DE2056235B2 - Spulen-Zündanlage zum Betrieb von Brennkraftmaschinen, mit in ihre Hochspannungsleitungen eingeschalteten Vorfu nkenstrecken - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Spulen-Zündaniage zum Betrieb von Brennkraftmaschinen, mit in ihre Hoch-Spannungsleitungen eingeschalteten Vorfunkenstrekken, die auf einen vorgegebenen, zwischen 8 kV und 30 kV liegenden Zündspannungsmittelwert ansprechen und von denen jede zwischen ihren zerstäubungsarmen Elektroden-Enden einen Abstand von 1 bis 5 mm,

ao vorzugsweise 1,5 bis 3 mm, hat und die sich jeweils in einem geschlossenen Entladungsraum befinden, der mit unter Druck stehendem Gas gefüllt ist, das mit den Elektroden chemisch nicht reagiert. Ferner wird ein Verfahren angegeben zur Herstellung von Elektroden für Vorfunkenstrecken für Zündanlagen zum Betrieb von Brennkraftmaschinen.

Bei Spulen-Zündanlagen für Brennkraftmaschinen ist die Wirkungsweise von Funkenstrecken, welche in die Hochspannungsleitungen unmittelbar vor den Zündkerzen oder auch in die Zündkerzen selbst eingebaut sind, seit langem bekannt.

Bei den in der Regel verwendeten Spulen-Zündanlagen steigt die Spannung an den Zündkerzen nur relativ langsam an, bis die Zündspannung an den Kerzenelektroden erreicht ist. 1st die Kerze verschmutzt, d. h. hat sich der Keramikkörper, der die Elektroden der Kerze elektrisch voneinander isoliert, beispielsweise mit einer Schicht aus Ruß- und Bleirückständen überzogen oder ist er naß oder verölt, so fließt über den dann vorhandenen elektrischen Nebenschluß zu den Zündkerzenelektroden während des Spannungsanstiegs so viel Energie ab, daß die benötigte Zündspannung nicht mehr erreicht wird.
Geeignete Ausbildung des Brennraums im Motor, gute Gemischaufbereitung und richtige Kerzenauswahl können zwar in vielen Motoren die Verschmutzungsgefahr der Kerzen und damit die Gefahr der Zündaussetzer vermindern, bei Zweitakt-, Rotationskolben- und Hochleistungsmotoren ist die Entstehung von Nebenschlußwiderständen jedoch nicht mit Sicherheit auszuschließen.

Durch den Einbau von Vorfunkenstrecken vor die Zündkerzen kann die Nebenschlußempfindlichkeit von Spulen-Zündanlagen erheblich verringert werden, wenn die Zündspannung der Vorfunkenstrecke genügend hoch gehalten und nach dem Durchschlag nahezu voll an die Kerzenelektroden gelegt wird.

Es hat daher nicht an Versuchen gefehlt, für den Einbau in Spulen-Zündanlagen geeignete preisgünstige Vorfunkenstrecken herzustellen, die als getrennte Bauelemente in Kerzensteckern auf die Zündkerzen aufgesteckt oder in die Bohrung der Kerzensteine eingebaut werden können. Bekannt sind insbesondere Zündkerzen mit eingebauten Vorfunkenstrecken, deren Gasraum durch eine Bohrung im Anschlußbolzen oder im Gehäuse mit der Außenluft in Verbindung steht (»belüftete Funkenstrecken«). Die elektrischen Daten derartiger Vorfunkenstrecken sind aber über die

Lebensdauer der Zündkerze hinweg nicht unabhängig von der Zündfolgefrequenz, der Temperatur und der Luftfeuchtigkeit Sie zeigen vielmehr nach Inbetriebnahme durch die Entstehung von Stickoxiden eine zunächst mit der Funkenzahl ansteigende Zündspannung und durch Bildung von Kondenswasser im Entladungsraum einen Abfall der Zündspannung auf wirkungslos kleine Werte (< 5 kV).

