DE102014112674A1

DE102014112674A1 - Korona-Zündeinrichtung

Info

Publication number: DE102014112674A1
Application number: DE201410112674
Authority: DE
Inventors: Timo Stifel; Steffen BOHNE; Johann Weissenbacher
Original assignee: BorgWarner Ludwigsburg GmbH
Current assignee: BorgWarner Ludwigsburg GmbH
Priority date: 2013-10-24
Filing date: 2014-09-03
Publication date: 2015-05-13
Also published as: BR102014024620A2; CN104747343B; US20150116888A1; CN104747343A; US9525272B2

Abstract

Beschrieben wird eine Korona-Zündeinrichtung mit einem Isolator (2), einem Gehäuse (1), das an einem vorderen Ende von dem Isolator (2) verschlossen ist, einer Mittelelektrode (3), die aus einem vorderen Ende des Isolators (2) herausragt und wenigstens eine Zündspitze (3a) aufweist, wobei der Isolator (2) aus dem Gehäuse (1) herausragt und sich außerhalb des Gehäuses (1) verbreitert. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass sich der Isolator (2) kuppelförmig über dem vorderen Ende des Gehäuses (1) wölbt und auf einer Länge aus dem Gehäuse (1) herausragt, die mehr als die Hälfte der maximalen Breite des Isolators (2) beträgt, wobei ein Längsschnitt der kuppelförmigen Wölbung des Isolators (2) einen Krümmungsradius hat, der sich zwischen einem Scheitelpunkt der Wölbung und einem Fußkreis (5) der Wölbung ändert, und der Krümmungsradius überall wenigstens ein Drittel des Radius des Fußkreises (5) der kuppelförmigen Wölbung beträgt.

