DE19932220A1

DE19932220A1 - Zündkerze mit niedriger Zündtemperatur

Info

Publication number: DE19932220A1
Application number: DE19932220A
Authority: DE
Inventors: George Codina; Steven Yap; Lonnie D Atteberry; Donald R Krull
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1998-07-09
Filing date: 1999-07-09
Publication date: 2000-01-13
Also published as: GB2339241A; GB9914065D0; GB2339241B; US6194819B1

Abstract

Eine Zündkerze mit niedriger Betriebstemperatur besitzt eine Elektrode mit einer Spitze, die die Wärme gleich verteilt, die auf den Zündendteil der Zündkerze aufgebracht wird. Das elektrisch isolierende Material, welches die Elektrode umgibt, ist um eine vorbestimmte Distanz vom Zündendteil der Zündkerze entfernt, um zu gestatten, daß die Wärme schneller weg vom Zündendteil läuft. Eine ringförmige Nut in der ersten Endoberfläche des elektrisch isolierenden Materials minimiert die elektrische Oberflächenentladung zwischen der Elektrode und der ringförmigen Metallhülle der Zündkerze. Radien an den Stellen der Querschnittsveränderung in der Bohrung der ringförmigen Metallhülle und dem elektrisch isolierenden Material dienen dazu, den Spannungsabbruch zu minimieren.

Description

Technisches Gebiet

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Zündkerze und insbesondere auf eine Zündkerze, die bei niedrigeren Temperaturen arbeitet als herkömmliche Zündkerzen.

Technischer Hintergrund

Zündkerzen, die bei hohen Temperaturen arbeiten, werden allgemein als "heiße Zündkerzen" bezeichnet. Heiße Zünd kerzen haben die Tendenz, die Brennstoffmischung in der Verbrennungszone vorzuzünden. Die Vorzündung der Brenn stoffmischung in der Verbrennungszone, die auch als Mo torklopfen bekannt ist, verringert die Motorleistung und verursacht in manchen Fällen einen Schaden am Motor.

Ein weiterer Nachteil von heißen Zündkerzen ist, daß Ab lagerungen von Brennstoff und Schmiermittelzusätzen, die nicht weggebrannt sind, durch die heiße Zündkerze ge schmolzenwerden, um eine Glasur zu bilden, die den Na senteil des Zündkerzenisolators beschichten. Wenn die Glasur auf dem Nasenteil des Zündkerzenisolators heiß wird, wird die Zündkerze kurzgeschlossen und eine Motor fehlzündung tritt auf. Eine Motorfehlzündung wird durch Brennstoff- und Leistungsverlust begleitet.

Der Hauptgrund, warum Zündkerzen bei hohen Temperaturen arbeiten, ist, daß der Keramikisolator, der die Mittel elektrode umgibt, aufgrund der Verbrennungsgastemperatu ren heiß wird. Weiterhin sind Keramikmaterialien norma lerweise schlechte Wärmeleiter.

Verschiedene Vorrichtungen zur Abfuhr der Wärme vom Zünd ende der Zündkerze sind verwendet worden. Eine solche Wärmeabfuhrvorrichtung ist ein Wärmerohr mit einem ver dampfbaren Medium. Wärme am Zündende der Zündkerze wird durch das verdampfbare Medium absorbiert, was bewirkt, daß dieses Medium in Dampf übergeht. Die Zustandsverände rung des verdampfbaren Mediums zieht Wärme aus dem Zünd ende der Zündkerze. Das verdampfte Medium bewegt sich zu einem kühleren Teil des Wärmerrohrs, wo es kondensiert und Wärme durch eine weitere Zustandsveränderung losläßt. Die Anwendung eines Wärmerohrs ist mit zusätzlichen Ko sten verbunden und ist ein weniger als wünschenswertes Wärmeabfuhrverfahren zur Anwendung am Markt.

Eine weitere Vorrichtung zur Abfuhr von Wärme vom Zünden de einer Zündkerze ist eine thermisch leitende Füllzusam mensetzung, die zwischen die Mittelelektrode und dem Zündkerzenisolator eingeführt wird. Manche der in Verwen dung befindlichen thermisch leitenden Füllzusammensetzun gen weisen Silber, Cermet, Talkum und Silizium auf. Füll materialien dienen als eine Dichtung zwischen der Elek trode und dem Isolator, bieten jedoch nur eine moderate Verbesserung der thermischen Leitfähigkeit.

Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der oben dargelegten Probleme zu überwinden.

