DE102019106417A1

DE102019106417A1 - Zündkerze für eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, Zündanlage sowie Verfahren zum Betreiben einer solchen Zündkerze

Info

Publication number: DE102019106417A1
Application number: DE102019106417.1A
Authority: DE
Inventors: Martin Schenk; Gerhard Weber
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2019-03-13
Filing date: 2019-03-13
Publication date: 2020-09-17

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Zündkerze (1) für eine Verbrennungskraftmaschine, mit zwei Hauptelektroden (2, 3), mittels welchen zum Zünden eines Kraftstoff-Luft-Gemisches wenigstens ein Luftfunke zwischen den Hauptelektroden (2, 3) erzeugbar ist, mit einem zumindest einen Längenbereich (L) einer der Hauptelektroden (2, 3) umgebenden Isolator (7), und mit wenigstens einer Hilfselektrode (10), mittels welcher wenigstens ein Teilentladungsfunke zum Zünden eines Kraftstoff-Luft-Gemisches erzeugbar ist, wobei der Hilfselektrode (10) eine elektrisch leitfähige, auf einer der Hilfselektrode (10) zugewandten außenumfangsseitigen Mantelfläche (9) des Isolators (7) angeordnete Schicht (13) zugeordnet ist, welche als eine potentialfreie Gegenelektrode (14) für die Hilfselektrode (10) ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Zündkerze für eine Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Zündanlage sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Zündkerze gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 10.
Die DE 10 2010 042 318 A1 offenbart eine Zündanlage für einen bei unterschiedlichen Motorlasten betreibbaren Verbrennungsmotor. Die Zündanlage umfasst Mittel zum Erzeugen einer Zündspannung für eine Zündkerze und eine Zündkerze. Die Zündanlage ist derart eingerichtet, dass das Kraftstoff-Luft-Gemisch in dem Verbrennungsmotor in einem ersten Motorlastbereich mit im Vergleich zu einem zweiten Motorlastbereich niedrigerer Motorlast durch einen von der Zündkerze erzeugten niederohmigen Luftfunken zwischen einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode der Zündkerze gezündet wird. Außerdem ist die Zündanlage derart eingerichtet, dass das Kraftstoff-Luft-Gemisch in dem Verbrennungsmotor in dem zweiten Motorlastbereich mit im Vergleich zu dem ersten Motorlastbereich höherer Motorlast durch einen von der Zündkerze erzeugten Teilentladungsfunken und nicht über einen niederohmigen Luftfunken gezündet wird.
Der EP 2 089 944 B1 ist eine Zündkerze mit einer innerhalb eines Isolators angeordneten Mittelelektrode und einem Gehäuse als bekannt zu entnehmen. Das Gehäuse umgibt den Isolator zumindest bereichsweise. Dabei ist am Isolator ein leitfähiges flächenartiges Element angeordnet. Ferner ist es vorgesehen, dass das leitfähige flächenartige Element mit dem Gehäuse elektrisch kontaktiert ist.
Die DE 10 2014 111 684 B3 offenbart eine Korona Zündeinrichtung. Außerdem ist aus der DE 197 45 165 A1 eine Zündkerze bekannt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Zündkerze, eine Zündanlage und ein Verfahren der eingangs genannten Art zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Zündkerze mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch eine Zündanlage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Zündkerze für eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs. Die Zündkerze umfasst wenigstens oder genau zwei Hauptelektroden, mittels welchen zum Zünden eines Kraftstoff-Luft-Gemisches, insbesondere in einem beispielsweise als Zylinder ausgebildeten Brennraum der beispielsweise als Hubkolbenmaschine ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine, zumindest ein Zündfunke in Form eines Luftfunkens zwischen den Hauptelektroden erzeugbar ist. Hierzu sind die Hauptelektroden beispielsweise voneinander beabstandet, sodass zwischen den Hauptelektroden ein Luftspalt angeordnet ist. In diesem Luftspalt kann sich der zuvor genannte Luftfunke zwischen den Hauptelektroden ausbilden, sodass das Kraftstoff-Luft-Gemisch gezündet werden kann.
Die Zündkerze umfasst darüber hinaus einen zumindest einen Längenbereich einer der Hauptelektroden umgebenden Isolator. Beispielsweise umgibt der Isolator den Längenbereich der einen Hauptelektrode in Umfangsrichtung der einen Hauptelektrode vollständig umlaufend. Darüber hinaus umfasst die Zündkerze wenigstens eine Hilfselektrode, mittels welcher wenigstens ein Teilentladungsfunke zum Zünden eines Kraftstoff-Luft-Gemisches erzeugbar ist.