Description

Die Erfindung geht aus von einer Korona-Zündeinrichtung mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen, wie sie aus der DE 10 2012 108 251 A1 sowie aus der DE 10 2010 045 171 A1 bekannt ist.
Der Isolator einer solchen Korona-Zündeinrichtung ragt mit einem Endabschnitt aus dem Gehäuse der Korona-Zündeinrichtung heraus. Für die Form des Isolators, insbesondere dessen Endabschnitts, ist eine Vielzahl von Varianten bekannt. So offenbart beispielsweise die EP 1 869 739 B1 eine Korona-Zündeinrichtung, deren Isolator einen zylindrischen Endabschnitt hat, die US 2010/0175655 A1 eine Korona-Zündeinrichtung, deren Isolator einen Endabschnitt in Form eines Kegelstumpfes mit einem spitzen Öffnungswinkel hat, die EP 1 875 571 B1 eine Korona-Zündeinrichtung, deren Isolator einen Endabschnitt in Form eines Kegelstumpfs mit einem stumpfen Öffnungswinkel hat, und die US 2013/0003251 A1 eine Korona-Zündeinrichtung, deren Isolator eine konische Vertiefung hat, in der mehrere Zündspitzen der Mittelelektrode liegen.
Der Einfluss des Isolators auf die Funktion und die Lebensdauer einer Korona-Zündeinrichtung ist vielschichtig. Ablagerungen von Brennstoffresten können die Funktion einer Korona-Zündeinrichtung ebenso beeinträchtigen, wie Risse, die im Betrieb durch thermische Spannungen oder Temperaturschocks entstehen können. Zudem hat der Isolator wegen seiner thermischen Ankopplung an die in ihm steckende Mittelelektrode auch Einfluss auf die Temperatur von Zündspitzen der Mittelelektrode und somit indirekt auch auf das Zündverhalten und den Verschleiß von Zündspitzen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Weg aufzuzeigen, wie Funktion und Lebensdauer einer Korona-Zündeinrichtung verbessert werden können.
Diese Aufgabe wird durch eine Korona-Zündeinrichtung mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Bei einer erfindungsgemäßen Korona-Zündeinrichtung steckt der Isolator in dem Gehäuse und ragt mit einem Endabschnitt aus dem vorderen, brennraumseitigen Ende des Gehäuses heraus. Dieser Endabschnitt wölbt sich kuppelförmig über dem Gehäuse und bedeckt ganz oder teilweise das vordere Ende des Gehäuses. An dem vorderen Ende des Gehäuses hat der Endabschnitt des Isolators also eine größere Breite als der Isolator in dem Gehäuse.
Diese Form des Isolators führt einerseits zu einer ausreichend hohen Oberflächentemperatur, um Ablagerungen von Brennstoffresten weitestgehend zu vermeiden, und ermöglicht anderseits eine gleichmäßige Wärmeaufnahme und Wärmeabgabe, so dass lokale Temperaturspitzen an der Isolatoroberfläche vermieden werden können. Dies ist ein wichtiger Vorteil, da lokale Temperaturspitzen zu thermischen Spannungen führen und damit Rissbildung fördern sowie unerwünschte Glühzündungen von Brennstoff bewirken können.
Indem sich der Isolator außerhalb des Gehäuses zunächst verbreitert, also das vordere Ende des Gehäuses bedeckt, wird zudem ein gute elektrische Abschirmung erreicht und somit eine unerwünschte Ausbildung von Bogenentladungen zwischen der Mittelelektrode und dem Gehäuse der Korona-Zündeinrichtung erschwert.
Durch eine kuppelförmige Wölbung werden Kanten und enge Krümmungsradien an der Außenfläche des Isolators vermieden, was sowohl für eine gleichmäßige Oberflächentemperatur des Isolators als auch für die elektrischen Eigenschaften der Korona-Zündeinrichtung vorteilhaft ist. Die kuppelförmige Wölbung hat einen Scheitelpunkt, an dem die Mittelelektrode aus dem Isolator herausragt, und einen Fußkreis, von dem die kuppelförmige Wölbung ausgeht.
Jeder Längsschnitt der kuppelförmigen Wölbung des Isolators, der durch den Scheitelpunkt der Wölbung verläuft, hat überall einen Krümmungsradius, der wenigsten ein Drittel des Radius des Fußkreises der Wölbung beträgt. Beispielsweise kann jeder Längsschnitt der kuppelförmigen Wölbung des Isolators, der durch den Scheitelpunkt der Wölbung verläuft, überall einen Krümmungsradius haben, der wenigstens halb so groß wie der Radius des Fußkreises der Wölbung ist. oder sogar zwei Drittel des Radius des Fußkreises der Wölbung oder mehr beträgt.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die kuppelförmige Wölbung des Isolators prolat ist, also die Höhe der Wölbung gemessen von der Ebene des Fußkreises bis zu dem Scheitelpunkt größer als der Radius des Fußkreises ist. Dies ermöglicht eine erhöhte Oberflächentemperatur des Isolators, was einer Ablagerung von Verbrennungsrückständen entgegenwirkt. Beispielsweise kann die Höhe der Wölbung 60% des Durchmessers des Fußkreises oder mehr betragen, insbesondere 70% oder mehr. Die Höhe der Wölbung stimmt bevorzugt mit der Länge überein, mit welcher der Isolator aus dem Gehäuse herausragt. Der Durchmesser des Fußkreises ist bevorzugt auch der maximale Durchmesser des Isolators.
Eine Höhe der Wölbung, die größer als der Durchmesser des Fußkreises ist, ist zwar möglich, bringt aber keine Vorteile. Bevorzugt ist die Höhe der Wölbung deshalb kleiner als der Durchmesser des Fußkreises, beispielsweise nicht größer als 90% des Durchmessers des Fußkreises oder beträgt sogar nur 70% des Durchmessers des Fußkreises oder weniger.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, das Gehäuse an seinem vorderen Ende einen Durchmesser aufweist, der mit dem maximalen Durchmesser des Isolators übereinstimmt. Der Isolator kann so bündig mit dem Gehäuse abschließen und eine sehr gute Abschirmung zwischen der Mittelelektrode und dem Gehäuse bewirken.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Gleiche und einander entsprechende Komponenten sind dabei mit übereinstimmenden Bezugszahlen bezeichnet. Es zeigen:
