DE2654092A1 - Zuendkerze - Google Patents

Description

DR.-ING. HANS LEYH

D-8 München 80,

Lucile-Grahn-Straße 38

Unser Zeichen: A 13 316

Lh/fi

CHAMPION SPARK PLUG COMPANY 900 Upton Avenue Toledo, Ohio / U.S.A.

Zündkerze

Die Erfindung betrifft eine Zündkerze, insbesondere eine Zündkerze für Brennkraftmaschinen mit einer kapazitiven Entladungs-Zündanlage.

Ilochspannungs-Zündschaltungen für Zündkerzen von Brennkraftmaschinen erzeugen gewöhnlich eine unerwünschte Streu-Strahlung im Funkfrequenzbereich. Es ist erwünscht, diese Streu-Strahlung zu reduzieren oder zu eliminieren, da sie andere Fernir.eldesysteme, Navigationssysteme etc. , die denselben Funkfrequenzbereich verwenden, überlagert und stört. In der Vergangenheit wurden verschiedene Techniken benutzt, um eine solche Funkfrequenzstrahlung bei Hochspannungs-Zündkreisen zu unterdrücken. Hierzu wird ein Entstörelement

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entweder in den Leitungen der Zündschaltung oder in der Mittelelektrode jeder Zündkerze angeordnet. Bei Zündsystemen vom Kettering-Typ, die einen Satz nockengetriebener Unterbrecher enthalten, die periodisch den Stromfluß zur Primärwicklung einer Zündspule unterbrechen, besteht das Entstörelement im allgemeinen aus einem Kohlewiderstand oder einem drahtgewickelten Widerstand. Widerstände bis zu etwa 10 000 Ohm oder mehr haben kaum oder nur geringen schädlichen Einfluß auf die Arbeitsweise der Zündkerze beim Zünden eines Brennstoff-Luft-Gemisches, reduzieren jedoch die Störstrahlung. Wenn jedoch die Zündkerze durch ein kapazitives Entladungs-Zünd-System erregt bzw. gespeist wird, wird der Betrieb dieser Systeme durch Entstörelemente mit hohem Widerstand nachteilig beeinflußt. Bei vielen kapazitiven Zündanlagen kann daher ein hoher Widerstand im Hochspannungs-Ausgangskreis nicht zugelassen werden, weil ein hoher Widerstand die schnelle Anstiegszeit des an die Zündstrecke angelegten Zündimpulses verlangsamt. Obwohl kapazitive Zündanlagen im allgemeinen höhere Ausgangsspannungen liefern, sind einige Systeme etwas schwach hinsichtlich des an der Zündstrecke verfügbaren Stromes. Dies gilt besonders für kapazitive Zündanlagen, wie sie gewöhnlich bei Zweitaktmaschinen z.B. in Außenbordmotoren oder Schneemobilen verwendet werden. Derartige Anlagen haben eine relativ niedrige Ausgangsimpedanz, z.B. 50 000 0hm, um eine schnelle Anstiegszeit zu erreichen. Wenn ein Zündentstörelement mit hohem Widerstand in Reihe in den Hochspannungskreis gelegt wird, so wird der verfügbare Strom an der Zündstrecke weiterhin begrenzt. Es wurde auch schon vorgeschlagen, einen Induktor mit niedrigem Widerstand zu verwenden, um Funkfrequenzstrahlung bei Hochspannungszündkreisen zu unterdrücken, die an ein kapazitives Entladungssystem angeschlossen waren. Bei dieser Anordnung ist die Mittenelektrode einer Zündkerze mit einer niederohmigen Induktanz versehen, die aus einem Draht, der auf einen Ferritkern ge-

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wickelt ist, besteht. Die Spule öder Induktanz liegt in Reihe zwischen einer Elektrodenspitze und einer Anschlußklemme und sie wird durch eine oder zwei Federn gehalten. Durch die Induktanz werden Funkfrequenzschwingungen des Hochspannungskreises einigermaßen unterdrückt.