Um nun einen besonders vorteilhaften Betrieb der Zündkerze und somit der Verbrennungskraftmaschine insgesamt realisieren zu können, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Hilfselektrode wenigstens oder genau eine elektrisch leitfähige Schicht zugeordnet ist, welche auf einer der Hilfselektrode zugewandten außenumfangsseitigen Mantelfläche des Isolators, welcher beispielsweise aus einer Keramik gebildet oder als eine Keramik ausgebildet ist, angeordnet ist. Die Schicht ist als eine potentialfreie Gegenelektrode für die Hilfselektrode ausgebildet, sodass, insbesondere mittels der Hilfselektrode und mittels der Gegenelektrode, der Teilentladungsfunke, beispielsweise zwischen der Hilfselektrode und der Gegenelektrode, erzeugbar ist. Beispielsweise ist die Hilfselektrode von der Schicht beziehungsweise von der Gegenelektrode beabstandet, sodass beispielsweise zwischen der Hilfselektrode und der Gegenelektrode ein zweiter Luftspalt angeordnet ist. Beispielsweise durch Anlegen einer Zündspannung zumindest an die Hilfselektrode kann, insbesondere in dem zweiten Luftspalt und/oder zwischen der Hilfselektrode und der Gegenelektrode, der Teilentladungsfunke erzeugt werden, wodurch das Kraftstoff-Luft-Gemisch, insbesondere in dem Brennraum, gezündet werden kann. Insbesondere ist es denkbar, dass der Teilentladungsfunke, insbesondere mittels der Hilfselektrode, erzeugt wird, während ein Erzeugen des Luftfunkens zwischen den Hauptelektroden unterbleibt. Ferner ist es denkbar, insbesondere innerhalb eines Arbeitsspiels der Verbrennungskraftmaschine, mehrere Luftfunken zwischen den Hauptelektroden zu erzeugen, um dadurch das Kraftstoff-Luft-Gemisch zu zünden. Außerdem ist es denkbar, insbesondere innerhalb eines Arbeitsspiels der Verbrennungskraftmaschine, mehrere Teilentladungsfunken zu erzeugen, um dadurch das Kraftstoff-Luft-Gemisch, welches einfach auch als Gemisch bezeichnet wird, zu zünden. Ferner kann vorgesehen sein, dass innerhalb eines Arbeitsspiels der Verbrennungskraftmaschine, innerhalb welchem wenigstens ein oder mehrere Teilentladungsfunken, insbesondere mittels der Hilfselektrode, erzeugt wird beziehungsweise werden, eine Erzeugung eines Luftfunkens zwischen den Hauptelektroden unterbleibt.
Der Teilentladungsfunke resultiert aus wenigstens einer Teilentladung, insbesondere zwischen der Hilfselektrode und der Gegenelektrode, sodass beispielsweise das Kraftstoff-Luft-Gemisch durch wenigstens eine Teilentladung gezündet wird. Eine Teilentladung im Sinne der Erfindung kann beispielsweise eine elektrische Entladung ohne vollständigen Funkendurchbruch sein. Im Unterschied zum Luftfunken, bei dem beispielsweise ein vollständiger Plasmakanal, welcher die Hauptelektroden verbindet, entsteht, entsteht bei dem Teilentladungsfunken kein vollständiger Plasmakanal, welcher die Hilfselektrode und die Gegenelektrode niederohmig verbindet, sodass beispielsweise im Wesentlichen kein Strom zwischen der Hilfselektrode und der Gegenelektrode fließt. Es fließt - wenn überhaupt - nur ein äußerst geringer Teil an Ladung, zum Beispiel über sogenannte schnelle Elektronen, von einer Elektrode, beispielsweise von der Hilfselektrode, zu einer anderen Elektrode, beispielsweise zu einer der Hauptelektroden und vorzugsweise zu der einen Hauptelektrode, welche zumindest in dem Längenbereich von dem Isolator umgeben ist, und/oder zu der Gegenelektrode. Beispiele für Teilentladungen sind Korona-Entladungen oder sogenannte dielektrisch-behinderte Entladung an einem Dielektrikum. Dieses Dielektrikum ist beispielsweise der Isolator, sodass vorzugsweise der Isolator als ein Dielektrikum ausgebildet ist. Bei der Zündkerze ist beispielsweise ein Teil einer Strecke, insbesondere ein Teil des zweiten Luftspalts, durch einen Funkenkanal überbrückt, aber aufgrund einer elektrisch isolierenden Wirkung des Dielektrikums, das heißt des Isolators, erfolgt keine niederohmige Ankopplung auf Masse, und somit fließt kein hoher Strom. Durch eine solche Teilentladung kann das Kraftstoff-Luft-Gemisch, insbesondere bei hinreichend hohem Druck im Brennraum, gezündet werden, ohne dass es hierzu eines vollständig niederohmig leitenden und damit heißen Luftfunkendurchschlags wie bei der Erzeugung des Luftfunkens bedarf.