Neben den sogenannten »belüfteten Funkenstreklcen« sind auch bereits Vorfunkenstrecken in geschlossenen Entladungsräumen bekannt; ihr Entladungsraum ist dabei evakuiert oder mit einem Gas gefüllt (Argon, Neon, Helium, Sauerstoff, Stickstoff). Sie weisen jedoch alle eine Reihe von funktionellen Nachteilen auf, die einzeln oder in Kombination eine verbreitete Anwendung von Vorfunkenstrecken vereitelten:

J. Der Zündspannungsmittelwert ist nicht hinreichend stabil und/oder zu frequenzabhängig.

2. Die Entladung wird durch Folgefunken energiearm.

3. Ein sicheres Zünden magerer Kraftstoff-Luft-Gemische ist nicht gewährleistet.

4. Die Lebensdauer ist nicht groß genug.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Spulen-Zündanlage für Brennkraftmaschinen zu entwickeln, deren Vorfunkenstrecke die vorgenannten Nachteile nicht aufweist, von geeigneter kleiner Baugröße ist und sich wirtschaftlich in emer Massenfertigung herstellen läßt.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das Gas im Entladungsraum der Vorfunkenstrecke aus Stickstoff mit einer Reinheit von mindestens 98% und/oder Argon mit einer Reinheit von mindestens 99% besteht und weniger als 5 · 10-³% Verunreinigungen wie Wasser, Sauerstoff und Halogene enthält, daß ferner dieses G?s unter einem Druck von 1 bis 10 at, 3s vorzugsweise von 2 bis 5 at, steht und daß schließlich mindestens eine der Elektroden der Vorfunkenstrecke im Bereich des Funkenüberschlags zu mehr als 90 Gewichtsprozent aus einem Nitrid eines der Metalle Al, Ce, Hf, La, Nb, Ta, Ti, V und Zr oder aus einer Mischung von Nitriden dieser Metalle mit einem Oxid- oder Oxinitridgehalt besteht, der einem Sauerstoffgehalt von weniger als 25 Atomprozent der Verbindung entspricht.

Die Überschläge an diesen Vorfunkenstrecken haben einen steilen Spannungsanstieg zur Folge, der bewirkt, daß die Zündenergie nicht über etwaige Nebenschlußwiderstände abfließt, sondern vollständig zum Überschlag an den Zündkerzen führt.

Bei Wahl eines oben beschriebenen Füllgases liefern sie eine folgefunkenfreie Nachentladung \on 0,2 bis 1 ms Dauer, die ohne Einlaufzeit und unabhängig von der Umgebungstemperatur, der Luftfeuchtigkeit und der Funkenfolgefrequenz mindestens während der Lebendauer einer Zündkerze aufrechterhalten bleibt, und zwar bei äußeren Abmessungen, die den Einbau der Vorfunkenstrecken in Zündkerzenstecker oder in eine Bohrung der Zündkerzensteine gestatten.

Als Füllgas für die in der Regel in Glasröhrchen eingeschmolzenen Vorfunkenstrecken hat sich Stickstoff mit einem Reinheitsgrad von mindestens 98% besonders bewährt. Unter Umständen kann es zweckmäßig sein, dem Stickstoff bis zu 10%, vorzugsweise 0,5 bis 2% Wasserstoff zuzusetzen. Dies empfiehlt sich z. B. dann, wenn der Innendurchmesser des Gasraumes der Vorfunkenstrecke kleiner als 5 mm ist. Durch die Wasserstoffbeimengung wird in diesem Fall die Frequenzunabhängigkeit der Nachentladung bis zu Prpniienzen von 150 Hz trotz der kleinen Innendurchmesser der Gasräume aufrechterhalten.

Andererseits wird aber durch Erhöhung des Wasserstoffzusatzes auf mehr als 10% die Spannung der Nachentladung erhöht und dadurch die Dauer der Nachentladung bei gleichzeitiger Erhöhung der Abstäubrate verkürzt, weil in diesem Fall bereits ein wesentlicher Teil des lonenstromes von Wasserstoffionen und nicht mehr von Stickstoffionen getragen wird.

Bei Zündspannung unter 12 000VoIt können die Gasräume der Vorfunkenstrecken anstatt mit Stickstoff auch mit Argon mit einem Reinheitsgrad von 99% oder mit Mischungen aus Argon und Stickstoff und gegebenenfalls einem Zusatz von bis zu 10%, vorzugsweise 0,5 bis 2% Wasserstoff oder Edelgasen gefüllt sein.

