DE19849317A1

DE19849317A1 - Zündkerze für Verbrennungskraftmaschinen

Info

Publication number: DE19849317A1
Application number: DE19849317A
Authority: DE
Inventors: Jun Sato
Original assignee: SATO HIROMI TORRANCE CALIF US
Current assignee: SATO HIROMI TORRANCE CALIF US
Priority date: 1997-10-24
Filing date: 1998-10-26
Publication date: 1999-04-29
Also published as: JPH11224763A; US6013973A

Description

Die Erfindung betrifft Zündkerzen für Kraftstoffzündsysteme, insbesondere Verbrennungs kraftmaschinen.

Zündkerzen dienen zur Zündung eines Kraftstoff/Luftgemisches in einem Verbrennungs motor. Üblicherweise leitet eine Zündkerze einen hochgespannten Strom von einer Anschlußklemme zu einer Elektrode, die in einer Verbrennungskammer angeordnet ist. Während des Verdichtungshubs des Kolbens wird zwischen dieser Elektrode und einer geerdeten Elektrode ein Funken erzeugt, der das Kraftstoff/Luftgemisch entzündet.

Herkömmliche Zündkerzen, die in Kraftstoffzündsystemen Verwendung finden, haben jedoch einige Nachteile. So findet beispielsweise während des Verdichtungshubs, wenn also der Kolben das Kraftstoff/Luftgemisch verdichtet, eine ungleichförmige Verteilung des Kraftstoffs und der Luft statt. Diese ungleichförmige Verteilung von Kraftstoff und Luft bringt für die Verbrennungsmaschinen Probleme mit sich, zu denen beispielsweise der verminderte Wirkungsgrad und der vergrößerte Ausstoß an unverbranntem Kraftstoff gehören.

Im allgemeinen ist dann, wenn das Kraftstoff/Luftgemisch komprimiert wird, das Gemisch aus Kraftstoff und Luft in der Nähe der Zündkerzenelektrode fetter oder höher angereichert als die umgebenden Gase. Wenn die Elektrode der Zündkerze sich entlädt, beginnt sich der Bereich, der das fettere Kraftstoff/Luftgemisch enthält, zuerst zu entzünden. Die Flamme wandert daraufhin entlang der inneren Oberfläche der Verbrennungskammer nach außen, wo das Gemisch weniger fett, also ärmer ist. Schließlich breitet sich die Flamme zum Hauptbereich der Verbrennungskammer aus, wo das Kraftstoff/Luftgemisch am ärmsten ist.

Unglücklicherweise braucht das Kraftstoff-Luftgemisch in der Hauptverbrennungskammer länger als gewünscht, bis die Verbrennung beendet ist. Demzufolge ergibt sich oft ein Ausstoß unverbrannten Brennstoffs und Luft. Dieses Problem ist besonders dann akut, wenn der Motor mit hohen Drehzahlen betrieben wird, weil es dann zunehmend schwieriger wird, die Verbrennung zu beenden, bevor der nächste Zyklus beginnt. Der unverbrannte Kraftstoff senkt somit den Verbrennungswirkungsgrad des gesamten Systems. Der Ausstoß unverbrannten Kraftstoffes verursacht ebenfalls zahlreiche Probleme. So führt beispielsweise bekanntlich die Abgabe von Kraftstoff in die Atmosphäre zu schädlichen Wirkungen auf die Umwelt. Infolgedessen wird dieses unverbrannte Gemisch vor der Abgabe in die Atmosphäre oftmals durch eine separate und aufwendige katalytische Umwandlungs vorrichtung geleitet.

Versuche wurden gemacht, um durch Einkapselung der Elektroden die Zündung zu verbessern. Diese Konstruktionen haben jedoch ebenfalls zahlreiche Nachteile, wie beispielsweise hohe Wärmeverluste bei der Zündperiode, außerdem ergeben sich Probleme bei der Langzeitbenutzung, so beispielsweise brennendes Öl und Kohlenstoffablagerung auf der Elektrode. Darüber hinaus hatten diese Vorrichtungen die Kompressionsverhältnisse verändert und die Selbstreinigung der Zündkerzenelektroden verhindert.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugründe, eine Zündkerze zur Verwendung in Kraftstoffzündsystemen zu entwickeln, die diese Nachteile vermeidet. Zu diesem Zweck wird die Zündkerze mit einer Verbrennungsunterkammer ausgestattet. Die Verbrennungs unterkammer weist eine ringförmige Wandung auf, die den Elektrodenspalt der Zündkerze mit einer Vielzahl von Ausstoßlöchern umgibt.

Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung sind die vielen Ausstoßlöcher seitlich neben dem Elektrodenspalt der Zündkerze ausgerichtet. Die Anordnung führt zu einer gleichförmigen, gerichteten Verbrennung von der Zündkerze ausgehend.

Gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung ist die erste Ausführungsform so weiterentwickelt, daß sie eine Kappe aufweist, die zu der ringförmigen Wandung gehört und ein axiales Durchgangsloch aufweist, um dadurch die Verbrennungsunterkammer weiter zu begrenzen. Der Spalt der Zündkerze erstreckt sich in axialer Richtung der Kerze, und die geerdete Elektrode weist eine breite Form auf. Dadurch wird die seitliche Verteilung des Verbrennungsgemisches von der Elektrode durch die sich seitlich erstreckenden, benachbarten Ausstoßlöcher verbessert.

Erfindungsgemäß soll also eine verbesserte Zündkerze angeboten werden, die mit einer Verbrennungsunterkammer zusammenwirkt. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Viertelschnittansicht einer herkömmlichen Zündkerze,

Fig. 2 eine vergrößerte Querschnittsansicht einer Zündkerze mit einer Verbrennungs unterkammer,

Fig. 3 eine Querschnittsansicht eines Motors, in den die in Fig. 2 gezeigte Zündkerze eingebaut ist,

Fig. 4a) eine schematische Ansicht eines Zylinders mit zugehörigem Kolben während des Ansaughubs,

Fig. 4b) eine schematische Ansicht eines Zylinders und zugehörigen Kolbens während des Verdichtungshubs,

Fig. 4c) eine schematische Ansicht eines Zylinders und zugehörigen Kolbens während des Verdichtungshubs

Fig. 5a) eine schematische Ansicht eines Zylinders und zugehörigen Kolbens während des Ausstoßhubs,

Fig. 5b) eine schematische Ansicht eines Zylinders und zugehörigen Kolbens während des Ausstoßhubs,
5c) eine schematische Ansicht eines Zylinders und zugehörigen Kolbens während des Ausstoßhubs,

Fig. 6 eine schematische Ansicht eines Zylinders, die die Totpunktverdichtung des Kraftstoff/Luftgemischs zeigt,

Fig. 7a) eine schematische Ansicht eine Zylinders und zugehörigen Kolbens während der Totpunktverdichtung,

Fig. 7b) eine schematische Ansicht eines Zylinders und zugehörigen Kolbens während der Totpunktverdichtung und

Fig. 7c) eine schematische Ansicht eines Zylinders und zugehörigen Kolbens während der Totpunktverdichtung.

Fig. 1 zeigt eine herkömmliche Konstruktion für eine Zündkerze 10, die für Verbrennungs kraftmaschinen benutzt wird. Die Zündkerze 10 weist ein Gehäuse 16, eine zentrale Elektrode 14 und eine Erdungselektrode 20 auf, die an dem Gehäuse 16 befestigt ist. Ein Isolationskörper 19 trennt die Erdungselektrode 20 elektrisch von der zentralen Elektrode 14.

In den Fig. 2 und 3 ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die Zündkerze 10 weist ein leitendes Anschlußende 12 aufs das mit einer nicht dargestellten Hochspannungszündspule verbunden ist. Das leitende Anschlußende 12 ist elektrisch an eine zentrale Elektrode 14 angeschlossen, die sich axial innerhalb eines Gehäuses 16 der Zündkerze 10 befindet. Die zentrale Elektrode 14 erstreckt sich über einen Gewindeabschnitt 18 des Gehäuses 16 hinaus. Ein Isolationskörper 19 trennt die zentrale Elektrode 14 elektrisch von dem Gehäuse 16 und der Erdungselektrode 20.