Offenbarung der Erfindung

In der vorliegenden Erfindung besitzt eine Zündkerze ei nen Anschlußendteil und einen Zündendteil, die entlang einer Längsachse angeordnet sind. Eine ringförmige Me tallhülle ist um die und entlang der Längsachse angeord net und besitzt Außengewinde, die entlang des Zündend teils gelegen sind. Eine Zündendoberfläche ist benachbart zum Außengewinde gelegen. Eine Bohrung ist innerhalb der ringförmigen Metallhülle und um die Längsachse definiert. Ein elektrisches Isolationsmaterial ist in der Bohrung der ringförmigen Metallhülle aufgenommen und ist entlang der Längsachse angeordnet. Das elektrische Isoliermateri al besitzt eine erste Endoberfläche, die zum Zündendteil weist, und eine zweite Endfläche, die zum Anschlußendteil der Zündkerze weist. Die erste Endoberfläche besitzt zu mindest eine ringförmige Nut, die darin und um die Längs achse definierte ist. Eine Innenbohrung ist innerhalb des elektrisch isolierendem Material und um die Längsachse definiert. Eine Elektrode ist in der Innenbohrung des elektrisch isolierenden Materials aufgenommen. Die Elek trode erstreckt sich entlang der Längsachse und ist an einem ersten Ende mit dem Anschlußendteil verbunden. Die Elektrode besitzt ein zweites Ende, welches am Zündend teil endet.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine diagrammartige Querschnittsansicht der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 ist eine vergrößerte diagrammartige Quer schnittsansicht eines Teils der Fig. 1; und

Fig. 3 ist eine diagrammartige Draufsicht der Erfin dung, wie sie in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist.

Bester Weg zur Ausführung der Erfindung

Mit Bezug auf Fig. 1 besitzt eine Zündkerze 10 einen An schlußendteil 12 und einen Zündendteil 14, die entlang einer Längsachse 16 angeordnet sind. Eine ringförmige Me tallhülle 18 ist um die und entlang der Längsachse 16 an geordnet. Die ringförmige Metallhülle 18 besitzt ein Au ßengewinde 20, welches entlang des Zündendteils 14 gele gen ist. Eine Zündendfläche 22 ist benachbart zu dem Au ßengewinde 20 gelegen, und eine Bohrung 24 ist innerhalb der ringförmigen Metallhülle 18 um die Längsachse 16 de finiert.

Ein elektrisch isolierendes Material 26 ist in der Boh rung 24 der ringförmigen Metallhülle 18 aufgenommen. Das elektrisch isolierende Material 26 ist entlang der Längs achse 16 angeordnet, und zwar zwischen dem Anschlußend teil 12 und dem Zündendteil 14. Das elektrisch isolieren de Material 26 besitzt eine erste Endoberfläche 28, die zum Zündendteil 14 weist, und eine zweite Endfläche 30, die zum Anschlußendteil 12 der Zündkerze 10 weist.

Mit Bezug auf Fig. 2 besitzt die erste Endfläche 28 des elektrisch isolierenden Materials 26 zumindest eine ring förmige Nut 32, die darin und um die Längsachse 16 herum definiert ist. Die ringförmige Nut 32 besitzt eine vorbe stimmte Tiefe "d", die in der ersten Endfläche 28 defi niert ist. Insbesondere hat die vorbestimmte Tiefe "d" der ringförmigen Nut 32, eine Nenntiefe von ungefähr ei nem Millimeter.

Die ringförmige Nut 32 dient dazu, das Auftreten von elektrischer Oberflächenentladung zu minimieren. Die elektrische Oberflächenentladung tritt auf, wenn Strom entlang der Oberfläche "migriert" bzw. "wandert", die zwischen der Spannungsquelle und Erde liegt. Die in der ersten Endfläche 28 des elektrisch isolierenden Materials 26 definierte ringförmige Nut 32 dient dazu, den Pfad zu vergrößern, über den der Strom laufen muß, und minimiert schließlich das Auftreten einer elektrischen Oberflä chenentladung.

Wie am besten in Fig. 1 gezeigt, ist eine Innenbohrung 34 innerhalb des elektrisch isolierenden Materials 26 de finiert. Die Innenbohrung 34 ist um die Längsachse 16 herum definiert.

Eine Elektrode 36 ist in der Innenbohrung 34 des elek trisch isolierenden Materials 26 aufgenommen. Die Elek trode 36 erstreckt sich entlang der Längsachse 16 und ist an einem ersten Ende 38 mit dem Anschlußendteil 12 ver bunden. Die Elektrode 36 besitzt ein zweites Ende 40, welches am Zündendteil 14 endet.