1 einen schematischen Längsschnitt einer Koronazündeinrichtung; und
2 eine Detailansicht zu 1.
Die in 1 schematisch in einem Längsschnitt dargestellte Korona-Zündeinrichtung erzeugt zum Zünden von Brennstoff in einem Brennraum eines Motors eine Koronaentladung. Die Korona-Zündeinrichtung hat ein Gehäuse 1, das an einem vorderen Ende von einem Isolator 2 verschlossen ist. Aus dem vorderen Ende des Isolators 2 ragt eine Mittelelektrode 3 heraus, die eine oder mehrere Zündspitzen aufweist. Die Mittelelektrode 3 bildet zusammen mit dem Isolator 2 und dem Gehäuse 1 eine Kapazität, die mit einer an die Mittelelektrode 3 angeschlossenen Spule 4 in Reihe geschaltet ist. Diese Kapazität und die Spule 4 sind Teil eines elektrischen Schwingkreises, durch dessen Anregung Koronaentladungen an den Zündspitzen oder der Zündspitze der Mittelelektrode 3 erzeugt werden können.
In 2 ist eine Detailansicht des vorderen Endes der Korona-Zündeinrichtung in einem Längsschnitt dargestellt. Aus dem vorderen Ende des Gehäuses 1 ragt ein Endabschnitt 2a des Isolators 2 heraus. Dieser Endabschnitt 2a ist kuppelförmig über dem Gehäuse 1 gewölbt. Der Isolator 2 verbreitert sich also außerhalb des Gehäuses 1 und bedeckt das vordere Ende des Gehäuses 1, nämlich dessen vordere Stirnseite. Die maximale Breite des Isolators 2 stimmt also mit der Breite des Gehäuses 1 an dem vorderen Gehäuseende überein.
Die kuppelförmige Wölbung des Isolators 2 hat einen Scheitelpunkt, an dem die Mittelelektrode 3 aus dem Isolator 2 herausragt. Die kuppelförmige Wölbung geht von einem Fußkreis 5 aus, der in 2 zur Verdeutlichung als gestrichelte Linie eingezeichnet ist. An dem Fußkreis hat die kuppelförmige Wölbung ihren maximalen Durchmesser und der Isolator 2 somit seine maximale Breite.
Der in 2 gezeigte Längsschnitt verläuft durch den Scheitelpunkt der kuppelförmigen Wölbung des Isolators 2. Die Kontur 2c der Wölbung eines solchen Längsschnitts hat einen Krümmungsradius, der sich zwischen dem Scheitelpunkt der Wölbung und dem Fußkreis der Wölbung stetig ändert. An dem Scheitelpunkt ist der Krümmungsradius minimal und nimmt zu dem Fußkreis hin streng monoton zu. Der Krümmungsradius der Kontur 2c ist überall zwischen dem Fußkreis und dem Scheitelpunkt wenigstens halb so groß wie der Radius des Fußkreises der kuppelförmigen Wölbung. Beispielsweise kann der Krümmungsradius der Kontur 2c zwischen dem Fußkreis und dem Scheitelpunkt überall wenigstens 60% des Radius des Fußkreises betragen, insbesondere wenigstens zwei Drittel oder mehr. Der Isolator 2 kann rotationssymmetrisch zu seiner Längsachse sein.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ändert sich die Krümmung kontinuierlich. Möglich ist aber auch, dass die kuppelförmige Wölbung durch Regelflächen zusammengesetzt ist. Der Krümmungsradius nimmt dann nicht mehr streng monoton bis zu dem Fußkreis hin zu.
Die Kontur 2c des Längsschnitts der kuppelförmigen Wölbung des Isolators 2 kann beispielsweise elliptisch oder parabelförmig sein.
Die von dem Fußkreis bis zum Scheitelpunkt des Isolators 2 gemessene Höhe der kuppelförmigen Wölbung entspricht der Länge, auf welcher der Isolator 2 aus dem Gehäuse 1 herausragt. Der Isolator 2 ragt bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel auf einer Länge aus dem Gehäuse 1 heraus, die mehr als die Hälfte der maximalen Breite des Isolators 2 beträgt, also größer als der Radius des Fußkreises ist. Beispielsweise kann die Höhe der Wölbung 60% der maximalen Breite des Isolators 2 oder mehr betragen. Besonders vorteilhaft beträgt die Höhe der Wölbung 70% oder mehr der maximalen Breite des Isolators 2. Die Höhe der Wölbung ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel kleiner als der Durchmesser des Fußkreises und beträgt beispielsweise 90% der maximalen Breite des Isolators 2 oder weniger. Besonders vorteilhaft beträgt die Höhe der Wölbung 80% der maximalen Breite des Isolators 2 oder weniger.
Das Gehäuse 1 weist einen Endabschnitt auf, dessen Außenfläche bündig mit der Wölbung des Isolators 2 abschließt. Die Wölbung kann an ihrem Fußkreis tangential an die Außenfläche dieses Endabschnitts anschließen. Dieser vordere Endabschnitt des Gehäuses 1 kann zylindrisch geformt sein oder sich an seiner Außenseite etwas verjüngen. Am vorderen Ende des Gehäuses 1 stimmt der Außendurchmesser des Gehäuses mit dem Außendurchmesser des Isolators 2, also mit dem Durchmesser des Fußkreises überein.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Mittelelektrode 3 mehrere Zündspitzen 3a auf. An sich genügt eine einzige Zündspitze. Eine Mittelelektrode 3, die mit mehreren Zündspitzen 3a aus dem Isolator 2 herausragt, hat den Vorteil, in einem größeren Volumen eine Koronaentladung zu erzeugen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012108251 A1 [0001]
DE 102010045171 A1 [0001]
EP 1869739 B1 [0002]
US 2010/0175655 A1 [0002]
EP 1875571 B1 [0002]
US 2013/0003251 A1 [0002]