Wie ferner aus Fig. 2 ersichtlich, ist die Erdungselektrode 20 an dem Gehäuse 16 fest angebracht und gegen das Anschlußende der zentralen Elektrode 14 gebogen. Auf diese Weise ergibt sich zwischen der zentralen Elektrode 14 und der Erdungselektrode 20 ein Elektrodenspalt 24. Die Erdungselektrode 20 läßt sich, obgleich sie mit dem Gehäuse 16 fest verbunden ist, vorzugsweise einstellen um dadurch die Breite des Elektrodenspaltes 24 zu ändern. Eine Verbrennungsunterkammer 30 ist unterhalb des Gehäuses 16 angeordnet. Diese Verbrennungsunterkammer 30 befindet sich vorzugsweise unterhalb des Gewinde abschnitts 18 des Gehäuses 16.

Die Verbrennungsunterkammer 30 weist Wände 32 auf, die an das Gehäuse 16 angrenzt.

Der ringförmige Abschnitt 36 weist vorzugsweise eine ringförmige Wand 37 auf, die den Elektrodenspalt 24 umgibt. Dazu kommt, daß in der ringförmigen Wand 37 der Verbrennungsunterkammer 30 mehrere Ausstoßlöcher 40 angeordnet sind, die sich vorzugsweise seitlich neben dem Elektrodenspalt 24 befinden. Die Anzahl der Ausstoßlöcher 40 in der ringförmigen Wand 37 kann von zwei bis vier oder mehr reichen, und zwar in Abhängigkeit von der Größe der Zündkerze. Im allgemeinen haben größere Zündkerzen 10 eine größere Anzahl Ausstoßlöcher 40. Die Ausstoßlöcher sind vorzugsweise in gleichem Abstand voneinander rund um den Umfang angeordnet, so daß sich während der Zündung eine optimale Flammenverteilung ergibt.

Obgleich die Ausstoßlöcher 40 allgemein gesprochen als seitlich neben dem Elektrodenspalt 24 angeordnet zu betrachten sind, befinden sie sich vorzugsweise in einer solchen Lage, daß eine imaginäre Ebene durch den Elektrodenspalt 24 und lotrecht zur Achse der Zündkerze 10 die Ausstoßlöcher 40 schneidet. Diese Ebene muß nicht notwendigerweise durch die Mitte des Elektrodenspaltes 24 verlaufen, sondern kann in ihm irgendwo liegen. Demzufolge befinden sich die Ausstoßlöcher 40 mit dem Elektrodenspalt 24 im wesentlichen in derselben Ebene. Die Erdungselektrode 20 hat vorzugsweise eine große Breite, um dadurch bei der Lenkung der Flamme in horizontaler Richtung durch die Ausstoßlöcher 24 hindurch unterstützend zu wirken, nachdem die Zündung erfolgt ist. Diese Breite der Erdungselektrode 20 an ihrem Anschlußende liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 2,5 mm bis etwa 3,5 mm. Dazu kommt, daß die Erdungselektrode 20 an ihrem einen Anschlußende eine Breite aufweist, die größer ist als der Durchmesser der zentralen Elektrode 14. Die Größe des Anschlußendes der Erdungselektrode 20 und die Lage der Ausstoßlöcher 40 bewirken vorteilhafterweise, daß sich die Flamme nach der Zündung seitlich verteilt erstreckt. Dadurch wird vorteilhafterweise die Verbrennungs geschwindigkeit des Kraftstoff/Luftgemisches in Verbrennungsmotoren vergrößert. Darüber hinaus ermöglicht es die im wesentlichen koplanare Anordnung der Ausstoßlöcher 40 in vorteilhafter Weise, daß ein Zugang für die Reinigung des Elektrodenspaltes 24 von Kohlenstoffablagerungen, Öl und dergleichen besteht.