Welches der genannten Gase auch immer als Füllgas verwendet wird, seine Verunreinigungen (H2O, O2 und Halogen) müssen in jedem Fall unter 5-10-³ % liegen, da sie zu einem Anstieg der Brennspannung der Nachentladung, zur Entstehung von Folgefunken bei der Nachentladung und zur Bildung eines Belags auf der Wand des die Elektroden der Vorfunkenstrecken umgebenden Röhrchens durch Verstäubung des Elektrodenmaterials führen.

Je nach Anwendungsfall liegt der Druck des Füllgases zwischen 1 und 10 at, vorzugsweise zwischen 2 und 5 at.

Wie bereits erwähnt wurde, betragen die Abstände zwischen den freien Enden der Elektroden der Vorfunkenstrecken 1 bis 5 mm und vorzugsweise 1,5 bis 3 mm, um die Spannung der Nachentladung möglichst niedrig zu halten, d.h. auf Werten von weniger als ¹A der Zündspannung, vorzugsweise weniger als '/io der Zündspannung der Vorfunkenstrecken. Die Elektroden können dabei im wesentlichen stift- oder nagelkopfförmig ausgebildet sein, damit sie auch in enge Gasräume noch leicht eingebaut werden können. Der Stiftdurchmesser beläuft sich auf etwa 2 mm, der Durchmesser des Nagelkopfes auf bis zu 5 mm. Bei Gasräumen mit größerem Innendurchmesser können die Elektroden auch platten- oder topfförmig ausgebildet sein.

Als Werkstoffe für die Elektroden dienen erfindungsgemäß die zerstäubungsarmen Nitride der Metalle Al, Ce, Hf, La, Nb, Ta, Ti, V und Zr oder Mischungen von Nitriden dieser Metalle mit einem Oxid- oder Oxidnitridgehalt, der einem Sauerstoffgehalt von weniger als 25 Atomprozent der Verbindung entspricht. Als besonders brauchbar haben sich Elektroden für die Vorfunkenstrecken erwiesen, die im Bereich des Funkenüberschlags mindestens 90 Gewichtsprozent, vorzugsweise 99 Gewichtsporzent Zirkonnitrid enthalten.

Bei der Herstellung der Elektroden wird z. B. auf einen Elektrodengrundkörper aus Wolfram oder aus einem anderen geeigneten Metall eines der Metalle Al, Ce, Hf, La, Nb, Ta, Ti, V oder Zr oder eine Mischung aus mehreren dieser Metalle aufgebracht und mindestens oberflächlich in einer Stickstoff- oder Ammoniakatmosphäre in ein Nitrid des betreffenden Metall:; verwandelt.

Andere Möglichkeiten bestehen darin, die Nitride auf die Elektrodenkörper durch Plasmaspitzen oder durch Abscheidung aus der Gasphase unmittelbar aufzutragen.

Besonders geeignet sind auch Elektroden, die Nitride zu mindestens 90 Gewichtsprozent in gesinterter Form enthalten, mit der Maßgabe, daß der Durchmesser der Sinterteilchen auf der Elektrodenoberfläche kleiner ist als der Durchmesser der Zündfunken an ihren

Fußpunkten.

Durch die Kombination der in der erfindungsgemäßen Vorfunkenstrecke angewendeten Merkmale ist es möglich geworden, eine Vorfunkenstrecke zu schaffen, die die gestellten Anforderungen bei einer Spulen-Zündanlage vollständig erfüllt.

In der Zeichnung sind Aüsführungsbeispiele des Erfindungsgegenstands dargestellt, und zwar zeigt

F i g. 1 eine Vorfunkenstrecke mit in ein Glasröhrchen eingeschmolzenen Elektroden in vergrößertem Maßstab,

Fig.2 einen Zündkerzenstecker mit eingebauter Vorfunkenstrecke und Entstörwiderstand im Schnitt und

Fig.3 eine Zündkerze mit in eine Bohrung im Zündkerzenstein eingebauter Vorfunkenstrecke ebenfalls im Schnitt.