Ferner ist eine Zündkerze mit einem inneren Schwingkreis bekannt, die eine Mittenelektrode mit wenigstens einem Induktor und wenigstens einer Zündstrecke hat. Der Durchmesser der Mittenelektrode ist relativ groß im Vergleich mit dem durchschnittlichen Außendurchmesser des Isolators und ein Teil des Isolators ist mit einer Silberschicht überzogen, die elektrisch über das Zündkerzengehäuse geerdet ist. Dieser Überzug wirkt mit der großen Mittelelektrode zusammen, um die Kapazität zwischen der Mittelelektrode und Erde stark zu erhöhen, um den Schwingkreis zu vervollständigen. Der Schwinkreis soll in einem Bereich von 2 bis 20 MHz schwingen, um einen steilen Spannungsanstieg zu erzeugen, so daß die Zündkerze zündet trotz eines Nebenwiderstandes, der durch Verschmutzungs-Ablagerungen auf dem Isolator hervorgerufen wird. Der Schwingkreis ist jedoch ein Funkfrequenz-Signalgenerator, der die Funkfrequenzstrahlung des Hochspannungskreises erhöht.

Es sind ferner Hilfs-Funkstrecken in der Mittelelektrode von Zündkerzen vorgeschlagen worden, wobei diese Zündstrecken die Arbeitsweise der Zündkerzen verbessern soll, wenn sie teilweise verschmutzt sind. Da die Betriebsspannung ausreichend hoch sein muß, um sowohl bei der Hauptfunkenstrecke und der Hilfsfunkenstrecke gleichzeitig einen Funken überspringen zu lassen, entsteht ein plötzlicher Stromfluß in der Zündkerze und die Energie wird nicht so leicht verbraucht bzw. zerstreut durch einen Nebenwiderstand an der Hauptfunkstrecke, der durch Verschmutzungs-Ablagerungen am Isolator verursacht wird.

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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Zündkerze für den Betrieb in Brennkraftmaschinen mit kapazitiver Zündanlage zu schaffen, bei der Streustahlungen bzw. Zündungsrauschen im wesentlichen unterdrückt werden. Ferner sollen Störungen aufgrund von Verschmutzungen eliminiert werden.

Die erfindungsgemäße Zündkerze hat einen üblichen Isolator in einer rohrförmigen Metallhülse mit Gewindeende zum Einschrauben in den Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine. Eine geerdete Elektrode wird entweder von der Hülse gebildet bei einer Zündkerze mit Oberflächen-Zündspalt, oder es ist eine solche Elektrode an der Hülse benachbart zum Gewindeende angebracht, um eine Anschlußklemme der Zündkerze zu bilden. In einer durch den Isolator sich erstreckenden Bohrung ist eine Mittelelektrode montiert. Di.e Mittelelektrode hat eine Spitze, um mit der geerdeten Elektrode eine Zündstrecke zu bilden. Oberhalb der Spitze kann eine Hilfszündstrecke von etwa 1,25 bis 6,5 mm vorgesehen werden. Ein induktives Entstörelement mit niedrigem Widerstand ist in der Mittelektrode oberhalb der Zündstrecke angeschlossen, wobei ein Ende mit einem Anschlußstück zum Anschluß an ein Hochspannungszündkabel verbunden ist, das zu der kapazitiven Zündanlage führt. Es wurde festgestellt, daß wenn die Hilfszündstrecke unterhalb dem induktiven Störelement und nahe der Elektrodenspitze angeordnet wird, die Zündkerze nicht nur gegen Verschmutzung widerstandsfähig wird, sondern diese Anordnung trägt auch dazu bei, FunkfrequenzStrahlungen des Hochspannungszündsystemes zu unterdrücken. Wenn andererseits der Zündspalt bzw. die Zündstrecke zwischen dem induktiven Entstörelement und der Anschlußklemme liegt, so ist dies nachteilig hinsichtlich einer Entstörung der Zündkerze gegenüber einer solchen Zündkerze, die nur ein induktives Entstörelement in der Mittelelektrode enthält oder gegenüber einer Zündkerze, deren Zündstrecke zwischen dem induktiven Entstörelement und der Elektrodenspitze liegt.

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Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der einzigen Figur der Zeichnung erläutert, die im Längsschnitt eine erfindungsgemäße Zündkerze zeigt.

Die Zündkerze 10 nach der Figur hat ein metallisches Gehäuse 11, einen Isolator 12 und eine Mittelelektrodenanordnung 13. Die Zündkerze 10 soll in Verbindung mit einer Brennkraftmaschine arbeiten, die ein kapazitives Zündsystem hat und sie ist in der Lage, das Zündungsrauschen oder die Funkfrequenzstrahlung zu reduzieren bzw. im wesentlichen zu unterdrücken und sie widersteht auch einer Verschmutzung. Die Zündkerze 1o ist eine solche mit Oberflächenzündspalt und sie hat eine Zündstrecke oder einen Zündspalt längs einer Oberfläche 30 des Isolators 12. Es wird jedoch betont, daß auch andere Zündkerzenkonstruktionen, z.B. solche mit separater, geerdeter Elektrode oder solche mit einer geerdeten Elektrode aus einem dünnen Draht zur Anwendung der Erfindung ebenfalls geeignet sind.

