DE2607278A1

DE2607278A1 - Zuendkerze fuer verbrennungsmotoren

Info

Publication number: DE2607278A1
Application number: DE19762607278
Authority: DE
Inventors: William G Rado; Allen H Turner
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1975-03-06
Filing date: 1976-02-23
Publication date: 1976-09-16
Also published as: GB1510900A; CA1044096A; US3956664A; JPS51111538A

Description

Patentanmeldung Zündkerze für Verbrennungsmotoren

Die Erfindung bezieht sich auf eine Zündkerze für Verbrennungsmotoren mit einem zylindrischen Kerzengehäuse und einem darin über Dichtungen gasdicht aufgenommenen Kerzenisolator, einer sich durch den Kerzenisolator axial erstreckenden Mittelelektrode und einer sich vom Kerzengehäuse radial nach innen erstreckenden Masseelektrode, zwischen deren einander im Abstand gegenüberliegenden Enden eine oder mehrere Hilfselektroden angeordnet sind und über je ein Element hoher Impedanz mit einem Pol der elektrischen Spannungsquelle für die Mittel- und Masseelektrode verbunden sind und die Mittelelektrode, die zumindest eine Hilfselektrode und die Masseelektrode derart angeordnet sind, daß die zwischen ihnen gebildeten Funkenstrecken aufeinanderfolgend in einer Linie liegen, nach Patent

(Patentanmeldung P 25 54 517. 9).

Die Hauptanmeldung bezieht sich insbesondere auf Zündkerzen für Verbrennungsmotoren, die im Hinblick auf eine günstige Abgasemission mit extrem mageren Luft-Treibstoff-Gemischen betrieben werden.

US-7 52 / 13. Februar 1976

609838/02U

Sitz der Gesellschaft: Köln · Registergericht Köln, HRB 84 · Vorsitzender des Aufsichtsrates: Hans Schaberger ■ Vorstand: Robert A. Lutz, Vorsitzender

Horst Bergemann ■ Franz J. Bohr · Waldemar Ebers · Wilhelm Inden - Alfred Langer Stellvertretend: Hans Wilhelm Gab · Paul A. Guckel · Hans-Joachim Lehmann · Peter Weiher

ORIGINAL INSPECTED

26Π7278

Das sichere Züridtin solcher extrem mageren Luft-Treibstoff-Gemische ist schwierig und erfordert einen Zündfunken von wesentlich größerer Länge, der sich weiter in das brennbare Gemisch hinein erstreckt.

Gemäß der Hauptanmeldung wird ein Zündfunke von wesentlich größerer Länge dadurch erreicht, daß die Mitteleketrode und die Masseelektrode in einem verhältnismäßig großen Abstand zueinander angeordnet sind und zwischen deren einander im Abstand gegenüberliegenden Enden eine oder mehrere Hilfselektroden angeordnet werden, so daß sich eine Vielzahl von in einer Linie liegenden Funkenstrecken ergibt. Die Hilfselektroden sind hierbei über je ein Element hoher Impedanz, wie z. B. einen Kondensator oder einen Widerstand, mit einem Pol der elektrischen Spannungsquelle verbunden, deren Spannungspotential, zumindest während des Zeitabschnittes der Erzeugung des Zündfunkens, verhältnismäßig stabil ist.

Bei diesen Zündkerzen wurde beobachtet, daß an den auf diese "Weise gebildeten mehreren Funkenstrecken Zündfunken in einer zeitlichen Aufeinanderfolge überschlugen und daraufhin solange aufrecht erhalten blieben, bis die angelegte elektrische Energie aufgezehrt war. Mit diesen Zündkerzen wurde somit die vorgegebene Aufgabe der Erzeugung eines Zündfunkens von großer Länge gelöst, in dem die Gesamtlänge der aufeinander folgenden Funkenstrecken ein vielfaches der bei einer gegebenen Spannung erzielbaren Funkenstrecke war. Diese Zündkerzen haben sich auch als geeignet erwiesen, magere Luft-Treib stoff-Gemische zuverlässig zu zünden. Es wurde jedoch hierbei beobachtet, daß an jeder der einzelnen Funkenstrecken ein einzelner Zündfunke aufrecht erhalten wurde.

