DE4230447C2 - Zündkerze - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Zündkerze mit einer in einem Isolatorfuß angeordneten und davon vorstehenden Mit­ telelektrode und wenigstens einer Masseelektrode, die der Mittelelektrode und dem Isolatorfuß im Abstand gegenüber­ liegend derart angeordnet ist, daß eine Luftfunken- und eine Gleitfunkenstrecke zwischen der Masseelektrode und der Mit­ telelektrode gebildet sind.

Bei dieser aus der DE-OS 21 06 893 bekannten Zündkerze ist eine derartige Ausbildung vorgesehen, daß eine Gleitfun­ kenstrecke und eine Luftfunkenstrecke parallel zueinander ausgebildet werden. Dadurch soll sichergestellt sein, daß mit einer derartigen Zündkerze ausgerüstete Motoren bei allen Betriebszuständen sicher zünden, indem je nach Be­ triebszustand entweder eine Gleitfunken- oder eine Luftfun­ kenzündung auftritt.

Aus der JP 1-225085 A ist es weiterhin bekannt, bei einer Zündkerze für einen Kriechstrom über eine Kriechentla­ destrecke zu sorgen, um dadurch das umgebende Gas zu ioni­ sieren, damit die eigentliche Luftfunkenentladung bei einer niedrigen Spannung stattfinden kann.

Die EP 0 470 688 A1 beschreibt weiterhin eine Zündker­ ze, bei der eine Oberflächenkriechstromstrecke vorgesehen ist, die dazu dienen soll, die Zündung eines armen Kraft­ stoffluftgemisches zu verbessern.

Zündkerzen der eingangs genannten Art haben den Nach­ teil, daß sie bei Verwendung von serienüblichen Werkstoffen für die Elektroden wie Silber, Nickel und Platin eine gerin­ ge Lebensdauer von beispielsweise nur 30.000 km und eine zu geringe Abbrandreserve haben. Bei Platinzündkerzen treten darüberhinaus ungenügende Fertigungssicherheiten bei den notwendigen Schweißvorgängen auf.

D. h. im einzelnen, daß bei üblichen Zündkerzen mit Luftfunkenstrecke durch den thermischen, chemischen und elektrischen Verschleiß an den Mittel- und Masseelektroden die proportional mit dem Elektrodenabbrand ansteigende elek­ trische Ansprechspannung für die Zündanlage, für die die Zündkerze bestimmt ist, zu groß wird, sodaß keine Zündfun­ kenentladungen mehr erzielt werden können.

Eine Verlängerung der Lebensdauer von Zündkerzen auf bis zu beispielsweise 60.000 km kann bisher nur durch die Verwendung von Edelmetallen für die Zündkerzenelektroden erreicht werden, was mit den entsprechenden hohen Kosten verbunden ist.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht daher darin, eine Zündkerze der eingangs genannten Art so auszubilden, daß sie bei Verwendung üblicher, kostengünsti­ ger Werkstoffe für die Mittel- und Masseelektroden eine län­ gere Lebensdauer hat.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die wenigstens eine Masseelektrode zur Ausnutzung der die Mittelelektrode umgebenden Ringfläche des Isolatorfußes als Gleitfunkenstrecke in einem ersten vorbestimmten Abstand über der Isolatorfußringfläche angeordnet ist und zur Bil­ dung einer Luftfunkenstrecke mit der Mittelelektrode zumin­ dest seitlich neben der Mittelelektrode angeordnet ist und zu dieser einen seitlichen Abstand hat, der einem vorbe­ stimmten zweiten Abstand entspricht, und daß der erste vor­ bestimmte Abstand in einem vorgegebenen Verhältnis zum zwei­ ten vorbestimmten Abstand steht, wodurch sich beim Einsatz der Zündkerze während einer anfänglichen Nutzungszeit eine Luftfunkenentladung über die Luftfunkenstrecke ausbildet, an die sich bei Erreichen eines bestimmten Elektrodenabbrandzu­ standes und dementsprechend höherer Ansprechspannung eine Nutzungszeit anschließt, in der eine Gleitfunkenentladung über die Gleitfunkenstrecke auftritt.

Besonders bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungs­ gemäßen Zündkerze sind Gegenstand der Ansprüche 2 und 3.

Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben. Er zeigen:

Fig. 1 eine Teilschnittansicht des keramischen Isola­ tors mit Mittelelektrode und der Masseelektrode bei einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2 eine Teilansicht des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels ohne Abbrand,

Fig. 3 eine Teilansicht des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels mit Abbrand,

Fig. 4 in einem Diagramm den Verlauf der Ansprechspannung gegenüber dem Elektrodenabbrand bei einem Ausführungs­ beispiel der erfindungsgemäßen Zündkerze und bei einer übli­ chen Zündkerze mit Luftfunkenstrecke,

Fig. 5a und b in einer Seiten- und einer Draufsicht Ausbildungen der Masseelektroden bei weiteren Ausführungs­ beispielen der Erfindung,

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht der Masseelektro­ denausbildung bei noch einem Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung und

Fig. 7 in einer schematischen Darstellung die Luftfun­ ken- und Gleitfunkenstrecken auf Isolatorfuß und Mittelelek­ trode einer Zündkerze.

Bei der Ausbildung der erfindungsgemäßen Zündkerze mit langer Lebensdauer wurde von der Rahmenbedingung ausgegan­ gen, daß sie mit mengenfertigungsgerechten Verfahren und bei marktorientierten Kosten herstellbar sein sollte. Um das zu erreichen, sollte möglichst viel Abbrandfläche an Mittel- und Masseelektrode zur Verfügung stehen und sollte gleich­ falls ein hoher Anteil an Gleitfunkenstrecke am keramischen Isolator ausgenutzt werden.

Im folgenden wird anhand von Fig. 7 dargestellt, welche potentiellen Abbrandreserven eine Zündkerze generell hat. Fig. 7 zeigt einen keramischen Isolator 1 mit einer Mittel­ elektrode 2 sowie die potentiellen Abbrandoberflächen, d. h. die Luftfunkenstrecken und die Gleitfunkenstrecken an der Mittelelektrode 2 sowie am keramischen Isolator 1. Bei der erfindungsgemäßen Ausbildung wurde versucht, von der theore­ tisch zur Verfügung stehenden Abbrandoberfläche durch die geometrische Ausbildung des gegenüberliegenden Massepotenti­ als möglichst viel an Abbrandreservoir auszunutzen.

Um eine funktionssichere und motortaugliche Zündkerze herzustellen, müssen bei der Anordnung der Elektroden al­ lerdings die folgenden Gesichtspunkte beachtet werden:

• - gute Gemischzugänglichkeit
• - kein Glühzünderreger
• - genügende Schwingungsbruchsicherheit
• - günstiges elektrisches Ansprechverhalten
• - Wärmewert
• - fertigungstechnische Herstellbarkeit (Schweißen, Elektrodenabstand einstellen)
• - Lebensdauer der keramischen Gleitfunkenstrecke

Es wurde weiterhin berücksichtigt, daß bei bekannten Serienzündkerzen die Lebensdauer im wesentlichen dadurch bestimmt ist, in welcher Form sich Masseelektrode und Mit­ telelektrode gegenüberstehen. Bei serienüblichen Zündkerzen ist somit die Lebensdauer durch das Abbrandverhalten der eingesetzten Werkstoffe der Elektroden bestimmt. Bei Zünd­ kerzen, die nur mit einer Luftfunkenstrecke arbeiten, ist das Abbrandpotential an der Mittel- und der Masseelektrode zu­ dem auf eine örtlich begrenzte Stelle konzentriert und zwar dort, wo der eigentliche Funkenüberschlag stattfindet. Bei Gleitfunkenzündkerzen wird die Lebensdauer auch durch den Verschleiß der keramischen Gleitfunkenstrecke bestimmt.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung soll demgegenüber eine Zündkerze geschaffen werden, die möglichst viel von der zur Verfügung stehenden Abbrandreserve ausnutzt, um an den dafür geeigneten Stellen Funkenüberschläge zu erzeugen.

Es wurde dabei davon ausgegangen, daß nicht nur Luft­ funkenstrecken sondern auch Gleitfunkenstrecken genutzt werden können, um das Abbrandvolumen zu vergrößern. Bei der Einbeziehung einer Gleitfunkenausbildung auf dem keramischen Isolatorfuß muß jedoch beachtet werden, daß nur ein kleiner Teil der potentiellen Gleitfunkenstrecke am Isolatorfuß sinnvoll genutzt werden kann. Eine Funkenbildung über weite Strecken des Isolatorfußes würde zum einen die Ansprechspan­ nung wesentlich erhöhen und zum anderen die Gefahr von Kera­ mikzerstörungen durch Funkensägen beinhalten. Aus diesem Grunde kann nur eine kleine Strecke am keramischen Isolator­ fuß genützt werden. Es ist weiterhin zu berücksichtigen, daß bei bekannten Zündkerzen, bei denen die Luftfunkenstrecken sozusagen in Reihe zur Gleitfunkenstrecke liegen, die Le­ bensdauer der Zündkerzen durch die Haltbarkeit der Keramik vorbestimmt ist.