Das Gehäuse 11 hat im wesentlichen rohrförmige Gestalt mit einem Gewindeabschnitt 14 angrenzend an das Ende 15, um die Kerze in den Kopf einer Brennkraftmaschine einschrauben zu können. Eine Aussparung oder Bohrung 16 verläuft durch das Gehäuse 11 zur Aufnahme des Isolators 12. Die Aussparung hat eine radial einwärts gerichtete ringförmige Schulter 17, angrenzend ans untere Ende 15, auf der der Isolator 12 aufsitzt. Die Aussparung 16 hat ferner einen Abschnitt mit vergrößertem Durchmesser 18, in welchem ein Bund 19 des Isolators 12 eng aufgenommen ist. Ein elastisches Packungsmaterial, z.B. Talk, ist in dem ringförmigen Bereich angeordnet, der zwischen deir. Isolator 12 und dem Gehäuse 11 oberhalb des Bundes 19 liegt. Beim Zusammenbau der Zündkerze wird ein oberer Abschnitt 21 des Gehäuses 11 über das obere Ende des elastischen Packungsmaterials 20 eingefaltet, worauf

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das Gehäuse 11 im Bereich eines dünnen Wandabschnitte 22 zusammengedrückt bzw. zusammengeschoben wird, um das Packungsmaterial 20 in stark zusammengedrücktem Zustand zu halten. Das zusammengedrückte Packungsmaterial 20 spannt den Isolator gegen die ringförmige Schulter 17, um eine gasdichte Verbindung zwischen dem Isolator 12 und dem Gehäuse 11 zu schaffen. Das Gehäuse 11 hat ferner einen äußeren Abschnitt 23, der vorzugsweise sechseckig ist zur Aufnahme eines Werkzeuges, z.B. eines Schlüssels, um die Zündkerze 10 in eine Gewindebohrung im Zylinderkopf der Brennkraftmaschine einschrauben und wieder herausschrauben zu können.

Der Isolator 12 hat eine abgestufte axiale Bohrung 24 zur Halterung der Mittelelektrodenanordnung 13. Diese Anordnung umfaßt eine Elektrodenspitze 25 mit einer Schulter 26, die an einem Absatz 27 in der Bohrung 24 anliegt. Die Spitze hat ferner ein unteres Ende 28, das über den Isolator 12 vorsteht, um einen Zündspalt mit einer geerdeten Elektrode zu bilden, die z.B. integral am Gehäuse 11 angeformt ist. Die geerdete Elektrode 29 kann aber auch in Form eines separaten Drahtes ausgebildet sein, der am unteren Gehäuseende 15 angeschweißt oder anderweitig angebracht ist, um den Zündspalt mit der Spitze 28 zu bilden. Bei der dargestellten Ausführungsform erstreckt sich die Isolatorfläche 30 über dem Zündspalt, der durch die vorstehende Elektrodenspitze und die geerdete Elektrode 29 gebildet wird. Zündkerzen dieser Konstruktion sind bekannt als solche mit Oberflächenzündspalt, wobei in manchen Fällen die Fläche 30 mit einem Halbleitermaterial überzogen oder imprägniert sein kann.

Die Elektrode 25 hat ferner einen Schenkel 31, der sich aufwärts in die Isolatorbohrung 24 erstreckt. Ein geeignetes Dichtmaterial, wie z.B. Talk, ist um den Schenkel 31 gepackt, um die Elektrode 25 in der Bohrung 24 zu halten, wobei die