Aus der technischen Literatur, die sich mit der Analyse der Ausbreitung von Flammenfronten in mageren Luft-Treibstoff-Gemisehen befaßt, ist zu entnehmen, daß zwischen dem Anlegen der Energie zur Erzeugung und Aufrechterhaltung des Zündfunkens und der Ausbildung einer Flammenfront

US-752 / 13. Februar 1976 - ,3 -

609838/0244

26Π7278

die zu einer Verbrennung des mageren Luft-Treibstoff-Gemisches führt, eine bestimmte Zündverzögerung auftritt. Daraus folgt, daß bei Zündkerzen gemäß der Hauptanmeldung die Erzeugung einer Vielzahl von einzelnen Zündfunken von einer Vielzahl von Zündverzögerungen begleitet ist, die eine Auswirkung auf die Verbrennung des mageren Luft-Treibstoff-Gemisches haben.

Die Ausbildung der Vielzahl von Zündfunken zwischen den verhältnismäßig großen Flächen der Mittel- und Masseleketrode bzw der Hilfeelektroden führt zu einem unerwünschten Ableiten der Wärmeenergie der Zündfunken über das Elektrodenmaterial.

Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Zündkerze gemäß der Hauptanmeldung derart zu verbessern, daß unter Beibehaltung deren Vorteile die aufgezeigten Nachteile einer Vielzahl von Zündverzögerungen sowie einer Abfuhr von Wärmeenergie der Zündfunken möglichst vermieden wird.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst, indem eine Zündkerze der eingangs Art die in den Patentansprüchen aufgezeigten Merkmale aufweist.

Bei einer erfindungsgemäßen Zündkerze sind die Zünd- bzw Stirnkanten der Hilfselektroden mit Bezug auf die zwischen der Mittelelektrode und der Masseelektrode gebildeten Hauptfunkenstrecke derart angeordnet, daß die Hilfs- * elektroden die Hauptfunken str ecke nicht durchdringen sondern nur seitlich in der Begrenzung der Hauptfunken str ecke liegen. Dadurch wird ermöglicht, daß die an den zwischen den einzelnen Elektroden gebildeten Funken str ecken zeitlich aufeinanderfolgend überschlagenden Zündfunken darauffolgend in einen einzigen Hauptzündfunken zusammenfallen können. Ein solcher einziger Hauptzündfunke verursacht einerseits eine geringere Zündverzögerung und weist andererseits eine höhere innere Temperatur auf, die für das Zünden eines mageren Luft-Treibstoff-Gemisches von Vorteil ist.

US-7 52 / 13. Februar 197 6 - 4 -

€09838/0244

Die Erfindung wird anhand eines in der beiliegenden Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen vertikalen Schnitt durch eine Zündkerze gemäß der Erfindung.

Fig. 2 zeigt eine Ansicht des unteren Endes einer Zündkerze nach Fig. 1. Fig. 3 zeigt ein Schaltbild einer Zündkerze gemäß Fig. 1.

Fig. 4 zeigt eine Ansicht des unteren Endes einer weiteren Ausführungeform einer Zündkerze gemäß der Erfindung.

In Fig. 1 ist eine Zündkerze mit 10 bezeichnet, wie sie für Otto-Verbrennungsmotoren verwendet wer den kann. Die Zündkerze 10 besteht im wesentlichen aus einem Zündkerzengehäuse 12, das an einem Ende mit einem Gewinde versehen ist, über das die Zündkerze in der Zündkerzenbohrung des Zylinderkopfes eines Verbrennungsmotors aufgenommen wird. Die Zündkerze 10 besteht weiterhin aus einem Kerzenisolator 16 aus keramischem, bieleketrischem Material, der im Kerzengehäuse 12 über Dichtungen 18 und 20 gasdicht aufgenommen wird. Der Kerzenisolator 16 ist hierbei mit einem Abschnitt 22 von größerem Durchmesser versehen, dessen schräg abfallende Schultern 24 und 26 mit den Dichtungen 18 und 20 und einer entsprechenden Schulter bzw einer Bördelung im Kerzengehäuse 12 zusammenwirken.

