DE19645385A1 - Zündkerze zur Ausbildung eines zwischen zwei Elektroden überspringenden Zündfunkens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Zündkerze zur Ausbildung eines zwi­ schen zwei Elektroden überspringenden Zündfunkens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Zündkerzen weisen zwei Elektroden auf, zwischen denen nach An­ liegen einer die elektrische Überschlagsspannung übersteigenden Zündspannung ein Zündfunke überspringt, welcher ein die Elek­ troden umgebendes, brennbares Gasgemisch entzündet. Üblicher­ weise ist eine Masseelektrode an einem elektrisch leitfähigen Gehäuse der Zündkerze ausgebildet, welches einen Isolierkörper umgibt, der im Inneren eine Mittelelektrode trägt. Bei bekann­ ten Zündkerzen ist die Masseelektrode in einem bogenförmigen Endabschnitt mit einem geringen Abstand von etwa 0,4 bis 0,8 mm über die Mittelelektrode geführt. Bei Anlegen der Zündspannung springt zwischen der Mittelelektrode und der Masseelektrode ein die Gemischzündung bewirkender Funken über. Bedingt durch die kurze Funkenstrecke zwischen den Elektroden kann die bekannte Zündkerze lediglich brennbare Einstoffgase sowie homogene Gemi­ sche zuverlässig zünden. Liegt ein inhomogenes Gasgemisch mit lokalen Konzentrationsunterschieden vor, so kann keine Zündung erfolgen, wenn der Zündfunke in einem Teilvolumen des Gemisches mit Luftüberschuß und Mangel der Brennstoffkomponente über­ springt.

Die Nachteile der kurzen Funkenstrecke zwischen den Elektroden herkömmlicher Zündkerzen zeigen sich im Betrieb direkteinsprit­ zender Otto-Brennkraftmaschinen mit Ladungsschichtung, wie sie beispielsweise die DE-OS 43 24 642 A1 offenbart. Die Elektroden der Zündkerze ragen hier in einen Gemischkegel mit nach außen abfallenden Konzentrationsgradienten ein, welcher aus einem ke­ gelförmigen Kraftstoffstrahl eines Injektors gebildet ist. An den Elektroden der Zündkerze im Außenbereich des Gemischkegels liegt ein zündwilliges Gemisch vor, welches jedoch magerer ist als die Gemischzusammensetzung nahe des Injektors, wodurch bei der anschließenden Schichtverbrennung Verbrauchsvorteile und eine geringere Schadstoffemission der Brennkraftmaschine er­ zielt werden. Fertigungstechnisch bedingte Gestaltabweichungen der Injektordüse oder auch Ablagerungen mit zunehmender Be­ triebsdauer der Brennkraftmaschine verursachen eine Strähnig­ keit des Kraftstoffstrahls, wodurch es insbesondere im Mantel­ bereich des Gemischkegels zu Konzentrationsschwankungen kommt. Unterschreitet die Kraftstoffkonzentration des zum Zündzeit­ punkt an den Elektroden vorliegenden Gemisches die Grenze der Zündwilligkeit, so kann der zwischen den Elektroden übersprin­ gende Zündfunke den Verbrennungsvorgang nicht einleiten. Solche Zündaussetzer sind wegen der in der Folge auftretenden Laufun­ ruhe sowie den hohen Schadstoffemissionen der Brennkraftmaschi­ ne auf jeden Fall zu vermeiden.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die gattungsgemäße Zündker­ ze so auszubilden, daß die Zündung brennbarer Gasgemische mit örtlich unterschiedlichen Gemischkonzentrationen verbessert ist. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, die Zündkerze der­ art in einer Otto-Brennkraftmaschine, insbesondere einer mit Ladungsschichtung betreibbaren Brennkraftmaschine, anzuordnen, daß deren ordnungsgemäßer Betrieb verbessert ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Zündkerze mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und bei einer Otto-Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst.

