DE19645385C2 - Anordnung einer Zündkerze zur Ausbildung eines zwischen zwei Elektroden überspringenden Zündfunkens im Zylinder einer direkteinspritzenden Otto-Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Anordnung einer Zündkerze zur Aus­ bildung eines zwischen zwei Elektroden überspringenden Zünd­ funkens im Zylinder einer direkteinspritzenden Otto-Brennkraftmaschine.

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 be­ kannten Zündkerzen ist die Masseelektrode in einem bogen­ förmigen Endabschnitt mit einem geringen Abstand von etwa 0,4 mm 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 Gemische zuverlässig zünden. Liegt ein inhomo­ genes Gasgemisch mit lokalen Konzentrationsunterschieden vor, so kann keine Zündung erfolgen, wenn der Zündfunke in einem Teilvolumen des Gemisches mit Luftüberschuß und Mangel der Brennstoffkomponente überspringt.

Die Nachteile der kurzen Funkenstrecke zwischen den Elektroden herkömmlicher Zündkerzen zeigen sich im Betrieb direkt­ einspritzender Otto-Brennkraftmaschinen mit Ladungsschichtung, wie sie beispielsweise die DE 43 24 642 A1 offenbart. Die Elektroden der Zündkerze ragen hier in einen Gemischkegel mit nach außen abfallenden Konzentrationsgradienten ein, welcher aus einem kegelförmigen Kraftstoffstrahl eines Injektors ge­ bildet ist. An den Elektroden der Zündkerze im Außenbereich des Gemischkegels liegt ein zündwilliges Gemisch vor, welches je­ doch magerer ist als die Gemischzusammensetzung nahe des In­ jektors, wodurch bei der anschließenden Schichtverbrennung Verbrauchsvorteile und eine geringere Schadstoffemission der Brennkraftmaschine erzielt werden. Fertigungstechnisch bedingte Gestaltabweichungen der Injektordüse oder auch Ablagerungen mit zunehmender Betriebsdauer der Brennkraftmaschine verursachen eine Strähnigkeit des Kraftstoffstrahls, wodurch es insbe­ sondere im Mantelbereich des Gemischkegels zu Konzentrations­ schwankungen kommt. Unterschreitet die Kraftstoffkonzentration des zum Zündzeitpunkt an den Elektroden vorliegenden Gemisches die Grenze der Zündwilligkeit, so kann der zwischen den Elek­ troden überspringende Zündfunke den Verbrennungsvorgang nicht einleiten. Solche Zündaussetzer sind wegen der in der Folge auftretenden Laufunruhe sowie den hohen Schadstoffemissionen der Brennkraftmaschine auf jeden Fall zu vermeiden.

Die DE 33 09 256 C2 offenbart eine Vorrichtung zum Starten eines Dieselmotors mit Zündkerzen, die als Starthilfe mehrere Masseelektroden aufweisen. Die bekannte Zündkerze weist eine möglichst große Anzahl an Masseelektroden auf, welche gleich­ mäßig beabstandet um die axial über die Masseelektroden hinaus­ stehende Elektrode kopiert sind. Mit den möglichst vielen Masseelektroden soll der Isolierkörper um die Mittelelektrode möglichst rasch erwärmt werden, um die Zündwilligkeit des Dieselgemisches zu fördern. Die bekannte Zündkerze ist zur Ge­ mischzündung in Otto-Brennkraftmaschinen aufgrund der un­ kontrollierten Funkenlage ungeeignet.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Anordnung einer Zünd­ kerze so zu treffen, 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 Anordnung einer Zündkerze mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Überragt die Mittelelektrode in axialer Richtung die Masse­ elektrode, so ist eine lange Funkenstrecke entsprechend dem Abstand zwischen den Elektroden ausbildbar. Brennbare Gas­ gemische mit lokal unterschiedlichen Konzentrationen können zuverlässig gezündet werden, da der auf dem genau definierbaren Weg zwischen den Elektroden das Gemisch lange durchlaufende Zündfunken sicher 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 Gemisches infolge der höheren Temperatur ver­ bessert ist. Ein weiter verlängerter und dennoch kontrollierter Funkenweg läßt sich dadurch erreichen, daß sich der Isolier­ körper in axialer Richtung der Mittelelektrode mindestens gleich weit erstreckt wie die Masseelektrode am Gehäuse. Der Zündfunke wird zunächst auf den benachbart liegenden Isolier­ körper, obwohl dieser selbst nicht leitend ist, wegen dessen Masse und der hohen Zündspannung überspringen und wird von dort an die Masseelektrode weitergeleitet. Es bilden sich somit zwei Teilfunkenstrecken, die gemeinsam der Gesamtfunkenstrecke zwischen den Elektroden entsprechen. Vorteilhaft wird der Isolierkörper von dem Gehäuse der Zündkerze mit radialem Ab­ stand 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 eine wärmeisolierende Wirkung und verhindert ein Abkühlen des Isolierkörpers durch Wärmeleitung durch das Gehäuse.