Die Elektroden einer Vorfunkenstrecke nach F i g. 1 sind in ein Glasröhrchen 10 mit einem Außendurchmesser von 4,5 mm und mit einer Länge von 20 mm eingeschmolzen. Die Elektroden bestehen aus je einem Grundkörper aus Wolframdraht 11, der durch die Glasröhrchenwand nach außen geführt ist. Innerhalb des Glasröhrchens 10 sind auf die freien Enden der Wolframdrähte U im Bereich des Funkenüberschlags Überzüge 12 aus 99 Gewichtsprozent Zirkonnitrid durch Plasmaspritzen aufgebracht, wobei der Sauerstoffgehalt des Nitrids nach dem Aufspritzen weniger als 25 Atomprozent der Verbindung beträgt. Der Abstand zwischen den freien Enden der Zirkonnitrid-Elektroden 12 beträgt 2 mm, die Gasfüllung des Röhrchens besteht aus 98% Stickstoff und 2% Wasserstoff, die unter einem Druck von 4 at stehen.

Der in Fig.2 im Schnitt gezeichnete Zündkerzen-Kabelanschlußstecker besteht im wesentlichen aus einem Isolierkörper 15. der von einem Metallmantel 16 umgeben ist Innerhalb des Isolierkörpers 15 befindet sich ein Kontaktstück 17 mit einer Klemmfeder 18. An das Kontaktstück 17 schließt sich eine Vorfunkenstrekke 19 gemäß Fig. 1 an, die ihrerseits in einer Schutzhülle 20 aus einem dünnen Silikonschlauchabschnitt sitzt Im Anschluß an die Vorfunkenstrecke 19 befindet sich im Isolierstofftei! 15 des Steckers noch ein lOOO-Ohm-Entstörwiderstand 21 und eine Schraubstechspitze 22, gegen welche der Widerstand 21 durch eine Schraubenfeder 23 abgestützt ist, die zugleich auch eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der Schraubstechspitze 22 und dem Widerstand 21 herstellt. Die Teile 17 bis 23 — mit Ausnahme der Klemmfeder 18 — sind vom Kunststoffteil 15 des Steckers umpreßt.
Die in Fig.3 im Schnitt gezeichnete Zündkerze besteht aus einem Kerzengehäuse 25 mit Einschraubgewinde 26, Masseelektrode 27 und mit einer Kupferasbestdichtung 28 und außerdem aus einem Kerzenstein

29 mit einer Bohrung von 5 mm Durchmesser. In den ίο unteren Bereich dieser Bohrung ist eine Mittelelektrode

30 aus Nickel und ein Druckbolzen 31 aus Stahl mit Hilfe eines elektrisch leitenden Glasschmelzflusses 32 eingekittet. An dem Druckbolzen 31 ist eine Vorfunkenstrekke 33 abgestützt, die mit einer Anschlußelektrode 33' in eine Bohrung im Druckbolzen 31 eingreift und mit einer Anschlußelektrode 33" in einer Vertiefung eines unter dem Druck einer Feder 34 stehenden Tellers 35 aufsitzt. Das der Vorfunkenstrecke 33 abgewandte Ende der Feder 34 ist gegen ein in den Kerzenstein 29 eingekittetes Schraubstück 36 mit einem Anschlußbolzen 36' und einer Anschlußmutter 37 abgestützt.

Die Vorfunkenstrecke 33 im Zündkerzenstein 29 ist genauso aufgebaut wie die Vorfunkenstrecken nach Fi g. 1 und 2. Dies gilt sowohl hinsichtlich ihrer äußeren Abmessungen als auch hinsichtlich ihres inneren Aufbaus, d. h. hinsichtlich ihres Elektrodenwerkstoffs und ihres Elektrodenabstands, der in der Funkenstrecke herrschenden Druckverhältnisse und der Zusammensetzung des Gases bzw. Gasgemisches im Innern des Glasröhrchens, in welches die Vorfunkenstrecke eingebaut ist.

