DE3821688A1 - Zuendelektroden in einer vorkammerzuendkerze - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erhöhung der Lebensdauer von Zündelektroden in Zündkerzen mit Vorkammer. Derartige Zündkerzen werden zur besseren Entflammung magerer Kraftstoff/Luftgemische verwendet. Besonders günstig wirkt sich ein wirbelförmiger Strömungsverlauf in der Vorkammer aus. Derartige Einrichtungen werden in verschiedenen Patentschriften u.a. in US 21 27 512 und DE 29 16 285 beschrieben.

Die in DE 29 16 285 gezeigte Anordnung mit dünner stiftförmiger Mittelelektrode, die zur zylindrischen Wand eine Funkenstrecke bildet, hat den Nachteil, daß die dünne Elektrode vergleichsweise schnell verschleißt, wodurch die teure Gesamtanordnung einen zu geringen Gebrauchsnutzen aufweist. Zudem ergibt sich durch die Zündung zur zylindrischen Wand ein Löscheffekt der Wände, der die Ausbildung einer vom Zündfunken ausgehenden Flammenfront stört.

Um dieses zu vermeiden, wurde in DE 31 48 296 eine stiftförmige Masseelektrode in der zylindrischen Wand angeordnet. Dadurch ist aber keinesfalls der Verschleiß durch die erosive Wirkung des Zündfunkens vermindert.

Eine wesentliche Verringerung der Verschleißvorgänge läßt sich durch die Verwendung hochwarmfester, korrosions- und erosionsfester metallischer Werkstoffe insbesondere solcher der Platingruppe erreichen.

Um die Materialkosten zu vermindern, wurde deshalb vielfach bei konventionellen Zündkerzen vorgeschlagen, nur die Spitzen der Elektroden aus Edelmetall herzustellen (vergl. z.B. DE 22 24 270, DE 22 56 823 sowie DE 25 20 622) oder Edelmetallelektroden mit Ummantelungen aus Nickel zu verwenden (vergl. z.B. DE 26 14 274, DE 36 05 300).

Diese für konventionelle Zündkerzen vorgeschlagenen Lösungen wurden zur Entflammung des Gemisches innerhalb des Hauptbrennraumes entwickelt.

Da innerhalb dieses Brennraumes an den Zündelektroden konventioneller Zündkerzen keine geordneten Verhältnisse bezüglich der Gemischanströmung und des Entflammungsvorganges bestehen, werden dort i.a. symmetrische Lösungen, d.h. zylindrische Mittelelektroden verwendet. Diese Lösungen geben keine Anregungen zur Verbesserung der Lebensdauer von Zündelektroden in einer Vorkammer mit wirbelförmigem Strömungsverlauf, die sich durch einen geordneten und reproduzierbaren Entflammungsvorgang auszeichnet.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des korrosiven und erosiven Verschleißes beider Zündelektroden (Masse- und Mittelelektrode) in einer Zündkerzenvorkammer, insbesondere einer solchen mit wirbelförmigem Strömungsverlauf zu vermindern.

Dabei soll der Einsatz von teuren Edelmetallen aus Kostengründen gering gehalten werden und durch die Art der Anordnung die unvermeidbare verschleißbedingte Zunahme des Elektrodenabstandes mit fortschreitender Lebensdauer degressiv erfolgen.

Zusätzlich soll die Anordnung derart ausgeführt werden, daß die Löschwirkung umgebender Wände auf den Zündfunken und den sich in seinem Bereich entwickelnden Flammenkern gering ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Korrosion und Erosion der Zündelektroden durch den Einsatz von dünnen Edelmetalldrähten, vorzugsweise aus Metallen oder Metallegierungen der Platingruppe bestehend, entgegengewirkt wird.

Zur Verringerung der Löschwirkung wird eine von der Zylinderwand in die Vorkammer radial hineinragende vergleichsweise dicke Masseelektrode verwendet, die an ihrem Ende den besonders verschleißfesten Edelmetallwerkstoff, vorzugsweise aus einem Metall der Platingruppe oder dessen Legierung bestehend, in Form eines dünnen Drahtes trägt, auf den von der Mittelelektrode ausgehend ein dünner Stift aus ebenfalls vorzugsweise aus einem Metall der Platingruppe oder dessen Legierung bestehend ausgerichtet ist. Auf diese Weise bildet sich die Funkenstrecke zwischen den Edelmetalldrähten aus, die wegen ihres geringen Durchmessers nur eine geringe Löschwirkung auf den Flammenkern bewirken.

Die Masseelektrode trägt an ihrem freien Ende eine über den Querschnitt im wesentlichen quer durch die Achse verlaufende Nut, in die der genannte Draht eingelegt und am Umfang der Masseelektrode mit dieser verschweißt wird.