Eine Masseelektrode 28 erstreckt sich vom Kerzengehäuse 12 radial nach innen. Eine Mittelelektrode 30 erstreckt sich axial durch den Kerzenisolator 16 und endet in einem Anschlußstück 32. Das Anschlußstück 32 ist zur Aufnahme eines Zündkabels vorgesehen, das die Zündkerze 10 mit der elektrischen Spannungsquelle verbindet. Da Zündsysteme für Verbrennungsmotoren allgemein bekannt sind, wird die Illustrierung eines solchen Zündsystems hier für nicht erforderlich erachtet.
US-752/13. Februar 1976 609838/Q2U "⁵"

26 17278

Der Kerzenisolator 16 besteht normalerweise aus keramischem, dielektrischem Material und besitzt im allgemeinen eine zylindrische Form. Die Mittelelektrode 30 erstreckt sich axial durch den Kerzenisolator 16 und bildet an ihrem Ende 31 die eigentliche Zünd- bzw Elektrodenkante. Die Masseelektrode 28 liegt axial im Abstand zum Ende 31 der Mittelelektrode 30. Soweit der Aufbau der Zündkerze 10 bisher beschrieben wurde, entspricht er dem herkömmlichen Aufbau einer Zündkerze für die Verwendung bei Otto - Ver br ennung smotor en.

Der axiale Abstand der Masseelektrode 28 zum Ende 31 der Mittelelektrode 30 bildet die Funkenstrecke, die vom Zündfunken übersprungen wird, sobald ein ausreichend hohes elektrisches Spannungpotential einerseits an der Mittelelektrode 30 über das Anschlußteil 32 und andererseits am Zündkerzengehäuse 12 angelegt wird. Die physikalische Länge der Funkenstrecke ist hierbei eine Funktion des elektrischen Spannungspotentials, das zwischen der Mittelelektrode 30 und der Masseelektrode 28 angelegt wird. Bei einem Zündsystem eines Verbrennungsmotors kann die Anordnung so getroffen werden, daß das Kerzengehäuse 12 entweder mit dem negativen oder mit dem positiven Pol der Spannungsquelle verbunden ist.

Zwischen den einander im Abstand gegenüberliegenden Enden der Mittelelektrode 30 und der Masseelektrode 28 sind gemäß der Erfindung zwei Hilfselektroden 34 und 36 angeordnet, die sich axial aus dem Kerzenisolator 16 erstrecken und mit ihren abgewinkelten Zünd- bzw Stirnkanten 35 und 37 die seitliche Begrenzung der zwischen der Mittelelektrode 30 und der Masseelektrode 28 gebildeten Hauptfunkenstrecke bilden. Die Hilfselektroden 34 und 36 bilden hierbei eine Vielzahl von kleineren Funkenstrecken, die im wesentlichen in einer Linie mit der Hauptfunkenstrecke liegen. Vorzugsweise weisen diese Vielzahl von kleineren Funken strecken eine im wesentlichen gleiche Länge auf, die gleich oder kleiner sein kann als die maximale Funkenstrecke, die ein Zündfunke bei einem gegebenen Spannungspotential

US-752 / 13. Februar 1976 - 6 -

609838/0244

' ' " ORIGINAL INSPECTED

überspringen kann. Gemäß dem wesentlichen Merkmal der vorliegenden Erfindung sind die abgewinkelten Enden der Hilfselektroden 34 und 36 derart angeordnet, daß sie nicht in die zwischen der Mittelelektrode 30 und der Masseelektrode 28 gebildete Hauptfunken strecke einragen sondern mit ihren Zünd- bzw Stirnkanten 35 und 37 nur die seitliche Begrenzung der Hauptfunkenstrecke bilden.