Das zweite Ende 40 der Elektrode 36 besitzt eine im all gemeinen abgerundete Spitze, beispielsweise eine kugel förmige Spitze 42 benachbart zum Zündende 14 der Zündker ze 10. Die abgerundete Form der Spitze 42 erleichtert die gleichmäßige Wärmeverteilung, was ein Grund dafür ist, daß die Zündkerze 10 dieser Erfindung bei einer niedrigen Temperatur arbeitet. Es sei bemerkt, daß die Spitze 42 eine andere Geometrie als eine Abgerundete haben kann, solange scharfe Kanten eliminiert werden. Scharfe Kanten wirken als Wärmesenke und tragen schließlich zu einer Zündkerze bei, die bei einer heißeren Temperatur arbei tet. Ein Beispiel von anderen Geometrien, die für die Spitze 42 geeignet sind, sind beispielsweise elyptische, ovale, bogenförmige oder andere im allgemeinen sanft ge formte Geometrien, sind jedoch nicht auf diese einge schränkt.

Die erste Endfläche 28 des elektrisch isolierenden Mate rials 26 ist um eine vorbestimmte Distanz "x" von der Zündendfläche 22 der Zündkerze 10 beabstandet. Insbeson dere ist die vorbestimmte Distanz "x" im Bereich von un gefähr 15 Millimeter bis ungefähr 40 Millimeter und vor zugsweise ungefähr 32 Millimeter. Es ist wünschenswert, die Beabstandung des elektrisch isolierenden Materials 26 um die vorbestimmte Distanz "x" von der Zündendfläche 22 vorzusehen, und zwar zum Zwecke dessen, daß die Zündkerze 10 dieser Erfindung bei niedrigeren Temperaturen arbeiten kann. Diese Konstruktion gestattet es, daß Wärme weg vom Zündende 14 läuft, statt durch das elektrisch isolierende Material 26 dort gehalten zu werden.

Wenn die vorbestimmte Distanz "x" geringem ist als die untere Grenze von ungefähr 15 Millimeter des oben erwähn ten Bereiches, erstreckt sich das elektrisch isolierende Material 26, welches die Elektrode 36 umgibt, näher zum Zündendteil 14. Wenn das elektrisch isolierende Material 26, welches die Elektrode 36 umgibt, sich näher zum Zünd endteil 14 erstreckt, wird die Wärme leichter in diesen Teil der Elektrode 36 aufgenommen, was schließlich be wirkt, daß die Zündkerze 10 bei höheren Temperaturen ar beitet.

Wenn die vorbestimmte Distanz "x" größer als die obere Grenze von ungefähr 40 Millimeter des oben erwähnten Be reiches ist, umgibt das elektrisch isolierende Material 26 einen noch kleineren Teil der Elektrode 36, bietet je doch keinen nennenswerten Vorteil bei der Abfuhr von Wär me vom Zündendteil 14 der Zündkerze 10.

Bei Stellen der Veränderung des Querschnittes in der Boh rung 24 der ringförmigen Metallhülle 18 und des aufgenom menen elektrisch isolierenden Materials 26 sind Radien "r" vorgesehen. Insbesondere besitzen die Radien "r" ei nen Nennradius von ungefähr 0.5 mm. Die Radien "r" an den Stellen der Querschnittsveränderung dienen dazu, den Spannungsabbruch in diesen Gebieten zu minimieren. Ein Spannungsabbruch tritt auf, wenn Strom plötzlich in zer störerischen Ausmaßen durch ein Dielektrikum läuft, wie beispielsweise durch das elektrisch isolierende Material 26. Die Radien "r" eliminieren scharfe Kanten und mini mieren entsprechend den Spanungsabbruch.

Mit Bezug auf Fig. 3 ist ein Zündspalt "G" am Zündendteil 14 definiert, und zwar zwischen der Zündendfläche 22 und der Spitze 42 der Elektrode 36. Der Zündspalt "G" besitzt eine vorbestimmte Abmessung im Bereich von ungefähr 0,5 Millimeter bis ungefähr 5 Millimeter und vorzugsweise von ungefähr 1 Millimeter bis ungefähr 1,5 Millimetern.

Wenn der Zündspalt "G" geringer ist als die untere Grenze von ungefähr 0,5 Millimeter des oben erwähnten Bereiches, besteht ein geringeres elektrisches Energiepotential ent lang des Zündspaltes "G". Ein niedrigeres elektrisches Energiepotential am Zündspalt "G" hat einen weniger lei stungsfähigen Funken über dem Zündspalt "G" zur Folge. Ein weniger leistungsfähiger Funke am Zündspalt "G" ist nicht wünschenswert, da eine optimale Verbrennung nicht erreicht wird. Wenn zusätzlich der Zündspalt "G" geringer ist als die untere Grenze von ungefähr 0,5 Millimetern wie oben erwähnt, sind die Zündendfläche 22 und die Spit ze 42 der Elektrode physisch sehr nah zusammen, was einen lokalen Wärmeaufbau zur Folge hat, der die Errossion der Spitze 42 und/oder der Zündendfläche 22 beschleunigt.