Der Vorteil der Zündung über eine solche Teilentladung ist, dass beispielsweise bei hohem, in dem Brennraum herrschenden Druck und damit beispielsweise bei hoher Last der Verbrennungskraftmaschine ein Zündspannungsbedarf für eine Zündung über eine Teilentladung geringer ist als ein Zündspannungsbedarf für eine Zündung über einen Luftfunken. Dadurch können beispielsweise Kosten für eine Zündspule, die Zündkerze selbst und für weitere Komponenten eines Zündsystems, beispielsweise für einen Zündverteiler, in einem besonders geringen Rahmen gehalten werden. So ist beispielsweise bei getesteten konventionellen Zündkerzen bei hoher Motorlast ab circa 31 Kilovolt ein Zünden über einen Teilentladungsfunken möglich, ohne dass es hierzu eines sehr geringen Elektrodenabstands bedarf. Bei geringer Motorlast kann die Zündung über einen gewöhnlichen Luftfunken erfolgen.
Die Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches durch Erzeugung eines beziehungsweise des Teilentladungsfunkens erfolgt somit vorzugsweise in Abhängigkeit von der Last der auch als Motor oder Verbrennungsmotor bezeichneten Verbrennungskraftmaschine, wobei deren Last auch als Motorlast bezeichnet wird. Eine solche, von der Motorlast abhängige Verwendung beispielsweise entweder einer Teilentladungs-Zündung durch den Teilentladungsfunken oder eine Luftfunken-Zündung durch den Luftfunken hat neben der Reduktion des benötigen Hochspannungsniveaus den Vorteil, dass ein größerer Elektrodenabstand für die Zündkerze verwendet werden kann. Dies bringt Vorteile mit sich, insbesondere auch für einen sogenannten Katheiz-Betrieb, also eine motorische Temperierung, insbesondere Erwärmung, eines Abgasnachbehandlungssystems zum Nachbehandeln eines Abgases der Verbrennungskraftmaschine. Darüber hinaus kann ein besonders großes Zündkerzenwechselintervall dargestellt werden, da mit Alterung der Zündkerze und damit typischerweise einhergehender Vergrößerung des Elektrodenabstands keine Gefahr von Zündaussetzern bei hoher Motorlasst besteht. Eine solche Gefahr bestünde bei über die Lebensdauer zunehmendem Elektrodenabstand bei konventioneller Luftfunken-Zündung ansonsten.
Die Zündkerze kann mehr als zwei Hauptelektroden zur Erzeugung von niederohmigen Luftfunken aufweisen, insbesondere mehrere Hauptelektrodenpaare, vorzugsweise mit unterschiedlichen Elektrodenabständen.
Der vorliegenden Erfindung liegt dabei ferner folgende Erkenntnis zugrunde: Bei der DE 10 2010 042 318 A1 ist das dortige Dielektrikum beziehungsweise der dortige Isolator nicht mit der erfindungsgemäß vorgesehenen Schicht versehen, sondern zwischen der in der DE 10 2010 042 318 A1 als dritte Elektrode bezeichneten Hilfselektrode und dem Isolator, insbesondere der außenumfangsseitigen Mantelfläche des Isolators, ist ein Luftspalt vorgesehen, welcher einerseits direkt von der Hilfselektrode und andererseits direkt von der außenumfangsseitigen Mantelfläche begrenzt ist. Hierdurch kommt es lokal zu elektrischen Feldüberhöhungen. Mit anderen Worten, bildet sich eine Teilentladung beziehungsweise der Teilentladungsfunke aus, so kann es bei hohen elektrischen Feldstärken lokal zu irreversiblen Funkendurchbrüchen durch den beispielsweise als eine Keramik ausgebildeten oder aus einer Keramik gebildeten Isolator kommen. Auf diese Weise kann der Isolator elektrisch punktiert und somit irreversibel geschädigt werden.
Durch Erzeugen des Teilentladungsfunkens entsteht ein Teilentladungsplasma, welches bei direktem Kontakt mit dem Isolator zu chemischer Erosion, insbesondere des Isolators, führen kann. Durch keramische Kriechstrombarrieren kann es nur vergleichsweise schwer verhindert werden, dass das Teilentladungsplasma in einem stark erosiven Gleitfunken auf dem Isolator, insbesondere auf dessen Oberfläche, übergeht. Die erfindungsgemäß vorgesehene, elektrisch leitfähige und als potentialfreie Gegenelektrode für die Hilfselektrode ausgebildete Schicht auf dem Isolator, insbesondere auf der außenumfangseitigen Mantelfläche des Isolators, grenzt vorzugsweise an dem Bereich der höchsten elektrischen Feldstärke an und homogenisiert ein beziehungsweise das bei der Teilentladung entstehende beziehungsweise die Teilentladung bewirkende elektrische Feld, insbesondere auf Seiten des Isolators. Hierdurch verhindert die Schicht elektrische Durchbrüche durch den Isolator.