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Schulter 26 auf dem Absatz 27 aufsitzt, um eine Gas-Leckage zwischen der Elektrode 25 und dem Isolator 12 zu verhindern. Andere bekannt Dichtmethoden, wie z.B. eine Glasdichtung, können ebenfalls zwischen der Elektrode 25 und dem Isolator vorgesehen werden. Die Elektrode 25 hat ein oberes Ende 32, das ein Anschlußende eines Hilfszündspaltes bildet, der in Reihe in der Mittelelektrodenanordnung 13 liegt. Ein Niet oder ein anderer Träger 33 sitzt auf einem Absatz 34 in der Bohrung 24 auf und hat ein unteres Ende 35, das das andere Anschlußende des Hilfszündspaltes bildet. Ein induktives Entstörelement 36 ist in der Bohrung 24 derart angeordnet, daß sein Endanschluß 37 auf dem oberen Ende 38 des Trägerteiles 33 aufsitzt. Der Entstörer 36 hat einen zweiten Endanschluß 39. Eine Feder 40 liegt zwischen dem Ende 39 und einem Endanschluß 41, der das obere Ende der Mittenelektrodenanordnung 13 bildet. Der Anschluß 41 hat ein unteres, mit Gewinde versehendes Ende 42, das in die Isolatorbohrung 24 eingeschraubt ist, um eine Bewegung des Anschlußendes 41 relativ zum Isolator 12 zu verhindern. Die Feder 40 spannt den induktiven Entstörer 36 gegen den Träger 33, um den letzteren gegen den in der Bohrung 24 ausgebildeten Absatz 34 zu drücken und ihn dort zu halten. Der Anschluß 41 ist ferner mit einer Entlüftungsöffnung 43 versehen, um den Bereich zwischen der Mittelelektrode 13 und den Wänden der Bohrung 24 zu entlüften.

Der Hilfszündspalt ist durch das obere Ende 32 der Elektrode und das untere Ende 35 des Trägers 33 definiert. Sein Abstand liegt zweckmäßigerweise in einem Bereich von 1,25 bis etwa 7,5 nun und vorzugsweise in einem Bereich von 3,75 bis 6,4 mm. Wenn der Spalt schmaler als 1,25 mm ist, ist seine Wirksamkeit gegenüber größeren Spalten stark reduziert, wenn die Isolatorflache 30 mit Verbrennungs-Ablagerungen verschmutzt ist. Wenn andererseits der Spalt merklich größer als etwa 7,5 mm ist,

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ist eine sehr hohe Spannung erforderlich, damit sowohl über den Hilfspalt, wie auch über den Hauptzündspalt zwischen der Elektrodenspitze 28 und der geerdeten Elektrode 29 ein Funken überspringt.

Der induktive Entstörer 46 hat einen im allgemeinen zylindrischen Kern 44, mit dem die Anschlüsse 37 und 39 verbunden sind. Ein Draht 45 ist um den Kern 44 zwischen den Anschlüssen 37 und 39 gewickelt, um diesem die gewünschte Induktanz zu geben. Der die Induktanz bildende Draht 45 besteht aus einem hochinduktiven Material, wie z.B. Kupfer oder einer Kupferlegierung. Der wirkliche Wert des Entstörers 36 kann über einen breiten Bereich varrieren und er hat einen optimalen Wert, der durch die Ausgangscharakteristiken des Zündsystemes bestimmt ist, das mit dem Anschluß 41 verbunden ist. Allgemein sollte das Entstörelement 36 eine Induktanz von wenigstens 10 Mikrohenry haben, um wirksam hinsichtlich der Unterdrückung von Zündungsrauschen zu sein. Die Induktanzstärke des Entstörelementes sollte ferner so gewählt sein, daß sie eine optimale durchschnittliche Entstörung über ein weites Frequenzspektrum liefert. In einem Motor, in welchem eine Zündkerze, wie die Zündkerze 10 eingebaut und betätigt wurde, ergäbe eine Induktanz von 40 Mikrohenry einen optimalen Entstörpegel im Vergleich mit höheren und niedrigen Induktanzen. Der wirkliche Induktanzwert des Entstörelementes 36 ist ferner begrenzt durch den verfügbaren Raum in der Bohrung 24. Normalerweise hat ein induktiver Entstörer, wie das Entstörelement 36, das in einer Bohrung 24 einer Zündkerze angeordnet ist, eine maximale Induktanz von nicht mehr als etwa 100 Mikrohenry wenn es mit einem keramischen Kern versehen ist. Wenn erwünscht, kann die Größe der Induktanz beträchtlich erhöht werden durch Verwendung eines Ferritkernes. Der effektive Widerstandswert des induktiven Entstörelementes 36