Überragt die Mittelelektrode in axialer Richtung die Masseelek­ trode, so ist eine lange Funkenstrecke entsprechend dem Abstand zwischen den Elektroden ausbildbar. Brennbare Gasgemische mit lokal unterschiedlichen Konzentrationen können zuverlässig ge­ zündet werden, da der auf dem genau definierbaren Weg zwischen den Elektroden das Gemisch lange durchlaufende Zündfunken si­ cher mindestens ein Teilvolumen des Gemisches innerhalb der Zündgrenzen vorfindet. Der Funkenweg von der Mittelelektrode zu der Masseelektrode verläuft dabei benachbart der am stärksten erwärmten Abschnitte der Zündkerze, wodurch die Zündwilligkeit des zwischen den Elektroden befindlichen Volumenteils des Gemi­ sches infolge der höheren Temperatur verbessert ist. Ein weiter verlängerter und dennoch kontrollierter Funkenweg läßt sich da­ durch erreichen, daß sich der Isolierkörper in axialer Richtung der Mittelelektrode mindestens gleich weit erstreckt wie die Masseelektrode am Gehäuse. Der Zündfunke wird zunächst auf den benachbart liegenden Isolierkörper, obwohl dieser selbst nicht leitend ist, wegen dessen Masse und der hohen Zündspannung überspringen und wird von dort an die Masseelektrode weiterge­ leitet. Es bilden sich somit zwei Teilfunkenstrecken, die ge­ meinsam der Gesamtfunkenstrecke zwischen den Elektroden ent­ sprechen. Vorteilhaft wird der Isolierkörper von dem Gehäuse der Zündkerze mit radialem Abstand unter Ausbildung einer zu den Elektroden offenen Kammer umgeben, wodurch eine stärkere Erwärmung des Isolierkörpers und der daran eingeschlossenen Mittelelektrode erreicht ist. Darüber hinaus hat die Kammer ei­ ne wärmeisolierende Wirkung und verhindert ein Abkühlen des Isolierkörpers durch Wärmeleitung durch das Gehäuse.

Die Zündkerze wird vorzugsweise zur Gemischzündung bei Otto- Brennkraftmaschinen verwendet, wobei pro Zylinder mindestens eine Zündkerze mit ihren Elektroden in den Brennraum und in das darin befindliche Gemisch einragt. Das Gehäuse der Zündkerze wird dabei elektrisch leitend mit dem Zylinderkopf verbunden, wodurch neben der Lagefixierung die Ableitung des Zündfunkens gewährleistet ist. Arbeitet die Brennkraftmaschine mit innerer Gemischbildung und Ladungsschichtung, so ist das im Brennraum geschichtete, inhomogene Kraftstoff/Luft-Gemisch zuverlässig zündbar. Vorteilhaft durchsticht dabei mindestens die Mittele­ lektrode bei jeder Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum den Außenmantel eines gemischführenden Schichtkegels. Der Schicht­ kegel wird bei der Einspritzung eines im Zylinderkopf angeord­ neten Injektors durch dessen Kegelstrahl bestimmt und weist ausgehend vom Kegelzentrum mit höchsten Kraftstoffkonzentratio­ nen gemäß der Schichtung nach außen hin zunehmende λ-Werte auf. Im Bereich des Außenmantels liegt die Gemischzusammensetzung innerhalb der Zündgrenzen, wobei es in der Natur des Schichtla­ dungsbetriebes liegt, daß es aufgrund von Strähnigkeit des ein­ gespritzten Kegelstrahls im Außenmantel des Gemischkegels ört­ lich zu einer mageren Gemischzusammensetzung kommt, welche die Zündgrenze unterschreitet. Diese schwer entflammbaren Teilvolu­ men mit hohen λ-Werten sind jedoch klein und durch den langen Funkenweg der Zündkerze ausgehend von einer in den Gemischkegel einragenden Mittelelektrode durchschlägt der zwischen den Elek­ troden überspringende Zündfunken bei jedem Zündvorgang ein Teilvolumen des Gemisches mit λ-Werten innerhalb der Zündgren­ zen. Weist die Mittelelektrode entsprechend der Anordnung der Zündkerze im Zylinderkopf auf die Symmetrieachse des Gemischke­ gels, so verläuft die Funkenstrecke zwischen den Elektroden in einem Gemischbereich mit größtmöglichem Konzentrationsgefälle und die Schichtverbrennung kann äußerst zuverlässig durch den Zündfunken ausgelöst werden.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der nachstehenden Erläuterung eines Ausführungs­ beispiels anhand der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische, teilweise aufgebrochene Ansicht einer Zündkerze,

Fig. 2 eine geschnittene Darstellung einer direkteinspritzenden Otto-Brennkraftmaschine mit Zündkerze zur Gemischzün­ dung,

Fig. 3 einen Schnitt durch den Gemischkegel und die in den Ge­ mischkegel einragende Zündkerze gemäß III-III in Fig. 2.