Vorzugsweise steht das elektrische Feld senkrecht auf der Schicht beziehungsweise senkrecht auf einer mit der Schicht versehenen und beispielsweise mit der Schicht beschichteten Fläche des Isolators, sodass eine sehr starke Feldüberhöhung auf Seiten der Hilfselektrode, insbesondere an einer der Schicht zugewandten und beispielsweise als Spitze ausgebildeten Stirnseite der Hilfselektrode, nicht jedoch an der Schicht beziehungsweise an deren Oberfläche. Ist beziehungsweise wird ein nicht-thermischer Plasmakanal zur Schicht, insbesondere zur Oberfläche der Schicht, gebildet, so steht dieser Plasmakanal senkrecht auf beziehungsweise zur Schicht, insbesondere auf beziehungsweise zu deren Oberfläche. Dadurch ist zwar ein insbesondere zwischen dem Isolator beziehungsweise zwischen der Schicht und der Hilfselektrode angeordnetes, Entflammungsvolumen der Teilentladung begrenzt, sodass die Teilentladung beispielsweise nicht als verästelte Korona, sondern als nicht-thermischer Plasmabogen entsteht, aber im Vergleich zu der DE 10 2010 042 318 A1 kann die Teilentladung ohne übermäßigen Quenchingkontakt zum Isolator und zur Schicht bewirkt werden. In der Folge ist ein Entflammungsbereich scharf lokalisiert und greift den Isolator der Zündkerze deutlich weniger durch thermo- beziehungsweise elektrochemische Korrosion an. Insbesondere ist es möglich, mittels der erfindungsgemäßen Zündkerze besonders stabil, das heißt prozessstabil mehrfache Teilentladungszündungen durchzuführen, insbesondere innerhalb eines Arbeitsspiels der Verbrennungskraftmaschine, sodass beispielsweise innerhalb eines Arbeitsspiels stabil mehrere Teilentladungsfunken erzeugt werden können. Die Gefahr eines Funkendurchschlags kann besonders gering gehalten werden. Auch die Gefahr von Gleitfunken kann gering gehalten werden. Die Erosion des Isolators kann besonders gering gehalten werden.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Schicht aus einem metallischen Werkstoff, das heißt aus einem Metall gebildet, sodass die Oberfläche der Schicht eine metallische Oberfläche, das heißt eine Metalloberfläche ist. Hierdurch kann ein besonders vorteilhafter Betrieb realisiert werden.
Um unerwünschte Kriechströme zu vermeiden, ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die Schicht zumindest teilweise, insbesondere zumindest überwiegend, von wenigstens einer Kriechstrombarriere oder von mehreren Kriechstrombarrieren umgeben ist. Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn die Schicht in ihrer Umfangsrichtung vollständig umlaufend von der Kriechstrombarriere umgeben ist. Ein Funkenstrom, insbesondere zum Erzeugen des Teilentladungsfunkens, ist dann rein kapazitiv angekoppelt, wobei der Isolator als Dielektrikum fungiert. Hierdurch können beispielsweise insbesondere durch Anbringung mehrerer Paare umfassend jeweils wenigstens eine Hilfselektrode und wenigstens eine jeweils zugeordnete Schicht auf dem Isolator, Mehrfach-Teilentladungsfunken simultan erzeugen, wodurch eine besonders vorteilhafte Entflammungsstatistik realisiert werden. Die Schicht fungiert als insbesondere metallischer Beschichtungsschirm zur Realisierung einer kapazitiven Ankopplung. Die kapazitive Ankopplung über den vorzugsweise metallischen Beschichtungsschirm führt trotz der jeweiligen Teilentladung zu einem moderat erhöhten Stromfluss, sodass eine besonders hohe Temperatur des Teilentladungsplasmas realisiert werden kann. Dadurch kann eine besonders gute Zündfähigkeit des Teilentladungsplasmas gewährleistet werden.
Eine durch den Teilentladungsfunken bewirkte Zündung des Gemisches wird auch als Teilentladungszündung bezeichnet. Dabei ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die Teilentladungszündung ein zumindest dominierender Zündungsvorgang in einem Hoch- und Volllastbereich der Verbrennungskraftmaschine ist. Mit anderen Worten ist es vorzugsweise vorgesehen, dass im Hoch- und Volllastbereich der Verbrennungskraftmaschine innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels der Verbrennungskraftmaschine das jeweilige Gemisch zumindest oder ausschließlich durch wenigstens eine Teilentladungszündung gezündet wird, während vorzugsweise eine Erzeugung eines Luftfunkens zwischen den Hauptelektroden unterbleibt.