Jede Hilfselektrode 34 und 36 ist hierbei über ein Element hoher Impedanz mit einem Pol der elektrischen Spannungsquelle verbunden, die während der Zeitspanne der Erzeugung des Zündfunkens ein im wesentlichen gleichbleibendes Spannungspotential aufweist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel besteht das Element hoher Impedanz aus jeweils einem Widerstand 38 und 40 über den die Hilfselektroden 34 und 36 mit dem an dem Anschlußteil 32 anliegenden Pol der Spannungsquelle verbunden sind. Die Hilfselektroden 34 und 36 sind hierbei mit ihren Widerständen 38 und 34 im Materi al des Kerzenisolators 16 eingebettet und bilden ein leiterförmiges Widerstandsnetzwerk.

In Fig. 2 ist eine Ansicht des unteren Endes einer Zündkerze 10 gemäß der Erfindung gezeigt. Die Mittelelektrode 30 ist hierbei in gestrichelten Linien gezeigt, da sie von der Masseeleketrode 28, die sich radial vom Kerzengehäuse 12 nach innen erstreckt, Übergriffen wird. Die Hilfselektroden 34 und 36 sind seitlich der Mittel elektrode 30 angeordnet und bilden mit ihren abgewinkelten Zünd- bzw Stirnkanten 35 und 37 die seitliche Begrenzung der zwischen der Mittelelektrode und der Masseelektrode 28 gebildeten Hauptfunkenstrecke. Das Kerzengehäuse 12 ist hierbei in herkömmlicher Weise mit einem Schraubensechskant 42 versehen.

Wie sich aus den Fig. 1 und 2 ergibt, sind die Mittelelektrode 30, die Hilfselektroden 34 und 36 und die Masseelektrode 28 zueinander in Abstand angeordnet, so daß sich von einer Elektrode zur anderen eine Funkenstrecke ergibt.

US-752 / 13. Februar 1976 - 7 -

€03838/0244

2617278

Die auf diese Weise gebildete Vielzahl von kleineren Funken strecken liegen hierbei aufeinander folgend in einer Linie etwa in der Achse des Kerzenisolators 16. Wesentlich ist hierbei, daß diese Linie nicht durch das Einrag en der Hilfselektroden 34 und 36 unterbrochen wird.

In Abhängigkeit von der Verteilung des Luft-T reib stoff-Gemisches im Verbrennungsraum kann die Linie der Hauptfunken strecke der Zündkerze 10 auch von der Achse des Kerzenisolators 16 abweichend angeordnet werden. Es wird darauf hingewiesen, daß die tatsächliche Anordnung der Vielzahl von Funkenstrecken, d.h. die Anordnung der Funken strecken zwischen benachbarten Elektroden bei der vorliegenden Erfindung nicht kritisch ist.

In Fig. 3 ist ein Schaltbild einer Zündkerze 10 gemäß der Erfindung gezeigt. Die verschiedenen Elektroden 28, 30, 34 und 36 der Zündkerze 10 sind hierbei als die Leiter gezeichnet, zwischen denen die einzelnen Funken strecken G 1, G2 und G η angeordnet sind. Die mit G 3 und Gn-I bezeichneten Funkenstrecken stellen die Funkenstrecken dar, die bei zusätzlichen Hilfselektroden vorhatten wären. Die Hilfselektroden 34 und 36 sind hierbei über Widerstände R 1 und Rn-I mit dem Anschlußstück 32 verbunden. Auf jeden Fall muß der Wert der Widerstände R 1, R 2 und R η - 1 so gewählt werden, daß er wesentlich größer ist als der Wert des Widerstandes, der sich durch die Funken strecken Gl, G2, G3, Gn-I und G η ergibt. Dadurch wird verhindert, daß ein nennenswerter Spannungsabfall über die Widerstände auf- * tritt, der die Erzeugung eines Zündfunkens beeinträchtigen würde.

Funktionsweise

An die Mitteleketrode 30 kann über das Anschlußteil 32 und eine herkömmliche Zündanlage eines Kraftfahrzeuges ein hohes Spannungspotential angelegt werden. Jede Hilfselektrode 34 und 36 wird hierbei zu diesem Zeitpunkt über das Widerstandsnetzwerk auf im wesentlichen das gleiche Spannungspotential gebracht, da bis zum Überschlag der ersten Funkenstrecke kein Stromfluß auftritt.