Die in Fig. 1 dargestellte Zündkerze 1 weist eine Mittel­ elektrode 3 auf, welche einen Isolierkörper 4 durchsetzt. Rota­ tionssymmetrisch zur Achse der Mittelelektrode 3 wird der Iso­ lierkörper 4 unter Ausbildung einer zur Mittelelektrode 3 offe­ nen Kammer 6 von einem Gehäuse 5 mit Abstand umgeben, welches in seinem Endabschnitt eine Masseelektrode 2 trägt. Die Mitte­ lelektrode 3 überragt die Masseelektrode 2 in axialer Richtung um einen Betrag b, welcher die axiale Erstreckung einer Funken­ strecke 19 bestimmt, der nach Anlegen einer Zündspannung an die Elektrode 2, ein zwischen diesen überspringender Zündfunken folgt. Der Isolierkörper 4 verjüngt sich zur Mittelelektrode 3 und überragt dabei die Masseelektrode 2. Die Masse des Isolier­ körpers 4 und die sich an dessen Oberfläche bildenden Verunrei­ nigungen, Ablagerungen oder dergl. bewirken, daß der Zündfunke zunächst an das vordere Ende des Isolierkörpers 4 überspringt und von dort über eine zweite Teilstrecke zur Masseelektrode 2. Dadurch verläuft die gesamte Funkenstrecke 19 des Überschlags in zwei Teilfunkenstrecken, nämlich von der Mittelelektrode 3 zu dem Endabschnitt des Isolierkörpers 4 einerseits und von dort zur Masseelektrode 2 andererseits und bleibt auf diese Weise trotz ihrer großen Länge kontrollierbar.

Die Zündkerze 1 eignet sich dadurch besonders zur Zündung von brennbaren Gemischen mit örtlich unterschiedlichen Gemischkon­ zentrationen, da entsprechend der langen Funkenstrecke 19 der zwischen den Elektroden 2, 3 überspringende Zündfunke große Ab­ schnitte des zu zündenden Gemisches durchschlägt. Entsprechend dem axialen Abstand b und dem radialen Abstand a der Elektroden 2, 3 stellt die Zündkerze 1 einen großen Zündabschnitt zur Ver­ fügung, welcher die Zündzuverlässigkeit dadurch erhöht, daß das Vorliegen eines zündwilligen Gemisches lediglich in einem Teil­ abschnitt der Funkenstrecke 19 zur Auslösung der Gemischver­ brennung ausreicht. Durch die Kammer 6 wird die bei der Ge­ mischverbrennung entstehende Wärme auf den keramischen Isolier­ körper 4 übertragen, wobei mit zunehmender Temperatur die Zünd­ fähigkeit der Zündkerze 1 steigt. Darüber hinaus ist eine hohe Temperatur der Mittelelektrode und des benachbarten Abschnittes des Isolierkörpers 4 anzustreben, da Ablagerungen unvollständig verbrannten Kraftstoffs sich vornehmlich an Flächen niederer Temperatur bilden. Die axiale Erstreckung h des Gehäuses 5 und damit der Kammer 6 zur Überdeckung des Isolierkörpers 4 beein­ flußt daher wesentlich die Zündeigenschaften der Zündkerze 1. Die Erstreckung h der Kammer 6 in Überdeckung mit dem zum Zwecke der Wärmeisolierung zu erwärmenden Endabschnitt des Isolier­ körpers 4 ist daher möglichst lang und wird geometrisch durch die Anordnung der Masseelektrode 2 zur Erzielung einer langen Funkenstrecke 19 begrenzt. Der Durchmesser d der Masseelektrode 3 ist gering, um einen Wärmeentzug bei einem Kontakt mit dem vor der Verbrennung kühlen Gemisch durch die geringe Elektro­ denmasse zu verhindern. Insbesondere bei einer Gemischbildung mit flüssigem Brennstoff kann mit dem geringen Durchmesser d die Abkühlung der Mittelelektrode 3 durch Benetzung und Verdun­ stung eingeschränkt werden. Für die vorteilhafte Verwendung der Zündkerze 1 zur Zündung von Kraftstoff/Luft-Gemischen in Otto- Brennkraftmaschinen wird ein Durchmesser d der Mittelelektrode 3 von 0,9 mm vorgeschlagen.