Die Zündung des Gemisches durch den Luftfunken wird als Funkenzündung bezeichnet, welche vorzugsweise im Teillastbereich der Verbrennungskraftmaschine beziehungsweise deren Kennfelds zum Einsatz kommt. Insbesondere ist es denkbar, im Teillastbereich das jeweilige Gemisch innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels durch Funkenzündung und durch Teilentladungszündung zu zünden. Mit anderen Worten ist es denkbar, im Teillastbereich innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels sowohl wenigstens einen Luftfunken als auch wenigstens einen Teilentladungsfunken zu erzeugen. Im Teillastbereich wirken die ebenfalls immer parallel entstehenden Teilentladungen primär flammenkernstabilisierend. Sie verschwinden, sobald die klassische Hauptfunkenentladung voll ausgeprägt ist.
Um unerwünschte Kriechströme besonders gut vermeiden zu können, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass sich die Kriechstrombarriere direkt an die Schicht anschließt. Dies bedeutet, dass zwischen der Kriechstrombarriere und der Schicht kein Bereich der außenumfangsseitigen Mantelfläche angeordnet ist, der frei von der Schicht ist.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Teilentladungsfunke ein dielektrisch behinderter Teilentladungsfunke, wie er in der DE 10 2010 042 318 A1 beschrieben ist.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die Hilfselektrode eine auf die Schicht weisende Spitze auf. Mit anderen Worten ist die zuvor genannte Stirnseite als die zuvor genannte Spitze ausgebildet, sodass ein besonders vorteilhafter Betrieb gewährleistet werden kann.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Zündanlage für eine Verbrennungskraftmaschine. Die Zündanlage umfasst wenigstens eine erfindungsgemäße Zündkerze gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung und Mittel zum Erzeugen einer an die Hauptelektroden und/oder an die Hilfselektrode anlegbaren Zündspannung. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts der Erfindung sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt. Die Mittel sind beispielsweise als eine Zündspule ausgebildet oder umfassen zumindest oder wenigstens eine Zündspule.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Zündkerze, insbesondere einer erfindungsgemäßen Zündkerze, für eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs. Bei dem Verfahren umfasst die Zündkerze wenigstens oder genau zwei Hauptelektroden, mittels welchen zum Zünden eines Kraftstoff-Luft-Gemisches wenigstens ein Luftfunke zwischen den Hauptelektroden erzeugt wird. Ferner umfasst die Zündkerze einen zumindest einen Längenbereich eine der Hauptelektroden umgebenden Isolator und wenigstens eine Hilfselektrode, mittels welcher wenigstens ein Teilentladungsfunke zum Zünden eines Kraftstoff-Luft-Gemisches erzeugt wird.
Um dabei einen besonders vorteilhaften Betrieb realisieren zu können, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Hilfselektrode eine elektrisch leitfähige, auf einer Hilfselektrode zugewandten außenumfangsseitigen Mantelfläche des Isolators angeordnete Schicht zugeordnet ist, welche als eine potentialfreie Gegenelektrode für die Hilfselektrode ausgebildet ist. Somit wird, insbesondere mittels der Hilfselektrode und mittels der Gegenelektrode, der Teilentladungsfunke, beispielsweise zwischen der Hilfselektrode und der Gegenelektrode, erzeugt. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts der Erfindung sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des dritten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels mit der zugehörigen Zeichnung. Dabei zeigt die einzige Fig. eine schematische und teilweise geschnittene Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Zündkerze für eine Verbrennungskraftmaschine.
Die einzige Fig. zeigt ausschnittsweise eine schematische und teilweise geschnittene Seitenansicht einer Zündkerze 1 für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs. Das Kraftfahrzeug ist beispielsweise als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen, ausgebildet und umfasst in seinem vollständig hergestellten Zustand die beispielsweise als Hubkolbenmaschine ausgebildete Verbrennungskraftmaschine. Die Verbrennungskraftmaschine weist dabei wenigstens einen beispielsweise als Zylinder ausgebildeten Brennraum auf, welchem die Zündkerze 1 zugeordnet ist. Beispielsweise während eines befeuerten Betriebs der Verbrennungskraftmaschine wird der Brennraum mit einem Kraftstoff, insbesondere mit einem flüssigen Kraftstoff, und mit Luft versorgt, sodass innerhalb eines jeweiligen Arbeitsspiels der Verbrennungskraftmaschine in dem Brennraum ein einfach auch als Gemisch bezeichnetes Kraftstoff-Luft-Gemisch gebildet wird beziehungsweise entsteht. Die Zündkerze 1 wird dabei verwendet, um eine Fremdzündung durchzuführen. Mittels der Fremdzündung wird das Gemisch innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels gezündet. In der Folge verbrennt das Gemisch, woraus Abgas der Verbrennungskraftmaschine resultiert.
Die Zündkerze weist eine erste Hauptelektrode 2 auf, welche auch als Mittelelektrode bezeichnet wird beziehungsweise als Mittelelektrode ausgebildet ist.