Die Nutabmessungen werden so gewählt, daß vorzugsweise der halbe Querschnitt des Platindrahts über die Endfläche der Masseelektrode hervorsteht.

Die geometrische Ausrichtung des Einlegedrahtes ist dann besonders strömungsgünstig, wenn seine Achse in Richtung der Stromlinien d.h. im wesentlichen tangential zu den horizontal verlaufenden schraubenförmigen Stromlinien, der Vorkammer verläuft. Aber auch ein vertikaler Verlauf des Einlegedrahtes ist möglich.

Beim dünnen Edelmetallstift der Mittelelektrode kann zur besonders günstigen Ausgestaltung am freien Ende eine Kugel aus dem Grundmaterial angeschmolzen werden, wodurch sich auf kostengünstigem Wege Edelmetallvolumen zur Lebensdauersteigerung anhäufen läßt.

Ebenso ist es möglich, den Stift der Mittelelektrode abzuwinkeln und im wesentlichen parallel im Elektrodenabstand zum Einlegedraht der Masseelektrode verlaufen zu lassen.

Um eine definierte Lokalisierung des Zündfunkens zu erreichen wird vorzugsweise das freie Ende des Edelmetallstiftes der Mittelelektrode unter einem kleinen Winkel gegenüber dem Einlegedraht geneigt angeordnet, so daß der geringste Elektrodenabstand am Ende der Edelmetalldrähte entsteht. Bei dieser Art der Anordnung wird besonders viel Edelmetallvolumen den Verschleißvorgängen zur Verfügung gestellt.

Durch die Ausführung der Elektrodenoberflächen als konvexe Flächen führt die Erosion des Zündfunkens mit zunehmender Betriebszeit zu einer Abplattung durch Materialabtragung.

Dabei nimmt zwar der Elektrodenabstand zu, gleichzeitig wird jedoch die sich gegenüberliegende Elektrodenfläche vergrößert. Damit wird die Erosion des Funkens mit zunehmender Betriebszeit progressiv ansteigend auf mehr Elektrodenfläche verteilt und die Vergrößerung des Elektrodenabstandes verzögert. Wegen des sich vergrößernden Elektrodenabstandes wirkt sich in vorteilhafter Weise die Vergrößerung der Elektrodenfläche nicht nachteilig auf die Entflammung aus.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele für die Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben. Darin zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch den unteren Teil einer Zündkerze mit Vorkammer und allgemeiner Elektrodenanordnung,

Fig. 2A einen Querschnitt durch die Elektrodenanordnung in einer ersten Ausführungsform,

Fig. 2B den Schnitt I/II gemäß Fig. 1 der Elektrodenanordnung in der ersten Ausführungsform,

Fig. 3A einen Querschnitt durch die Elektrodenanordnung in einer zweiten Ausführungsform,

Fig. 3B den Schnitt I/II gemäß Fig. 1 der Elektrodenanordnung in der zweiten Ausführungsform.

Der in Fig. 1 im Längsschnitt dargestellte untere Teil einer Vorkammerzündkerze (1) ist in die Wand (2) des Zylinderkopfes eines Ottomotors eingeschraubt dargestellt.

Die Vorkammerzündkerze enthält eine zylindrische Kammer (3), die im Bereich der Stirnseite (4) verengt ist. Im Bereich der Stirnseite sind mehrere tangentiale Einlaßbohrungen (5) angeordnet, über die während des Kompressionstaktes des Ottomotors das frische Gemisch in die untere Teilkammer (4) eindringt und dort eine Drehströmung erzeugt, mit der das Gemisch schraubenlinienförmig in die obere zylindrische Teilkammer (3) einströmt. Die Zündstelle befindet sich vorzugsweise in der Verlängerung der unteren Teilkammer bei (6) zwischen der stiftförmigen Masseelektrode (7) und dem Stift (8) der Mittelelektrode (9) .

Die erste Ausführungsform zeigt in der Schnittdarstellung von Fig. 2A den an die Mittelelektrode (9) angeschweißten Edelmetallstift (8) mit dem zur Kugel aufgeschmolzenen Ende (10). In die Masseelektrode (7) ist in einer Nut (11) ein dünner Edelmetalldraht (12) eingelegt.

In der Schnittdarstellung entlang der Linie I/II von Fig. 1, die in Fig. 2B gezeigt wird, ist die Befestigung des Einlegedrahts (12) durch Verschweißung (13) am Umfang der Masseelektrode gezeigt. Der Zündfunke (15) springt zwischen den Edelmetalldrähten (10) und (12) der Zündelektroden (7) und (9) wie dargestellt über.