Wenn der Zündspalt "G" größer ist als die obere Grenze von ungefähr 5 Millimeter des oben erwähnten Bereiches, wird die erforderliche Spannung unpraktisch, die erfor derlich ist, um zu bewirken, daß sich ein Funke übel den Zündspalt "G" bildet. Insbesondere erfordert ein Zünd spalt "G" von mehr als ungefähr 5 Millimetern eine Span nung von ungefähr 50 bis 60 kV, um zu bewirken, daß sich ein Funke über dem Zündspalt "G" bildet, wenn man bei ho hen Lasten, hohen Temperaturen und bei hoher Verdichtung arbeitet. Die Erfordernis einer höheren Spannung von un gefähr 50 bis 60 kV ist mit Bezug auf die Spannungsab bruchcharakteristiken der vorliegenden Komponenten un praktisch. Zusätzlich verhindern zu der hohen Spannung, die erforderlich ist, um zu bewirken, daß sich ein Funke am Zündspalt bildet, der größer ist als die obere Grenze von ungefähr 5 Millimetern, die physikalischen Gesamtab messungen einer typischen Zündkerze einen Funkenspalt von mehr als ungefähr 5 Millimetern. Insbesondere gibt es keinen Raum, um den Zündspalt "G" größer zu machen als ungefähr 5 Millimeter, ohne die Gesamtabmessung der Zünd kerze zu verändern.

Der Zündspalt "G" wie er oben definiert wird, ist für op timierte Leistung und für die praktische Durchführbarkeit erwünscht.

Industrielle Anwendbarkeit

Die Zündkerze 10 dieser Erfindung ist geeignet zur Anwen dung bei einem nicht gezeigten Verbrennungsmotor und ver wendet eine ebenfalls nicht gezeigte Spannungsquelle. Die Zündkerze 10 steht über das Außengewinde 20 verschraubbar in Eingriff mit dem Motor wie wohl bekannt ist.

Zur geeigneten Zeit legt die Spannungsquelle eine Span nung am Anschlußendteil 12 der Zündkerze 10 an. Die am Anschlußendteil 12 angelegte Spannung erscheint am Zünd endteil 14 durch die Elektrode 36 Die angelegte Spannung bildet dann einen Lichtbogen über dem Zündspalt "G" in Form eines Funken, und zwar zwischen der Zündendfläche 22 und der Spitze 42 der Elektrode 36. Dieser Funke und sei ne Stoßwelle leiten den Verbrennungsprozeß im Motor ein.

Wärme aus dem Verbrennungsprozeß wirkt auf den Zündend teil 14 der Zündkerze 10 ein und insbesondere auf die Elektrode 36. Die abgerundete Spitze 42 der Elektrode 36 erleichtert eine gleiche Verteilung der Wärme, die durch den Verbrennungsprozeß aufgebracht wird. Zusätzlich eli miniert die abgerundete Spitze 42 scharfe Kanten, wo eine Wärmezurückhaltung bzw. -ansammlung typischerweise auf tritt und verringert wesentlich das Potential für eine Motorfrühzündung.

Das elektrisch isolierende Material 26, welches um den vorbestimmten Abstand "x" von der Zündendfläche 22 beab standet ist, gestattet, daß die Wärme die auf die Elek trode 36 aufgebracht worden ist, mit einer viel größeren Rate weg vom Zündendteil 14 läuft als bei herkömmlichen Zündkerzenkonstruktionen. Der Weg der Wärme weg vom Zünd endteil 14 bewirkt, daß die Zündkerze 10 bei einer nied rigeren Temperatur arbeitet.

Die ringförmige Nut 32 in der ersten Endfläche 28 des elektrisch isolierenden Materials 26 minimiert das Auf treten einer elektrischen Oberflächenentladung. Die ring förmige Nut 32 steigert den Pfad, über den ein elektri scher Strom laufen muß, wenn der Strom versuchen würde, über die erste Endfläche 28 zwischen der Elektrode 36 und der ringförmigen Metallhülle 18 zu "migrieren" bzw. zu "wandern". Die ringförmige Nut 32 minimiert nicht nur die elektrische Oberflächenentladung sondern gestattet auch, daß das elektrisch isolierende Material 26 um die vorbe stimmte Distanz x. vom Zündendteil 14 beabstandet ist.