Die Hauptelektrode 2 ist beispielsweise eine Hochvolt-Mittelelektrode (HV-Mittelelektrode). Außerdem umfasst die Zündkerze 1 eine zweite Hauptelektrode 3, welche über einen ersten Luftspalt L1 von der Hauptelektrode 2 beabstandet ist. Mit anderen Worten weisen die Hauptelektroden 2 und 3 jeweilige, einander zugewandte Stirnseiten 5 und 6 auf, welche, insbesondere in Längserstreckungsrichtung der Hauptelektrode 2, voneinander beabstandet sind, sodass zwischen den Stirnseiten 5 und 6 und somit zwischen den Hauptelektroden 2 und 3 der Luftspalt L1 angeordnet ist. Der Luftspalt L1 wird somit, insbesondere in Längserstreckungsrichtung der Hauptelektrode 2, einerseits beispielsweise durch die Hauptelektrode 2 und andererseits beispielsweise durch die Hauptelektrode 3 begrenzt. Durch diese Beabstandung der Hauptelektroden 2 und 3 beziehungsweise der Stirnseiten 5 und 6 ist zwischen den Hauptelektroden 2 und 3 beziehungsweise zwischen den Stirnseiten 5 und 6 ein erster Elektrodenabstand d₁ vorgesehen. Die Zündkerze umfasst darüber hinaus einen Isolator 7, welcher zumindest einen Längenbereich L der Hauptelektrode 2 umgibt. Dies bedeutet, dass zumindest der Längenbereich L außenumfangsseitig von dem Isolator 7 umgeben ist. Dabei umgibt der Isolator 7 den Längenbereich L in Umfangsrichtung des Längenbereichs L beziehungsweise der Hauptelektrode 2 vollständig umlaufend. Der Isolator 7 ist aus einer Keramik gebildet beziehungsweise als eine Keramik ausgebildet oder der Isolator 7 umfasst eine solche, auch als Zündkerzenkeramik bezeichnete Keramik 8, die aus einem keramischen Werkstoff beziehungsweise aus einer Keramik gebildet ist. Die Keramik 8 beziehungsweise der Isolator 7 weist eine der Hauptelektrode 2 abgewandte, außenumfangsseitige Mantelfläche 9 auf, welche aus dem keramischen Werkstoff beziehungsweise aus der Keramik 8 gebildet ist. Der Isolator 7 ist ein Dielektrikum der Zündkerze 1.
Des Weiteren umfasst die Zündkerze 1 wenigstens oder vorliegend mehrere Hilfselektroden 10, deren Funktion im Folgenden noch genauer erläutert wird. Mittels der Hauptelektroden 2 und 3 kann zum Zünden des jeweiligen Kraftstoff-Luft-Gemisches und somit beispielsweise innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels wenigstens ein oder mehrere Luftfunken zwischen den Hauptelektroden 2 und 3, insbesondere zwischen den Stirnseiten 5 und 6, erzeugt werden. Insbesondere wird der jeweilige Luftfunke in dem Luftspalt L1 gebildet. Hierzu ist die Zündkerze 1 beispielsweise Bestandteil einer Zündanlage 11, welche die Zündkerze 1 und in der Fig. besonders schematisch dargestellte Mittel 12 zum Erzeugen und Bereitstellen einer Zündspannung umfasst. Die Zündspannung wird beispielsweise an die Hauptelektroden 2 und 3 angelegt, um dadurch mittels der Zündspannung und mittels der Hauptelektroden 2 und 3 den wenigstens einen Luftfunken zu erzeugen. Außerdem weist die Zündkerze 1 eine elektrisch leitfähige Schicht 20 beispielsweise in Form einer Innenbeschichtung auf, welche, insbesondere entlang der Richtung, zwischen der Hauptelektrode 2 und der Keramik 8 beziehungsweise dem Isolator 7 angeordnet ist.
Die Mittel 12 sind ferner dazu ausgebildet, eine zweite Zündspannung zu erzeugen, bereitzustellen und zumindest an die jeweilige Hilfselektrode 10 anzulegen. Dabei kann die zweite Zündspannung der ersten Zündspannung entsprechen, oder die zweite Zündspannung ist wesentlich geringer als die erste Zündspannung. Durch Anlegen der zweiten Zündspannung zumindest an die jeweilige Hilfselektrode 10 kann - wie im Folgenden noch genauer erläutert wird - mittels der jeweiligen Hilfselektrode 10 innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels wenigstens ein oder mehrere Teilentladungsfunken erzeugt werden. Mittels des jeweiligen Teilentladungsfunkens, welcher durch eine korrespondierende Teilentladung erzeugbar ist beziehungsweise erzeugt wird, kann das jeweilige Kraftstoff-Luft-Gemisch gezündet werden. Eine durch den Luftfunken bewirkte Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches wird auch als Funkenzündung bezeichnet, wobei eine durch den Teilentladungsfunken bewirkte Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches auch als Teilentladungszündung bezeichnet wird.