Grundgedanke der Erfindung ist es daher, eine Zündkerze so auszubilden, daß die Gleitfunkenstrecke erst dann genützt wird, wenn an den Luftfunkenstrecken das Abbrandreservoir aufgebraucht ist. Die Gleitfunkenstrecke liegt somit nicht in Reihe sondern sozusagen parallel zur Luftfunkenstrecke und nimmt daher erst nach dem Verschleiß der Luftfunken­ strecken zwischen Mittel- und Masseelektroden ihre Funktion auf.

Besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der erfin­ dungsgemäßen Zündkerze, bei denen das erreicht wird, werden im folgenden beschrieben.

Um eine möglichst große Abbrandoberfläche an der Mit­ tel- und der Masseelektrode einzubeziehen, kann die Masse­ elektrode im Bereich der Isolatorfußringfläche so angeordnet werden, daß die überdeckende Fläche oberhalb der Isolator­ fußringfläche genutzt wird. Das bedeutet, daß die Isolator­ fußringfläche als Gleitfunkenstrecke ausgenutzt wird und die Masseelektrode als eine Art Dachelektrode über der Isolator­ fußringfläche vorgesehen ist. Die Elektrodenanordnung muß aber gleichzeitig so ausgestaltet sein, daß sich zwischen der Mittel- und der Masseelektrode eine oder mehrere Luft­ funkenstreckenbereiche ergeben.

Fig. 1 zeigt ein Beispiel der Elektrodenausbildung bei einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Masse­ elektrode 5 ist in Form einer Kappe ausgebildet, die als einfacher Bügel oder beispielsweise mit drei- oder vierfa­ chen Seitenfüßen mit dem Zündkerzenkörper 6 verbunden ist. Wie es in Fig. 1 dargestellt ist, umfaßt die Masseelektrode 5 den gesamten aus dem Isolator vorstehenden Teil der Mit­ telelektrode 2, so daß eine große Abbrandoberfläche gebildet ist, die als Luftfunkenstrecke 3 ausgebildet ist. Diese Ausbildung stellt eine Dachelektroden- und eine Seitenelek­ trodenausbildung dar. Damit die Gleitfunkenstrecke 4 der Isolatorfußringfläche mit einbezogen werden kann, ist die Masseelektrode 5 weiterhin so ausgebildet, daß sich zwischen dem Isolatorfuß 1 und der Masseelektrode 5 ein genau defi­ nierter Abstand ergibt.

Wie es in Fig. 2 dargestellt ist, sind der Spalt A zwischen der Isolatorfußspitze und der Masseelektrode 5 sowie der seitliche Elektrodenabstand B zwischen der Masse­ elektrode 5 und der Mittelelektrode 2 so gewählt, daß die Beziehung A = 2/3 B erfüllt ist. Fig. 2 zeigt die Elektro­ denanordnung im Neuzustand, d. h. ohne Abbrand. In diesem Zustand bilden die Mittelelektrode 2 und die Masseelektrode 5 eine Luftfunkenstrecke 3, die sich oberhalb der Mittel­ elektrode 2 ergibt, da die Masseelektrode 5 in diesem Be­ reich als Dachelektrode ausgebildet ist. An den Seiten ist die Ausbildung zwischen den Polen in Form von Seitenelek­ troden.

Wie es in Fig. 3 dargestellt ist, vergrößern sich die Luftfunkenstrecken 3 mit zunehmender Betriebsdauer aufgrund eines thermischen, chemischen und elektrischen Verschleißes. Dadurch steigt aber auch der elektrische Spannungsbedarf bei der Funkenbildung an. Bei der erfindungsgemäßen Zündkerze wird nach dem Abbrennen der Werkstoffe an der Mittelelek­ trode 2 und an der Masseelektrode 5, d. h. mit zunehmendem Spannungsbedarf und somit bei Erreichen einer bestimmten Ansprechspannung die zweite Arbeitsphase der Zündkerze akti­ viert, in der der zweite Teil der Abbrandreserve ausgenutzt wird. Wie es in Fig. 3 dargestellt ist, wird dem Funken nach starkem Elektrodenverschleiß 10 an der Mittelelektrode 2 und der Masseelektrode 5 eine weitere Entladungsmöglichkeit gegeben. Durch ein gezieltes Einstellen des Abstandes A zwi­ schen der Isolatorfußspitze und der Masseelektrode 5 wird sich nach Erreichen einer vorgegebenen Ansprechspannung der Funken auf der keramischen Ringfläche des Isolatorfußes 1 als Gleitentladung 7 ausbilden und sich dem nächstgelegenen Massenpotential entgegenstrecken. Die Masseelektrode 5 bil­ det bei dieser Gleitfunkenentladung 7 eine Art Dachelektrode zum Isolator. In dieser Weise ergibt sich nach starkem Ver­ schleiß an den Luftfunkenstrecken eine weitere zusätzliche Laufstrecke für den Funken, die im Ansprechverhalten all­ erdings eine andere Qualität hat.