Fig. 2 zeigt einen Zylinder 13 mit einem darin angeordneten Hubkolben 14 einer Otto-Brennkraftmaschine 7, in dem von einem Kolbenboden 16 und einem dachförmigen Zylinderkopf 8 ein Brenn­ raum 12 begrenzt ist. Im Scheitel des Zylinderkopfes 8 mündet auf der Symmetrieachse 18 des Zylinders 13 ein Injektor 9 in den Brennraum 12, welcher im Schichtladungsbetrieb der Brenn­ kraftmaschine 7 Kraftstoff während des Kompressionshubes des Kolbens 14 einspritzt. Die zur inneren Gemischbildung notwendi­ ge Verbrennungsluft ist durch einen den Zylinderkopf 8 durch­ setzenden Einlaßkanal 15 dem Brennraum 12 zuführbar. Der Kraft­ stoff ist von dem Injektor 9 in einem Kegelstrahl 10 einspritz­ bar, wodurch das Kraftstoff/Luft-Gemisch in einem Schichtkegel 20 mit nach außen hin zunehmenden λ-Werten, das heißt zunehmend mageren Gemischverhältnissen, zur Schichtverbrennung bereit­ stellbar ist. Gemischkonzentrationen innerhalb der Zündgrenzen eines bestimmten λ-Fensters liegen in einem Außenmantel 11 des Schichtkegels 20 vor, wobei innerhalb des Schichtkegels 20 ein zu fettes Gemisch mit niedrigen λ-Werten die untere Zündkerze unterschreitet und außerhalb des Außenmantels 11 das magere Ge­ misch mit hohen λ-Werten und Luftüberschuß oberhalb der Zünd­ kerze schwer entflammbar ist. Infolge der Strähnigkeit des Ke­ gelstrahls 10 ist es möglich, daß im Außenmantel 11 des Ge­ mischkegels 20 örtlich kleine Teilvolumina des Gemisches gebil­ det werden, deren λ-Werte außerhalb der Zündgrenzen liegen.

Die Zündung dieser geschichteten Brennraumladung erfolgt durch eine Zündkerze 1, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist. Das Gehäuse 5 der Zündkerze 1 ist mit dem Zylinderkopf 8 verbunden, wobei die Elektroden 2, 3 in den Brennraum 12 einragen. Das zylindrische Gehäuse 5 der Zündkerze 1 kann zur Herstellung der Verbindung mit dem Zylinderkopf 8 in bekannter Weise ein Gewinde tragen, welches in einer entsprechenden Gewindebohrung im Zylinderkopf 8 verschraubbar ist. Das Gehäuse 5 besteht dabei aus einem elektrisch leitfähigen Material, vorzugsweise Stahl, so daß ein von der Mittelelektrode 3 auf die am Gehäuse 5 ausgebildete Masseelektrode 2 überspringender Zündfunke über das Gewinde in den Zylinderkopf 8 eingeleitet wird. Bei der Gemischbildung durchsticht die Mittelelektrode den Außenmantel 11 und ragt ins Innere des Gemischmantels 20 ein. Sowohl die Mittelelektrode 3 als auch der die Mittelelektrode umgebende Isolierkörper 4 überragen in axialer Richtung, das heißt zum Gemischkegel 20, die Masseelektrode 2. Nach Anlegen der Zündspannung springt ein Zündfunke von der Mittelelektrode 3 auf die Masseelektrode 2 über und erfaßt dabei auf seiner langen Funkenstrecke über den Isolierkörper 4 einen großen Abschnitt des Gemischkegels 20 in radialer Richtung mit unterschiedlichen λ-Werten. Auch bei ört­ lich vorliegenden, zündunwilligen Teilvolumina im Außenmantel 11 ist durch die Erfassung mehrerer, verschieden konzentrierter Gemischvolumina eine zuverlässige Zündung der Brennraumladung ermöglicht.

Die Mittelelektrode 3 liegt näher am Injektor 9 als die Mas­ seelektrode 2, wodurch weiterhin der Erfassungsbereich von Ge­ mischanteilen des Gemischkegels 20 mit verschiedenen λ-Werten erweitert ist. Die rotationssymmetrisch ausgebildete Zündkerze 1 trägt eine Markierung zur Kennzeichnung der Umfangslage. Beim Einbau der Zündkerze 1 in den Zylinderkopf 8 ist die Markierung von dem Ende der Zündkerze aus erfaßbar, welches den Elektroden gegenüberliegt. Die Zündkerze 1 ist somit auf einfache Art in die angestrebte Einbaulage bringbar, in der die Masseelektrode 2 dem Injektor 9 abgewandt liegt.