Um nun einen besonders vorteilhaften Betrieb der Zündkerze 1 realisieren zu können, ist der jeweiligen Hilfselektrode 10 wenigstens oder genau eine elektrisch leitfähige Schicht 13 zugeordnet. Die elektrisch leitfähige Schicht 13 ist auf der der jeweiligen Hilfselektrode 10 zugewandten außenumfangsseitigen Mantelfläche 9 des Isolators 7 angeordnet und als eine jeweilige potentialfreie Gegenelektrode 14 für die jeweilig zugeordnete Hilfselektrode 10 ausgebildet. Dadurch ist beziehungsweise wird der jeweilige Teilentladungsfunke - beispielsweise zwischen der jeweiligen Hilfselektrode 10 und der jeweils zugeordneten Gegenelektrode 14 - erzeugbar beziehungsweise erzeugt. Die Hauptelektrode 3 ist beispielsweise eine Haupt-Massenelektrode zur Realisierung einer konventionellen Funkenzündung beziehungsweise Funkenentladung. Die jeweilige Hilfselektrode 10 ist eine Hilfs-Massenelektrode, um eine Teilentladung in Form einer dielektrisch behinderten Entladung zur Erzeugung des Teilentladungsfunkens zu erzeugen. Die Schicht 13 ist beispielsweise eine insbesondere punkt- oder flächenförmige potentialfreie leitfähige Armierung des Isolators 7, insbesondere der Keramik 8.
In der Fig. ist die Längserstreckungsrichtung der Hauptelektrode 2 durch einen Doppelpfeil 15 veranschaulicht. Entlang einer senkrecht zur Längserstreckungsrichtung der Hauptelektrode 2 verlaufenden und in der Fig. durch einen Doppelpfeil 16 veranschaulichten Richtung ist die jeweilige Hilfselektrode 10 derart von der jeweils zugeordneten Gegenelektrode 14 beabstandet, dass eine jeweilige Stirnseite 17 der jeweiligen Hilfselektrode 10 entlang der genannten Richtung von einer jeweiligen, der Stirnseite 17 zugeordneten Stirnseite 18 der jeweiligen Schicht 13 beabstandet ist. Dadurch ergibt sich ein entlang der Richtung verlaufender zweiter Elektrodenabstand d₂ zwischen der jeweiligen Hilfselektrode 10 und der jeweils zugeordneten Schicht 13. Die jeweilige Schicht 13 ist beispielsweise eine Beschichtung, mit welcher die Mantelfläche 9 versehen ist. Die in der Fig. gezeigten Elektrodenabstände d₂ können gleich sein, oder die Elektrodenabstände d₂ sind voneinander unterschiedlich. Ferner ist es denkbar, dass der jeweilige Elektrodenabstand d₂ dem Elektrodenabstand d₁ entspricht, oder die jeweiligen Elektrodenabstände d₁ und d₂ sind voneinander unterschiedlich. Vorzugsweise ist die jeweilige Schicht 13 aus einem metallischen Werkstoff gebildet, sodass die jeweilige Schicht 13 als metallische Schicht beziehungsweise als metallische Beschichtung ausgebildet ist.
Bei dem in der Fig. veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist die jeweilige Schicht 13 lokal begrenzt. Dies bedeutet, dass ein jeweiliger erster Teilbereich T1 der außenumfangsseitigen Mantelfläche 9 mit der jeweiligen Schicht 13 versehen ist. Mit anderen Worten ist die jeweilige Schicht 13 auf dem jeweiligen ersten Teilbereich T1 angeordnet. Ein jeweiliger, sich an den jeweiligen ersten Teilbereich T1 anschließender zweiter Teilbereich T2 der außenumfangsseitigen Mantelfläche 9 ist jedoch frei von der jeweiligen Schicht 13, sodass in dem zweiten Teilbereich T2 keine Schicht 13 angeordnet ist. Ferner sind vorzugsweise die Schichten 13 voneinander beabstandet.
Des Weiteren ist die jeweilige Schicht 13 zumindest teilweise, insbesondere zumindest überwiegend oder vorzugsweise vollständig, von einer jeweiligen Kriechstrombarriere 19 umgeben. Dabei ist die jeweilige Schicht 13 in ihrer Umfangsrichtung vollständig umlaufend von der Kriechstrombarriere 19 umgeben, sodass die Kriechstrombarriere 19 jeweils ringsum um die jeweilige Schicht 13 verläuft. Ferner schließt sich die jeweilige Kriechstrombarriere 19 direkt an die jeweilige Schicht 13 an. Des Weiteren ist der Teilentladungsfunke ein dielektrisch behinderter Teilentladungsfunke. Darüber hinaus ist die jeweilige Stirnseite 17 spitz ausgebildet, sodass die jeweilige Stirnseite 17 als eine jeweilige, der jeweiligen Schicht 13 zugewandte und auf die jeweilige Schicht 13 weisende Spitze S der jeweiligen Hilfselektrode 10 ausgebildet ist.
