7 stecken.
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In 4 ist die Länge a des außerhalb des Gehäuses 1 liegenden Abschnitts des Isolators 2 eingezeichnet. Mit anderen Worten bezeichnet a also den Abstand zwischen dem von der Spule 5 abgewandten Ende des Isolators 2 zu dem Gehäuse 1. In 4 ist zusätzlich der Abstand b des von der Spule 5 abgewandten Ende des Dichtsitzes 8 zu dem von der Spule 5 abgewandten Ende des Isolators 2 eingezeichnet. Das Verhältnis der Längen b zu a kann innerhalb von weiten Grenzen frei gewählt werden. Besonders günstig ist es, wenn der Quotient b/a einen Wert von 0,4 bis 0,7 hat.
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In 5 ist eine Schnittansicht eines Details eines weiteren Ausführungsbeispiels dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem von dem Ausführungsbeispiel der 1 bis 3 nur in der Ausgestaltung des Stifts 6 der Mittelelektrode 3. Der Stift 6 ist bei dem Ausführungsbeispiel der 5 nämlich aus zwei Teilstiften zusammengefügt. Der hintere, brennraumferne Teilstift ist aus dem ersten Metall 6a, beispielsweise Kupfer. Der vordere, brennraumseitige Teilstift ist aus dem zweiten Metall 6b, das eine schlechtere Wärmeleitfähigkeit als das erste Metall 6a und eine bessere Abbrandfestigkeit als das erste Metall 6a hat.
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Die beiden Teilstifte sind zusammengesteckt. Eine der beiden Teilstifte bildet an seinem Ende eine pfannenartige Aufnahme, in der ein stumpfes Ende des anderen Teilstifts sitzt. Die beiden Teilstifte können zusätzlich miteinander verschweißt oder verlötet sein. Jeweils ein Ende der beiden Teilstifte liegt in dem Dichtsitz. Die konische Dichtfläche des Isolators 2 umgibt eine Fuge zwischen den beiden Teilstiften.
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In 6 ist eine Schnittansicht eines Details eines weiteren Ausführungsbeispiels dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem von dem Ausführungsbeispiel der 5 nur in der Ausgestaltung des Stifts 6 der Mittelelektrode 3. Bei dem Ausführungsbeispiel der 6 hat einer der beiden Teilstifte einen Fortsatz, mit dem er in eine Bohrung des anderen Teilstifts gesteckt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gehäuse
- 1a
- vorderer Gehäuseteil
- 2
- Isolator
- 3
- Mittelelektrode
- 4
- Zündkopf
- 5
- Spule
- 6
- Stift
- 6a
- erstes Material
- 6b
- zweites Materiall
- 7
- Zündspitze
- 8
- Dichtsitz
- 9
- Glaseinschmelzung
- 10
- Leiter
- a
- Isolatorlänge außerhalb Gehäuse 1
- b
- Abstand Dichtsitz 8 von brennraumseitigem Isolatorende
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2013/0049566 A1 [0001]
- DE 102010062276 A1 [0004]
- WO 2011/130365 A1 [0014]