In der vorteilhaften Einbaulage der Zündkerze 1 liegt die Mas­ seelektrode 2 in Umfangsrichtung des Außenmantels 11 des Ge­ mischkegels 10 von der Mittelelektrode 3 beabstandet, wie ins­ besondere aus Fig. 3 ersichtlich ist. Die Funkenstrecke 19 ei­ nes nach Anlegen einer Zündspannung von der Mittelelektrode 3 über den Isolierkörper 4 auf die Masseelektrode 2 überspringen­ den Zündfunkens liegt dadurch in einer zur Zylinderachse und auch zur Einspritzrichtung senkrecht stehenden Ebene. Über den Vorteil des großen Erfassungsbereiches verschiedener λ-Werte radialer Richtung des Gemischkegels 20 ist durch diese Anord­ nung der Masseelektrode 2 quer zum Gemischkegel 20 die Lagesta­ bilität der Funkenstrecke 19 erhöht. Die durch das Gehäuse 5 der Zündkerze 1 begrenzte Kammer 6 fördert die Erwärmung des durch sie wärmegedämmten Isolierkörpers 4 aus einem keramischen Material. Es kann dadurch insbesondere an der Mittelelektrode 3 und am Endabschnitt des Isolierkörpers 4 eine Betriebstempera­ tur erreicht werden, welche die Ablagerung von Verbrennungs­ rückständen in diesen Bereichen der Zündkerze 1 durch Freibren­ nen verhindert. Insbesondere im Schichtladungsbetrieb einer Ot­ to-Brennkraftmaschine mit geringen Brennraumtemperaturen ist die Zündkerze 1 durch die Kammer 6 auf eine Betriebstemperatur erwärmbar, welche die Verkokung der Zündkerze zuverlässig ver­ hindert. Die Mittelelektrode, welche bei der Kraftstoffein­ spritzung mit flüssigem Kraftstoff benetzt und dadurch abge­ kühlt wird, wird durch die Dämmung der Wärmeabfuhr vor schädli­ chen Verkokungen geschützt. Die Mittelelektrode 3 ist möglichst dünn auszuführen, um durch die geringe Masse eine Wärmeabfuhr zu hemmen und darüber hinaus dem eingespritzten Kraft­ stoffstrahl wenig Auftrefffläche zur Benetzung zu bieten. Es wird für die Mittelelektrode 3 ein Durchmesser von 0,9 mm vor­ geschlagen.

Claims (9)

1. Zündkerze (1) zur Ausbildung eines zwischen zwei Elektroden (2, 3) überspringenden Zündfunkens, wobei eine Masseelektrode (2) an einem Gehäuse (5) der Zündkerze (1) ausgebildet ist, welches einen Isolierkörper (4) umgibt, der im Inneren eine Mittelelektrode (3) trägt, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelelektrode (3) in axialer Richtung die Masseelek­ trode (2) überragt.

2. Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (5) den Isolierkörper (4) mit Abstand unter Ausbildung einer zu den Elektroden (2, 3) offenen Kammer (6) umgibt.

3. Zündkerze nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Isolierkörper (4) in axialer Richtung der Mittele­ lektrode (3) mindestens gleich weit erstreckt wie die Mas­ seelektrode (2).

4. Zündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündkerze (1) rotationssymmetrisch ausgebildet ist und eine Markierung zur Kennzeichnung der Umfangslage trägt, welche mindestens von einem den Elektroden (2, 3) gegenüberliegenden Ende der Zündkerze (1) erfaßbar ist.

5. Otto-Brennkraftmaschine mit einer Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß pro Zylinder (13) eine mit einem Zylinderkopf (8) verbunde­ ne Zündkerze (1) vorgesehen ist, deren Elektroden (2, 3) in ei­ nen von dem Zylinderkopf (8) und dem Kolben (14) begrenzten Brennraum (12) im Zylinder (13) einragen und somit eine in das darin von einem Kolben (14) komprimierbare Kraftstoff/Luft- Gemisch ragende Position einnehmen.

6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die Mittelelektrode (3) bei einer Kraftstoffein­ spritzung in den Brennraum (12) durch einen Außenmantel (11) ins innere eines Schichtkegels (20) einragt, welcher im Schichtladungsbetrieb der Brennkraftmaschine (7) im Gemisch mit Verbrennungsluft aus dem in einem Kegelstrahl (10) eines im Zy­ linderkopf (8) angeordneten Injektors (9) eingespritzten Kraft­ stoff erzeugbar ist.

7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachse der Mittelelektrode (3) in ihrer Verlänge­ rung zur Mitte des Brennraumes (12) eine Symmetrieachse (18) des Schichtkegels (20) schneidet.

8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Mittelelektrode (3) näher am Injektor (9) liegt als die Masseelektrode (2).

9. Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Masseelektrode (2) in Umfangsrichtung des Außenmantels (11) des Schichtkegels (20) von der Mittelelektrode (3) beab­ standet liegt.