Eine zweite Ausführungsform ist im Längsschnitt in Fig. 3A dargestellt. Der Aufbau der Masseelektrode (7) mit eingelegtem Platindraht (12) gleicht dem von Fig. 2A. Der Edelmetallstift (8) der Mittelelektrode (9) ist an seinem freien Ende (14) abgewinkelt und fluchtend zum Einlegedraht (12) angeordnet (Fig. 3B).

Durch die Anordnung eines kleinen Winkels zwischen Einlegedraht (12) und Stiftende (14) ist der Elektrodenabstand am freien Stiftende (14) am kleinsten, so daß dort der Zündfunken (15) überspringt. Durch den Verschleißvorgang wird das Edelmetallvolumen von Stiftende (14) und Einlegedraht (12) abgetragen. Die Lebensdauer wird durch diese Maßnahmen entscheidend erhöht, wobei der Elektrodenabstand in definiertem Umfang sich innerhalb des für den störungsfreien Motorbetrieb zulässigen Toleranzbereiches verändern kann.

Wie die Fig. 2A und 3A zeigen, ist der Einlegedraht (12) einmal horizontal und das anderemal vertikal, d.h. im wesentlichen parallel bzw. quer zu den horizontalen schraubenlinienförmigen Stromlinien der Drehströmung in der Vorkammer angeordnet. Da die Strömung sich auf Schraubenlinienbahnen an den Elektroden vorbeibewegt, wirkt die horizontale Anordnung besonders wenig störend auf das Strömungsfeld.

Wie in den Darstellungen von Fig. 2 zu erkennen ist, führt die Erosionswirkung des Zündfunkens zur Abplattung der konvexen Drahtoberflächen der Zündelektroden (10) und (12), so daß bei beiden Elektroden mit zunehmendem Verschleiß zunehmend größere Flächen entstehen. Dadurch wird die Erosionswirkung des Funkens auf eine mit dem Elektrodenabstand sich progressiv vergrößernde Fläche verteilt mit dem Ergebnis, daß der Elektrodenabstand sich während dieser Phase nur relativ wenig verändert. Dieser Zusammenhang ist insbesondere bei gasbetriebenen Magermotoren mit Gemischaufladung von wesentlicher Bedeutung, da hier der Zündspannungsbedarf ein Mehrfaches desjenigen normaler Motoren beträgt. Bedingt durch das hohe Zündspannungsniveau beträgt die zulässige verschleißbedingte Vergrößerung des Elektrodenabstandes nur wenige zehntel Millimeter, da bei größerem Abstand die Zündenergie durch Nebenschlußentladungen verloren geht.

In beiden Ausführungsformen wird mit der Wahl des Durchmessers der Edelmetalldrähte und des konstruktiven Elektrodenabstandes festgelegt, wieweit sich der wirksame Elektrodenabstand bis zur erosiven Abtragung des gesamten Edelmetalles verändern kann.

Claims (6)

1. Verfahren zur Erhöhung der Lebensdauer der Zündelektroden bei Zündkerzen mit Vorkammer, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der beiden Zündelektroden einen mit der Lebensdauer progressiv zunehmenden Widerstand gegen Verschleiß aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der beiden Elektroden eine mit verschleißbedingt wachsendem Elektrodenabstand zunehmende Elektrodenfläche aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2 mit einer Zentralelektrode (9) sowie mit einem auf die Masseelektrode (7) gerichteten dünnen Stift (8) und mit einer Masseelektrode aus einem von der zylindrischen Wand radial zur Kammermitte gerichteten vergleichsweise dickeren Stift (7), dadurch gekennzeichnet, daß in eine Nut (11) der Stirnfläche der Masseelektrode (7) ein dünner Edelmetalldraht (12), bestehend vorzugsweise aus Metall oder Metallegierungen der Platingruppe, eingelegt und endseitig mit der Masseelektrode verschweißt ist (13).

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Zentralelektrode radial ausgehende Stift (8) durch einen dünnen Edelmetalldraht, bestehend vorzugsweise aus Metall oder Metallegierungen der Platingruppe, gebildet wird, an dessen freiem Ende eine Kugel (10) angeordnet ist, die durch Aufschmelzen des Edelmetalldrahtes erzeugt wird.

5. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Zentralelektrode radial ausgehende Stift (8) aus einem dünnen Edelmetalldraht aus Metall oder Metallegierungen der Platingruppe besteht, der an seinem freien Ende (14) derart abgewinkelt wird, daß dieses annähernd parallel zu dem Einlegedraht (12) der Masseelektrode (7) verläuft.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das freie annähernd parallele Ende (14) des von der Zentralelektrode ausgehenden Stiftes (8) in einem kleinen Winkel zum Einlegedraht (12) der Masseelektrode derart ausgerichtet ist, daß am freien Ende des Stiftes (14) der geringste Abstand zum Einlegedraht (12) auftritt.