Claims

Korona-Zündeinrichtung mit einem Isolator (2), einem Gehäuse (1), das an einem vorderen Ende von dem Isolator (2) verschlossen ist, einer Mittelelektrode (3), die aus einem vorderen Ende des Isolators (2) herausragt und wenigstens eine Zündspitze (3a) aufweist, wobei der Isolator (2) aus dem Gehäuse (1) herausragt und sich außerhalb des Gehäuses (1) verbreitert, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Isolator (2) kuppelförmig über dem vorderen Ende des Gehäuses (1) wölbt und auf einer Länge aus dem Gehäuse (1) herausragt, die mehr als die Hälfte der maximalen Breite des Isolators (2) beträgt, wobei ein Längsschnitt der kuppelförmigen Wölbung des Isolators (2) einen Krümmungsradius hat, der sich zwischen einem Scheitelpunkt der Wölbung und einem Fußkreis (5) der Wölbung ändert, und der Krümmungsradius überall wenigstens ein Drittel des Radius des Fußkreises (5) der kuppelförmigen Wölbung beträgt.
Korona-Zündeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Krümmungsradius überall wenigstens halb so groß wie der Radius des Fußkreises (5) der kuppelförmigen Wölbung ist.
Korona-Zündeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Krümmungsradius von dem Scheitelpunkt der Wölbung bis zu dem Fußkreis (5) der Wölbung monoton, vorzugsweise streng monoton, zunimmt.
Korona-Zündeinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelelektrode (3) an dem Scheitelpunkt der Wölbung aus dem Isolator (2) herausragt.
Korona-Zündeinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolator (2) auf einer Länge aus dem Gehäuse (1) herausragt, die zwischen 60% und 90% der maximalen Breite des Isolators (2) beträgt.
Korona-Zündeinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolator (2) auf einer Länge aus dem Gehäuse (1) herausragt, die zwischen 70% und 80% der maximalen Breite des Isolators (2) beträgt.
Korona-Zündeinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Längsschnitt der kuppelförmigen Wölbung des Isolators (2) einen elliptischen oder parabelförmigen Verlauf hat.
Korona-Zündeinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) an seinem vorderen Ende einen Durchmesser aufweist, der mit dem maximalen Durchmesser des Isolators (2) übereinstimmt.
Korona-Zündeinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) einen Endabschnitt aufweist dessen Außenfläche bündig mit der Wölbung des Isolators (2) abschließt, wobei die Wölbung an ihrem Fußkreis (5) tangential an die Außenfläche des Endabschnitts des Gehäuses (1) anschließt.
Korona-Zündeinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuse (1) eine Spule angeordnet ist, welche an die Mittelelektrode (3) angeschlossen ist.