Anstatt der Verwendung von in ein Glasröhrchen eingebauten Vorfunkenstrecken, die zum Einbau in eine Bohrung in einem Zündkerzenstein bestimmt sind, kann auch eine Vorfunkenstrecke in einen Kerzenstein eingebaut werden, dessen Bohrung selbst den Gasraum der Vorfunkenstrecke bildet. Die Mitteielektrode der Kerze und ihr Anschlußbolzen können dabei nach bekannten Verfahren mit Hilfe eines Glasschmelzflusses vakuumdicht in den Kerzenstein eingekittet oder eingelötet sein.

Die Herstellung derartiger Zündkerzen ist aber schwierig und teurer als diejenige von normaler Zündkerzen mit einer zur Aufnahme einer in sich geschlossenen Vorfunkenstrecke, die in die Bohrung des Zündkerzensteins einzubauen ist

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Spulen-Zündanlage zum Betrieb von Brennkraftmaschinen, mit in ihre Hochspannungsleitungen eingeschalteten Vorfunkenstrecken, die auf einen vorgegebenen, zwischen 8 und 30 kV liegenden Zündspannungsmittelwert ansprechen und von denen jede zwischen ihren zerstäubungsarmen Eiektroden-Enden einen Abstand von 1 bis 5 mm, vorzugsweise 1,5 bis 3 mm, hat und die sich jeweils in einem geschlossenen Entladungsraum befinden, der mit unter Drack stehendem Gas gefüllt ist, das mit den Elektroden chemisch nicht reagiert, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

a) das Gas im Entladungsraum besteht aus Stickstoff mit einer Reinheit von mindestens 98% und/oder Argon mit einer Reinheit von mindestens 99% und enthält weniger als 5- 10~³% Verunreinigungen wie Wasser, Sauerstoff und Halogenen;

b) das Gas im Entladungsraum steht unter einem Druck von 1 bis 10 at, vorzugsweise von 2 bis 5 at;

c) mindestens eine der Elektroden der Vorfunkenstrecke besteht im Bereich des Funkenüberschlags zu mehr als 90 Gewichtsprozent aus einem Nitrid eines der Metalle Al, Ce, Hf, La, Nb, Ta, Ti, V und Zr oder aus einer Mischung von Nitriden dieser Metalle mit einem Oxidoder Oxinitridgehalt, der einem Sauerstoffgehalt von weniger als 25 Atomprozent der Verbindung entspricht.

2. Zündanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gas im Entladungsraum bis zu 10%, vorzugsweise 0,5 bis 2%, an Wasserstoff und/oder an Edelgas zugesetzt sind.

3. Zündanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Elektroden der Vorfunkenstrecke im Bereich des Funkenüberschlags mindestens 90 Gewichtsprozent, vorzugsweise 99 Gewichtsprozent, Zirkonnitrid enthält.

4. Verfahren zur Herstellung von Elektroden für Vorfunkenstrecken für Zündanlagen zum Betrieb von Brennkraftmaschinen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf einen Elektrodengrundkörper Al, Ce, Hf, La, Nb, Ta, Ti, V, Zr oder Mischungen dieser Metalle aufgebracht oder in ihn eingesetzt und mindestens an ihrer Oberfläche in Nitride der genannten Metalle verwandelt werden.

5. Verfahren zur Herstellung von Elektroden für Vorfunkenstrecken für Zündanlagen zum Betrieb von Brennkraftmaschinen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf einen Elektrodengrundkörper ein Nitrid der Metalle Al, Ce, Hf, La, Nb, Ta, Ti, V, Zr oder Mischungen von Nitriden dieser Metalle durch Plasmaspritzen unmittelbar aufgebracht werden.

6. Verfahren zur Herstellung von Elektroden für Vorfunkenstrecken für Zündanlagen von Brennkraftmaschinen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Nitride auf einen Elektrodengrundkörper, vorzugsweise im Bereich des Funkenüberschlags, durch Abscheidung aus der Gasphase aufgebracht werden.

7. Zündanlage mit Vorfunkenstrecken, deren

Elektroden nach einem der Ansprüche 4 bis 6 hergestellt sind, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Elektroden Nitride zu mindestens 90 Gewichtsprozent in gesinterter Form enthält, mit der Maßgabe, daß der Durchmesser der Sinterteilchen auf der Elektrodenoberfläche kleiner ist als der Durchmesser der Zündfunken an ihren Fußpunkten.