Die Zündkerze wird zur Gemischzündung bei Otto-Brennkraft­ maschinen verwendet, wobei pro Zylinder mindestens eine Zünd­ kerze mit ihren Elektroden in den Brennraum und in das darin befindliche Gemisch einragt. Das Gehäuse der Zündkerze wird da bei elektrisch leitend mit dem Zylinderkopf verbunden, wodurch neben der Lagefixierung die Ableitung des Zündfunkens gewähr­ leistet ist. Arbeitet die Brennkraftmaschine mit innerer Ge­ mischbildung und Ladungsschichtung, so ist das im Brennraum geschichtete, inhomogene Kraftstoff/Luft-Gemisch zuverlässig zündbar. Mindestens die Mittelelektrode durchsticht dabei bei jeder Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum den Außenmantel eines gemischführenden Schichtkegels. Der Schichtkegel wird bei der Einspritzung eines im Zylinderkopf angeordneten Injektors durch dessen Kegelstrahl bestimmt und weist ausgehend vom Kegelzentrum mit höchsten Kraftstoffkonzentrationen 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 Schichtladungsbetriebes liegt, daß es aufgrund von Strähnigkeit des eingespritzten Kegelstrahls im Außenmantel des Gemischkegels örtlich zu einer mageren Gemischzusammensetzung kommt, welche die Zündgrenze unterschreitet. Diese schwer entflammbaren Teilvolumen mit hohen λ-Werten sind jedoch klein und durch den langen Funkenweg der Zündkerze ausgehend von einer in den Gemischkegel ein­ ragenden Mittelelektrode durchschlägt der zwischen den Elek­ troden überspringende Zündfunken bei jedem Zündvorgang ein Teilvolumen des Gemisches mit λ-Werten innerhalb der Zünd­ grenzen. Weist die Mittelelektrode entsprechend der Anordnung der Zündkerze im Zylinderkopf auf die Symmetrieachse des Ge­ mischkegels, so verläuft die Funkenstrecke zwischen den Elek­ troden in einem Gemischbereich mit größtmöglichem Konzen­ trationsgefälle und die Schichtverbrennung kann äußerst zuver­ lässig 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 Gemisch­ zündung,

Fig. 3 einen Schnitt durch den Gemischkegel und die in den Gemischkegel einragende Zündkerze gemäß II-II 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 Mittel­ elektrode 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, 3 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 be­ einflußt 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 Isolierkörpers 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 Masse­ elektrode 3 ist gering, um einen Wärmeentzug bei einem Kontakt mit dem vor der Verbrennung kühlen Gemisch durch die geringe Elektrodenmasse zu verhindern. Insbesondere bei einer Gemisch­ bildung mit flüssigem Brennstoff kann mit dem geringen Durch­ messer d die Abkühlung der Mittelelektrode 3 durch Benetzung und Verdunstung eingeschränkt werden. Für die 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 not­ wendige Verbrennungsluft ist durch einen den Zylinderkopf 8 durchsetzenden Einlaßkanal 15 dem Brennraum 12 zuführbar. Der Kraftstoff ist von dem Injektor 9 in einem Kegelstrahl 10 einspritzbar, wodurch das Kraftstoff/Luft-Gemisch in einem Schichtkegel 20 mit nach außen hin zunehmenden λ-Werten, das heißt zunehmend mageren Gemischverhältnissen, zur Schicht­ verbrennung bereitstellbar ist. Gemischkonzentrationen inner­ halb 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 Gemischanteilen 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 Kraftstoffstrahl wenig Auftrefffläche zur Benetzung zu bieten. Es wird für die Mittelelektrode 3 ein Durchmesser von 0,9 mm vor­ geschlagen.

Claims (7)

1. Anordnung einer Zündkerze (1) zur Ausbildung eines zwischen zwei Elektroden (2, 3) überspringenden Zünd­ funkens im Zylinder (13) einer direkteinspritzenden Otto-Brennkraftmaschine, 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, die in axialer Richtung die Masseelektrode (2) überragt, wobei die Zündkerze (1) in einem Zylinderkopf (8) derart angeordnet ist, daß die Elektroden (2, 3) in einen 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 und dabei mindestens die Mittelelektrode (3) bei einer Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum (12) durch einen Außenmantel (11) ins Innere eines Schichtkegels (20) einragt, welcher im Schichtladungsbetrieb der Brennkraftmaschine (7) im Ge­ misch mit Verbrennungsluft aus dem in einem Kegelstrahl (10) eines im Zylinderkopf (8) angeordneten Injektors (9) eingespritzten Kraftstoff erzeugbar ist.

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

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Isolierkörper (4) der Zündkerze (1) in axialer Richtung der Mittelelektrode (3) mindestens gleich weit erstreckt wie die Masseelektrode (2).

4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündkerze (1) rotations­ symmetrisch 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. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachse der Mittel­ elektrode (3) der Zündkerze (1) in ihrer Verlängerung zur Mitte des Brennraumes (12) eine Symmetrieachse (18) des Schichtkegels (20) schneidet.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelelektrode (3) der Zündkerze (1) näher am Injektor (9) liegt als die Masse­ elektrode (2).

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Masseelektrode (2) in Umfangsrichtung des Außenmantels (11) des Schichtkegels (20) von der Mittelelektrode (3) beabstandet liegt.