Die jeweilige Stirnseite 18 ist vorzugsweise eine Oberfläche der Schicht 13. Da die Schicht 13 aus einem metallischen Werkstoff gebildet ist, ist die Oberfläche vorzugsweise eine metallische Oberfläche, das heißt eine Metalloberfläche. Bei der Erzeugung des Teilentladungsfunkens entsteht beispielsweise ein elektrisches Feld, welches auf dem leitend beschichteten und eine Fläche darstellenden Teilbereich T1 senkrecht steht. Hierdurch findet eine sehr starke Feldüberhöhung an der jeweiligen Spitze S, nicht jedoch an der jeweiligen Metalloberfläche statt. Ist beziehungsweise wird beispielsweise ein nicht-thermischer Plasmakanal zur Metalloberfläche gebildet, so steht dieser senkrecht zur Metalloberfläche. Übermäßige Quenchingkontakte zur Keramik 8 und zur Metalloberfläche können dadurch verhindert werden. In der Folge ist ein Entflammungsbereich scharf lokalisiert und greift somit die Keramik 8 nicht übermäßig erosiv an.
Bezugszeichenliste

1: Zündkerze
2: Hauptelektrode
3: Hauptelektrode
4: Luftspalt
5: Stirnseite
6: Stirnseite
7: Isolator
8: Keramik
9: außenumfangsseitige Mantelfläche
10: Hilfselektrode
11: Zündanlage
12: Mittel
13: Schicht
14: Gegenelektrode
15: Doppelpfeil
16: Doppelpfeil
17: Stirnseite
18: Stirnseite
19: Kriechstrombarriere
20: Schicht
d₁: Elektrodenabstand
d₂: Elektrodenabstand
L: Längenbereich
L1: Luftspalt
S: Spitze
T1: Teilbereich
T2: Teilbereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010042318 A1 [0002, 0014, 0016, 0022]
EP 2089944 B1 [0003]
DE 102014111684 B3 [0004]
DE 19745165 A1 [0004]

Claims

Zündkerze (1) für eine Verbrennungskraftmaschine, mit zwei Hauptelektroden (2, 3), mittels welchen zum Zünden eines Kraftstoff-Luft-Gemisches wenigstens ein Luftfunke zwischen den Hauptelektroden (2, 3) erzeugbar ist, mit einem zumindest einen Längenbereich (L) einer der Hauptelektroden (2, 3) umgebenden Isolator (7), und mit wenigstens einer Hilfselektrode (10), mittels welcher wenigstens ein Teilentladungsfunke zum Zünden eines Kraftstoff-Luft-Gemisches erzeugbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfselektrode (10) eine elektrisch leitfähige, auf einer der Hilfselektrode (10) zugewandten außenumfangsseitigen Mantelfläche (9) des Isolators (7) angeordnete Schicht (13) zugeordnet ist, welche als eine potentialfreie Gegenelektrode (14) für die Hilfselektrode (10) ausgebildet ist.
Zündkerze (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (13) aus einem metallischen Werkstoff gebildet ist.
Zündkerze (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (13) lokal begrenzt ist.
Zündkerze (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (13) zumindest teilweise von einer Kriechstrombarriere (19) umgeben ist.
Zündkerze (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (13) in ihrer Umfangsrichtung vollständig umlaufend von der Kriechstrombarriere (19) umgeben ist.
Zündkerze (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Kriechstrombarriere (19) direkt an die Schicht (13) anschließt
Zündkerze (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilentladungsfunke ein dielektrisch behinderter Teilentladungsfunke ist.
Zündkerze (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfselektrode (10) eine auf die Schicht (13) weisende Spitze (S) aufweist.
Zündanlage (11) für eine Verbrennungskraftmaschine, mit wenigstens einer Zündkerze (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, und mit Mittel (12) zum Erzeugen einer an die Hauptelektroden (2, 3) und/oder an die Hilfselektrode (10) anlegbaren Zündspannung.
Verfahren zum Betreiben einer Zündkerze (1) für eine Verbrennungskraftmaschine, bei welchem die Zündkerze (1) umfasst: - zwei Hauptelektroden (2, 3), mittels welchen zum Zünden eines Kraftstoff-Luft-Gemisches wenigstens ein Luftfunke zwischen den Hauptelektroden (2, 3) erzeugt wird; - einen zumindest einen Längenbereich (L) einer der Hauptelektroden (2, 3) umgebenden Isolator (7); und - wenigstens eine Hilfselektrode (10), mittels welcher wenigstens ein Teilentladungsfunke zum Zünden eines Kraftstoff-Luft-Gemisches erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfselektrode (10) eine elektrisch leitfähige, auf einer der Hilfselektrode (10) zugewandten außenumfangsseitigen Mantelfläche (9) des Isolators (7) angeordnete Schicht (13) zugeordnet ist, welche als eine potentialfreie Gegenelektrode (14) für die Hilfselektrode (10) ausgebildet ist.