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ist ebenfalls variabel, abhängig von dem Durchmesser des Drahtes 45, sowie dessen Länge zwischen den Anschlüssen 37 und 39 und von seinem Material. Allgemein gilt, daß mehr Drahtwindungen die Induktanz erhöhen, wobei auch der Widerstand zunimmt, es sei denn, daß auch der Durchmesser des Drahtes 4 5 erhöht wird. Zweckmäßigerweise hat das Entstörelement 36 einen niedrigen Widerstand. Beispielsweise hat ein drahtgewickelter Induktor eine Induktanz in der Größenordnung von etwa 37 bis 40 Mikrohenry und einen Widerstand in der Größenordnung von 30 bis 40 Ohm, womit eine wirksame Unterdrückung des Zündungsrauschens erreicht wird, wenn der Entstörer in der Mittelelektrode einer Zündkerze angeordnet ist, die einen Hilfszündspalt von etwa 3,8 mm hat, der zwischen der Induktanz und der Elektrodenspitze liegt und bei einer Brennkraftmaschine mit einem kapazitiven Zündsystem verwendet wird. Vorzugsweise liegt der Widerstand des Entstörers 36 nicht über etwa 50 0hm. Der maximal zulässige Widerstand des Entstörers 36 hängt jedoch von der effektiven Ausgangsimpedanz und dem Ausgangsstrom ab, der bei dem jeweiligen kapazitiven Zündsystem, an das die Zündkerze 10 angeschlossen ist, verfügbar ist.

Der Isolator 12 kann auch in anderer Weise im Gehäuse 11 angeordnet und gehalten sein, auch kann er und der Zündspalt zwischen der Elektrodenspitze 28 und der geerdeten Elektrode 29 anders ausgebildet sein. Der Hilfszündspalt liegt vorzugsweise zwischen dem Entstörelement 36 und dem Hauptzündspalt.

Die Erfindung betrifft somit eine Zündkerze für Brennkraftmaschinen mit einem kapazitiven Zündsystem. Die Zündkerze hat ein übliches Metallgehäuse mit einem Isolator und einer Bohrung für eine Mittelelektrode. Die in der Bohrung angeordnete Mittelelektrode hat eine Elektrodenspitze, die mit

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einer geerdeten Elektrode einen Zündspalt bildet. Ein Hilfszündspalt ist in der Isolatorbohrung unmittelbar oberhalb der Elektrodenspitze ausgebildet. Ein induktives Entstörelement mit niedrigem Widerstand ist oberhalb des Hilfszündspaltes angeordnet und mit einem Ende an das kapazitive Entladungssystem angeschlossen.

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Claims (4)

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1. Zündkerze für Brennkraftmaschinen mit einer kapazitiven Zündanlage, mit einem rohrförmigen Metallgehäuse mit Außengewinde zum Einschrauben der Zündkerze in die Maschine, einer geerdeten Elekbrode in elektrischer Verbindung mit dem Gehäuse, einem in dem Gehäuse angeordneten Isolator, der mit einer axialen Bohrung versehen ist, einer Mittelelektrode und Einrichtungen, um diese in dem Gehäuse zu halten, dadurch gekennzeichnet , daß die Mittelelektrode (13) eine Elektrodenspitze (25, 28) aufweist, die über den Isolator (12) vorsteht und einen Hauptzündspalt mit der geerdeten Elektrode (29) bildet, daß ferner ein induktives Entstörelement (36) mit niedrigem Widerstand in der Bohrung (24) des Isolators angeordnet ist, daß Einrichtungen (32, 35) in der Bohrung (24) angeordnet sind, um einen Hilfszündspalt zwischen der Elektrodenspitze (25) und einem Ende des Entstörelementes (36) zu bilden, und daß Einrichtungen (41) vorgesehen sind, um das andere Ende (39) des Entstörelementes (36) mit der kapazitiven Zündanlage zu verbinden.

2. Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfszündspalt eine Spaltbreite im Bereich von etwa 1,25 bis etwa 7,6 mm hat.

3. ... Zündkerze nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand des induktiven Entstörelementes (36) weniger als 50 Ohm beträgt.

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4. Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung (24) im Isolator (12) zwei in axialem Abstand angeordnete Absätze (27, 34) aufweist, daß ferner die Elektrodenspitze (25) mit einem Bund (26) versehen ist, der auf dem Absatz (27) aufsitzt und daß ein Träger (33) auf dem Absatz (34) aufsitzt, um das Ende (37) des induktiven Entstörelementes (36) abzustützen, wobei der Hilfszündspalt zwischen dem Ende (32) der Elektrode (25) und dem Ende (35) der Halterung (33) gebildet ist.

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