Die Kappe 38 der Verbrennungsunterkammer 30 verjüngt sich in ein einzelnes Ausstoßloch 42 hinein. Dieses Ausstoßloch ist vorzugsweise das einzige Loch in der Kappe 38. Dazu kommt, daß dieses einzige Ausstoßloch 42 vorzugsweise axial zur Mittellinie der Zündkerze 10 ausgerichtet ist. Der Konuswinkel der Kappe 38 bewirkt vorteilhafterweise innerhalb der Verbrennungsunterkammer 30 einen Hochdruckbereich, so daß das fette Kraftstoff/Luftgemisch in eine Hauptverbrennungskammer 52 gelenkt werden kann. Der Konuswinkel kann zwischen 45° und etwa 60° betragen, und zwar in Abhängigkeit von der Lage und dem Winkel zwischen dem Ansaugventil 56 und Abgasventil 58.

Die Ausstoßlöcher 40 und 42 weisen vorzugsweise einen Innendurchmesser von etwa 3,0 mm bis etwa 4,0 mm auf. Der optimale Durchmesser für die Ausstoßlöcher 40 und 42 beträgt vorzugsweise etwa 3,5 mm.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich, ist die Zündkerze 10 in einem Zylinder 50 angeordnet. Der Zylinder 50 weist eine Hauptverbrennungskammer 52 und einen Kolben 54 auf. Wie ferner aus Fig. 3 hervorgeht, erstreckt sich dann, wenn die Zündkerze 10 fest eingeschraubt worden ist, die Verbrennungsunterkammer in die Hauptverbrennungskammer 52 hinein.

Darüber hinaus sind die Ausstoßlöcher 40 und 42 vorteilafterweise innerhalb der Hauptverbrennungskammer 52 angeordnet.

Die Betriebsweise der Zündkerze 10 innerhalb des Motors wird nun anhand der Fig. 4a, 4h, 4c, 5a, 5b, 5c, und 6 näher erläutert. Während des Ansaughubs, der in Fig. 4a dargestellt ist, öffnet sich das Ansaugventil 56, wobei der Kolben 54 im Zylinder 50 abwärts fährt, so daß ein Kraftstoff/Luftgemisch 60 in den Zylinder 50 einströmen kann. Das Kraftstoff/Luftgemisch 60 tritt in den Zylinder 50 in Form eines Wirbels ein, der sich entlang der Wandung des Zylinders 50 bewegt.

Nachdem der Ansaughub beendet ist, beginnt der Verdichtungshub. Wie aus den Fig. 4b und c ersichtlich, schließt sich das Ansaugventil 56, und der Kolben 54 bewegt sich im Zylinder 50 nach oben. Das Kraftstoff/Luftgemisch 60 steigt auf, verwirbelt entlang der Wandung des Zylinders 50 und sammelt sich in der Hauptverbrennungskammer 52, sobald das Gemisch progressiv verdichtet wird. Wenn sich der Kolben 54 dem oberen Totpunkt des Verdichtungshubs nähert, wie dies beispielsweise in den Fig. 4c und 6 zu sehen ist, bewirkt die weitere Verdichtung des Kraftstoff/Luftgemisches 60, daß es fetter wird. Das Gemisch 60 füllt dann über die Ausstoßlöcher 40 und 42 die Verbrennungsunterkammer 30.

In Fig. 6 ist eine graphische Verteilung des Kraftstoff/Luftgemisches 60 in der Hauptverbrennungskammer 52 zu sehen. Im allgemeinen befinden sich in der Hauptverbrennungskammer 52 drei Kraftstoff/Luftgemischzonen. In der Zone R ist der Kraftstoffgehalt hoch, so daß ein fettes Gemisch entsteht. Entlang der Oberseite der Hauptverbrennungskammer 52 befindet sich die Zone M, wo der Kraftstoffgehalt relativ hoch ist, jedoch noch nicht so hoch wie in der Zone R. Noch etwas weiter befindet sich die Zone L, die die magerste der drei Zonen ist, d. h. sie hat den niedrigsten Kraftstoffgehalt.