Das Endergebnis ist, daß der Zündspalt "G" eine elektri sche Entladung viel eher begünstigt als der Pfad über die erste Endfläche 28 des elektrisch isolierenden Materials 26.

Die Radien "r" an den Stellen der Veränderung des Quer schnittes der Bohrung 24 der Metallhülle 18 und das auf genommene elektrisch isolierende Material 26 minimieren den Spannungsabbruch durch Eliminieren von scharfen Kan ten.

Im Hinblick auf das Vorangegangene ist es leicht offen sichtlich, daß die Struktur der vorliegenden Erfindung eine Zündkerze 10 vorsieht, die bei niedrigeren Tempera turen arbeitet.

Andere Aspekte, Ziele und Vorteile dieser Erfindung kön nen aus einem Studium der Zeichnungen, der Offenbarung und der beigefügten Ansprüche erhalten werden.

Claims

1. Zündkerze, die folgendes aufweist:
einen Anschlußendteil und einen Zündendteil, der entlang einer Längsachse angeordnet ist;
eine ringförmige Metallhülle, die um die und entlang der Längsachse angeordnet ist und Außengewinde be sitzt, die entlang des Zündendteils gelegen sind, weiter eine Zündendfläche, die benachbart zum Außen gewinde gelegen ist und eine Bohrung, die innerhalb der ringförmigen Metallhülle definiert ist und um die Längsachse herum;
ein elektrisch isolierendes Material, welches in der Bohrung der ringförmigen Metallhülle aufgenommen ist und entlang der Längsachse angeordnet ist, und zwar zwischen dem Anschlußendteil und dem Zündendteil, wobei das elektrisch isolierende Material eine erste Endfläche besitzt, die zum Zündendteil hinweist, und eine zweite Endfläche, die zum Anschlußendteil der Zündkerze hinweist, wobei die erste Endfläche zumin dest eine ringförmige Nut besitzt, die darin und um die Längsachse herum definiert ist, und eine Innen bohrung, die innerhalb des elektrisch isolierenden Materials und um die Längsachse herum definiert ist; und
eine Elektrode, die in der Innenbohrung des elek trisch isolierenden Materials aufgenommen ist, wobei sich die Elektrode entlang der Längsachse erstreckt und an einem ersten Ende mit dem Anschlußendteil verbunden ist, und wobei sie ein zweites Ende be sitzt, welches am Zündendteil endet.

2. Zündkerze nach Anspruch 1, wobei das zweite Ende der Elektrode eine im allgemeinen abgerundete Spitze be nachbart zum Zündendteil der Zündkerze besitzt.

3. Zündkerze nach Anspruch 1, wobei die erste Endfläche des elektrisch isolierenden Materials um eine vorbe stimmte Distanz von der Zündendfläche beabstandet ist.

4. Zündkerze nach Anspruch 3, wobei die vorbestimmte Distanz im Bereich von ungefähr 15 Millimeter bis ungefähr 40 Millimeter und vorzugsweise ungefähr 32 Millimeter ist.

5. Zündkerze nach Anspruch 1, wobei die Bohrung der ringförmigen Metallhülle und das aufgenommene elek trisch isolierende Material Radien an den Stellen der Veränderung des Querschnittes besitzen.

6. Zündkerze nach Anspruch 5, wobei die Radien an den Stellen der Querschnittsveränderung einen Nennradius von 0,5 Millimetern besitzen.

7. Zündkerze nach Anspruch 1, wobei die ringförmige Nut, die in der ersten Endfläche des elektrisch iso lierenden Materials definiert ist, welches zum Zünd endteil der Zündkerze hinweist, eine vorbestimmte Tiefe besitzt.

8. Zündkerze nach Anspruch 7, wobei die vorbestimmte Tiefe der ringförmigen Nut eine Nenntiefe von unge fähr 1 Millimeter besitzt.

9. Zündkerze nach Anspruch 1, wobei ein Zündspalt am Zündendteil definiert ist, und zwar zwischen der Zündendfläche und der Spitze der Elektrode.

10. Zündkerze nach Anspruch 9, wobei der Zündspalt eine vorbestimmte Abmessung besitzt.

11. Zündkerze nach Anspruch 10, wobei die vorbestimmte Abmessung des Zündspaltes im Bereich von ungefähr 0,5 Millimeter bis ungefähr 5 Millimeter und vor zugsweise im Bereich von ungefähr 1 Millimeter bis ungefähr 1,5 Millimeter liegt.