US-752 / 13. Februar 1976 - 8 -

S09838/Q2U

'NSPECTED

Das Vorhandensein eines hohen Spannungspotentials an der Hilfselektrode führt somit zu einem hohen Spannungsdifferential über der Funkenstrecke G n, wodurch ein Zündfunke an der Funkenstrecke G η überschlagen wird. Die Spannung an der Hilfselektrode 36 fällt daraufhin auf einen Wert ab, der verglichen mit dem hohen Spannungspotential am Anschlußteil 32 nahe dem Massepotential liegt. Der Zündfunke über der Funkenstrecke G η wird hierbei durch einen Stromfluß über die ionisierte Funkenstrecke aufrecht erhalten, wobei nur wenig Energie verbraucht wird, da der hohe Widerstand des dann in Serie geschalteten Widerstandes Rn-I dies unterbindet. Der Überschlag über die Funkenstrecke Gn-I wird hierauf als Folge des Spannungspotentials der Hilfselektrode 36 auftreten, das nunmehr nahe dem Massepotential ist, während das Spannungspotential an der benachbarten Hilfselektrode hoch bleibt. Diese Überschläge über die Funken strecken setzen sich somit fort bis die Hilfselektrode 34 nach dem Überschlag der Funkenstrecke G 2 ein Spannungspotential aufweist, das dem Massepotential entspricht, wodurch infolge des an der Mittelelektrode vorhandenen hohen Spannungepotentials ein Überschlag über die Funkenstrecke G 1 erfolgen wird. Nachdem die Widerstände R 1 bis Rn-J aus ihrer elektrischen Serienschaltung mit den Funkenstrecken gelangen, kann der volle Energiefluß nunmehr über die Funken strecken stattfinden.

Bei Zündkerzen gemäß der Hauptantneldung verhielten sich die an jeder einzelnen Funkenstrecke erzeugten einzelnen Zündfunken während des vollen Energieflusses eines Zündimpulses wie eine Vielzahl von einzeln erzeugten und einzeln aufrecht erhaltenen Zündfunken. Jeder dieser einzelnen Zündfunken bringt eine Zündverzögerung mit sich, die in Verbindung mit der Tatsache, daß jede der einzelnen Funken strecken einen Teil der vorhandenen Zündenergie aufzehrt, zu einer messbaren Verzögerung zwischen der Auslösung des Zündimpulses und der Ausbildung einer anhaltenden Flammenfront innerhalb des mageren Luft-Treibstoff-Gemisches führt.

US-752 / 13. Februar 1976 - 9 -

€09838/0244

26Ί7278

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird dieser Nachteil vermieden, indem die Hilfselektroden in Verbindung mit der zwischen der Mittelelektrode und der Ma s s en elektrode gebildeten Hauptfunkenstrecke derart angeordnet sind, daß die aufeinanderfolgend erzeugte Vielzahl von einzelnen Zündfunken in einen einzigen Hauptzündfunken zusammenfallen können, der nicht durch einragende Teile der Hilfselektroden unterbrochen wird. Dieser einzige Hauptzündfunke bringt eine Zündverzögerung mit sich, die im wesentlichen einem einzigen Zündfunken entspricht und die wesentlich geringer ist als die Summe der Zündverzögerungen der Vielzahl von einzelnen Zündfunken gemäß der Hauptanmeldung. Darüber hinaus erreicht dieser einzige Hauptzündfunke eine höhere innere Temperatur, da ihmnicht wie im Falle der Hauptanmeldung durch einragende Elektrodenteile durch Wärmeleitung Wärmeenergie entzogen wird.

Es wird noch daraufhingewiesen, daß die Verbindung der Hilfs elektroden mit einem Pol der Spannungsquelle sowohl wie im gezeigten Ausführungsbeispiel über eine ressistive Verbindung als auch wie in der Hauptanmeldung erwähnt über eine kapazitive Verbindung erfolgen kann. Ebenso kann diese Verbindung nicht nur mit dem Hochspannungspotential sondern auch mit dem Massepotential erfolgen.