Wie aus den Fig. 2 und 3 ersichtlich, wird durch eine nicht dargestellte Zündspule eine Hochspannung erzeugt, die über ein Zündkerzenkabel 62 an die Zündkerze 10 angelegt wird. Die Spannungsdifferenz, die zwischen der Erdungselektrode 20 und der zentralen Elektrode 14 erzeugt wird, bewirkt dann eine elektrische Entladung oder einen Funken, der sich in dem Elektrodenspalt 24 bildet. Dieser Funke zündet das Kraftstoff/Luftgemisch 60 in der Verbrennungsunterkammer 30.

Wie aus Fig. 7a ersichtlich, breitet sich die in der Verbrennungsunterkammer 30 erzeugte Flamme dann anfänglich seitlich außerhalb der Verbrennungsunterkammer 30 durch die Ausstoßlöcher 40 aus. Demzufolge wird die Zone R gezündet. Für diese Anfangsperiode wird aufgrund der großen Abmessungen der Erdungselektrode 20 in vorteilhafterweise Weise verhindert, daß die Flamme aus der Verbrennungsunterkammer 30 durch das Ausstoßloch 42 nach unten austritt. Wenn die Verbrennung weiter fortschreitet, stößt der Verbrennungsdruck innerhalb der Verbrennungsunterkammer 30 das Gemisch 60 in die Hauptverbrennungskammer 52 aus, um dadurch das Ausbreiten der Flamme zu bewirken.

Wie aus den Fig. 6, 7a, 7b und 7c hervorgeht, breitet sich die Flamme anfänglich längs der Oberseite der Hauptverbrennungskammer 52 aus, wo das Gemisch 60 relativ fett ist, d. h. in der Zone R. Nachdem diese Zone gezündet worden ist, beginnen sich die Zonen M und L zu entzünden, wenn die Flamme, wie aus Fig. 7c ersichtlich, durch das Ausstoßloch 42 nach unten Austritt.

Da die Ausstoßlöcher 40 seitlich neben dem Zündpunkt liegen, d. h. im Elektrodenspalt 24, breitet sich die Flamme rasch außerhalb der Verbrennungsunterkammer 30 aus. Als Folge dessen verbrennt das arme Gemisch, das sich in der Zone L befindet und die niedrigste Verbrennungsgeschwindigkeit hat, mit annähernd der doppelten Geschwindigkeit gegenüber den Systemen, die herkömmliche Zündkerzen verwenden.

Anhand der Fig. 5a-5c wird nun der Ausstoßhub beschrieben. Nach der Verbrennung des Kraftstoff/Luftgemisches 60 beginnt sich der Kolben 54 im Zylinder 50 anzuheben, um dadurch die Verbrennungsgase durch die von dem Abgasventil 58 gebildete Öffnung auszustoßen. Die in der Verbrennungsunterkammer 30 befindlichen Gase werden ebenfalls hinausgedrückt. Die Lage der Ausstoßlöcher 40 entlang der ringförmigen Wandung 37 sowie des Ausstoßloches 42 in der Kappe 38 stellt in vorteilhafter Weise sicher, daß die Verbrennungsgase während des Ausstoßhubs vollständig ausgestoßen werden. Demzufolge verringert sich die Menge an Verbrennungsgasen, die in der Hauptverbrennungskammer 52 verbleibt, wodurch sich das Problem von Fehlzündungen bei Naßverbrennung auf ein Mindestmaß reduziert. Dazu kommt der Vorteil, daß die Lage der Ausstoßlöcher 40 die Selbstreinigung und Selbsteinstellung des Elektrodenspaltes 24 ermöglicht.

Somit sind im obigen verbesserte Zündkerzen für Verbrennungskraftmaschinen beschrieben worden, die Verbrennungsunterkammern aufweisen, wobei jedoch noch vielfältige Abänderungen und Verbesserungen für den Fachmann möglich sind, ohne daß dadurch die Grundidee der Erfindung verlassen wird.

Claims

1. Zündkerze für einen Motor, gekennzeichnet durch eine Erdungselektrode (20), eine zentrale Elektrode (40), die von der Erdungselektrode einen Abstand aufweist, so daß ein Elektrodenspalt (24) entsteht, ferner durch eine Verbrennungsunterkammer (30), die die Erdungselektrode (20) und die zentrale Elektrode (40) enthält und eine ringförmige Wandung (37) aufweist, welche den Elektrodenspalt (24) umgibt und mehrere Ausstoßlöcher (40) aufweist, die seitlich neben dem Spalt angeordnet sind.

2. Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erdungselektrode (20) an ihrem Anschlußende eine Breite von etwa 2,5 mm bis etwa 3,5 mm aufweist.

3. Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausstoßlöcher (40) einen Innendurchmesser von etwa 3,0 mm bis etwa 4,0 mm aufweisen.

4. Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsunterkammer (30) eine Kappe (38) aufweist, die sich von der ringförmigen Wandung (37) aus erstreckt und an ihrem einen Ende ein Ausstoßloch (42) besitzt.

5. Zündkerze für eine Motor, gekennzeichnet durch eine Erdungselektrode (20), eine zentrale Elektrode (14), die von der Erdungselektrode (20) mit Abstand getrennt ist, so daß eine Elektrodenspalt (24) entsteht, der sich von der zentralen Elektrode (14) aus axial erstreckt, ferner durch eine Unterverbrennungskammer (30), die die Erdungselektrode (20) und die zentrale Elektrode (14) umschließt und eine ringförmige Wandung (37) aufweist, welche den Elektrodenspalt (24) umgibt und mehrere seitlich neben diesem Spalt befindliche Ausstoßlöcher (40) aufweist sowie eine Kappe (38), die sich von der ringförmigen Wandung (37) aus erstreckt und an ihrem unteren Ende mit einem Ausstoßloch (42) versehen ist, wobei die Erdungselektrode (20) an ihrem äußeren Ende eine Breite besitzt, die größer ist als der Durchmesser der zentralen Elektrode (14), so daß das Verbrennungsgemisch (60) zu Seite durch die Ausstoßlöcher lenkbar ist.

6. Zündkerze nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Erdungselektrode (20) an ihrem äußeren Ende eine Breite von etwa 2,5 mm bis etwa 3,5 mm aufweist.

7. Zündkerze nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausstoßlöcher (40) einen Innendurchmesser von etwa 3,0 mm bis etwa 4,0 mm aufweisen.

8. Zündkerze nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausstoßlöcher (40) eine Ebene schneiden, die lotrecht zu der Achse der zentralen Elektrode (14) liegt und durch den Elektrodenspalt (24) verläuft.

9. Zündkerze für Kraftstoffzündsysteme, gekennzeichnet durch eine Erdungselektrode (20), eine zentrale Elektrode (14), die von der Erdungselektrode (20) mit Abstand getrennt ist, so daß ein Elektrodenspalt (24) entsteht, der sich von der zentralen Elektrode aus axial erstreckt, ferner durch eine Verbrennungsunterkammer (30), die die Erdungselektrode (20) und die zentrale Elektrode (14) umschließt und sich ihrerseits kennzeichnet durch eine ringförmige Wandung (37), die den Elektrodenspalt (24) umgibt und darüber hinaus mehrere Ausstoßlöcher (40) aufweist, von denen wenigstes zwei in der ringförmigen Wand so angeordnet sind, daß sie eine Ebene lotrecht zur Achse der zentralen Elektrode (14) schneiden, die sich durch den Elektrodenspalt (24) erstreckt, wobei die Ausstoßlöcher (40) ferner rund um den Umfang in gleichem Abstand voneinander angeordnet sind und sich von der ringförmigen Wand (37) zu einem Ausstoßloch (42), das in axialer Richtung der zentralen Elektrode (14) entfernt ist, eine Kappe (38) erstreckt.

10. Zündkerze nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Erdungselektrode (20) an ihrem äußeren Ende eine Breite zwischen etwa 2,5 mm bis etwa 3,5 mm aufweist.

11. Zündkerze nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausstoßlöcher (40) einen Innendurchmesser von etwa 3,0 mm bis etwa 5,0 mm aufweisen.

12. Zündkerze nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kappe (38) einen Kegelwinkel im Bereich von etwa 45° bis etwa 60° aufweist.