In Fig. 4 ist eine Ansicht des unteren Endes eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Zündkerze gemäß der Erfindung gezeigt. In dieser Fig. ist die Masseelektrode 128 als ein Teil des Kerzengehäuses 112 ausgebildet. Die Mittelelektrode 130 ist hierbei exzentrisch zur Achse des Kerzenisolators 116 angeordnet. Die Masseelektrode 128 und die Mittelelektrode 130 bilden hierbei eine Hauptfunkenstrecke, die parallel zur unteren Endfläche 115 des Kerzenisolators 116 liegt. Hilfs elektroden 132, 134 und 136 erstrecken sich axial aus dem Kerzenisolator 116 und weisen abgewinkelte Zünd- bzw Stirnkanten auf, die in der seitlichen Begrenzung der zwischen der Masseelektrode 128 und der Mittelelektrode 130 gebildeten Hauptfunken strecke liegen und eine Unterbrechung derselben vermeiden.·

- 10 US-752 /13. Februar 1976

SÖ9833/02U

ORIGINAL INSPECTED

Nachdem in den Figuren 1 und 2 eine Zündkerze mit zwei Hills elektroden gezeigt wurde und in der Fig. 4 eine Zündkerze mit drei Hilfselektroden gezeigt wurde, wird darauf hingewiesen, daß die Anzahl der Hilfselektroden im wesentlichen nur vom Platz,der zur Anordnung der Hilfselektroden vorhanden ist, beschränkt wird. Die tatsächliche Anzahl der Hilfselektroden wird entsprechend der gewünschten Länge des Hauptzündfunkens gewählt, dessen Länge wieder abhängig ist von der maximalen Länge jedes einzelnen Zündfunkens, was naturgemäß wieder von der jeweiligen Leistung und Auslegung des verwendeten Zündsystems abhängig ist.

US-752 / 13. Februar 1976

609338/0244

Claims

Patentan Sprüche

1. Zündkerze für Verbrennungsmotoren mit einem zylindrischen Kerzengehäuse und einem darin über Dichtungen gasdicht aufgenommenen Kerzenisolator, einer sich durch den Kerzenisolator axial erstreckenden Mittelelektrode und einer sich vom Kerzengehäuse radial nach innen erstreckenden Masseelektrode, zwischen deren einander im Abstand gegenüberliegenden Enden eine oder mehrere Hilfselektroden angeordnet sind und über je ein Element hoher Impedanz mit einem Pol der elektrischen Spannungequelle für die Mittel- und Masseelektrode verbunden sind und die Mittelelektrode, die zumindest eine Hilfselektrode und die Masseleketrode derart angeordnet sind, daß die zwischen ihnen gebildeten Funkenstrecken aufeinanderfolgend in

einer Linie liegen, nach Patent (Patentanmeldung P 25 54 517. 9),

dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Mittelelektrode

(30) und der Masseelektrode (28) eine Hauptfunken strecke gebildet wird und eine im Abstand zwischen der Mittelelektrode (30) und der Masseelektrode (28) liegende Hilfselektrode (34) benachbart der Hauptfunken strecke angeordnet ist und eine Zünd- bzw Stirnkante (35) aufweist, die die seitliche Begrenzung der Hauptfunken strecke bildet.

2. Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Hilfselektroden (34 und 36) zwischen der Mittelelektrode (30) und der Masseelektrode (28) angeordnet sind, von denen je eine an * gegenüberliegenden Seiten der Hauptfunkenstrecke angeordnet sind und Zünd- bzw Stirnkanten (35 und 37) aufweisen, die die seitliche Begrenzung der Hauptfunken strecke bilden.

US-752 / 13. Februar 1976

609838/0244

ORIGINAL INSPECTED

3. Zündkerze nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Hauptfunkenstrecke in Achsrichtung der Zündkerze (10) erstreckt.

4. Zündkerze nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Hauptfunkenstrecke parallel zur unteren Stirnfläche (115) des Kerzenisolators (116) erstreckt.

US-752 /13. Februar 197 6

603838/0244