Es hat sich gezeigt, daß die Ansprechspannungen von Gleitfunkenentladungen über einen großen Betriebszeitraum von mehr als 30.000 km nur gering ansteigen. Bei der erfin­ dungsgemäßen Zündkerze bedeutet das, daß nach Erreichen einer bestimmten Ansprechspannung an der Luftfunkenstrecke 3 die Funkenausbildung an der Isolatorfußspitze auftritt und an der Unterseite der Massenelektrode 5 endet, die diesbe­ züglich eine Dachelektrode darstellt. Dadurch wird nach Er­ reichen der vorbestimmten Ansprechspannung aufgrund der Gleitfunkenentladung 7 die Ansprechspannung über eine lange Betriebszeit bei einer relativ geringen Erhöhung konstant gehalten.

Das Verhalten der elektrischen Ansprechspannung UZ einer Zündkerze mit Luftfunkenstrecke gegenüber dem Elek­ trodenabstand ist in Fig. 4 dargestellt. Mit einer Vergröße­ rund der Luftfunkenstrecke 3, ausgelöst durch Verschleiß 10, erhöht sich bei einer normalen Zündkerze mit Luftfunken­ strecke konstant der Spannungsbedarf. Das Verhalten der erfindungsgemäßen Zündkerze unterscheidet sich davon deut­ lich dadurch, daß der Spannungsbedarf und damit die An­ sprechspannung über einen weiten Bereich steigender Elek­ trodenabstände im wesentlichen konstant bleiben.

Das bedeutet, daß die Zündkerze sich nach Erreichen einer kritischen Ansprechspannung selbst abregelt und über eine lange Betriebsdauer auf dem gleichen Ansprechspannungs­ niveau bleibt. Die konstante Ansprechspannung, d. h. eine weniger stark druckabhängige Ansprechspannung wird durch die Einbeziehung der Gleitfunkenstrecke erreicht. Damit sich dieser Effekt einstellt, wird der Abstand zwischen der Mas­ seelektrode und der keramischen Gleitfunkenstrecke (Isola­ torfußspitze) in bestimmter Weise gewählt. Dabei ist die Anforderung an den Spannungsbedarf der parallelen Gleitfunk­ strecke so zu wählen, daß sich nach zulässigem Verschleiß an der oder den Luftfunkenstrecken der gewünschte Gleitfunken­ effekt einstellt. Durch die Vergrößerung des Luftfunken­ streckenabstandes wird der Spannungsbedarf zu hoch, sodaß sich der Funken den leichteren Weg mittels einer Gleitentla­ dung über die Isolatorfußspitze sucht. Bevorzugt sind Ab­ stände A zwischen der Massenelektrode 5 und der Isolatorfuß­ spitze von 0,4 bis 0,8 mm bei einem zugehörigen Elektroden­ abstand B von ca. 0,6 bis 1,2 mm im Neuzustand, d. h. ohne Abbrand und insbesondere

B = 1,2 mm, A = 0,80 mm;
B = 1,1 mm, A = 0,73 mm;
B = 1,0 mm, A = 0,66 mm;
B = 0,9 mm, A = 0,60 mm;
B = 0,8 mm, A = 0,53 mm;
B = 0,7 mm, A = 0,46 mm;
B = 0,6 mm, A = 0,40 mm.

Das elektrische Ansprechverhalten einer Zündkerze wird im Motorbetrieb nicht nur durch den Elektrodenabstand be­ stimmt. Entscheidend sind auch die dynamischen Vorgänge im Verbrennungsraum, die durch unterschiedliche Druckverhält­ nisse zum Ausdruck kommen. Die benötigte Ansprechspannung ist auch eine Frage des Motordruckes, so daß bei gleichen Elektrodenabständen die Ansprechspannung bei niedrigeren Drücken niedriger als bei hohen Drücken ist. Die wechselwei­ se Funkenausbildung bei der erfindungsgemäßen Zündkerze stellt sich dann so dar, daß entsprechend dem Elektroden­ abstand und den Druckverhältnissen im Verbrennungsraum der Funken zwischen der reinen Luftfunkenstrecke und einer Gleitfunkenausbildung wechselt.

In Fig. 4 ist der Einfluß der parallelen Gleitfunken­ strecke bei der erfindungsgemäßen Zündkerze bei gleichem Motordruck betrachtet dargestellt. Vergleichsmessungen haben gezeigt, daß Zündkerzen mit Luftfunkenstrecke bei vergrößer­ ten Elektrodenabständen einen sich proportional erhöhenden Ansprechspannungsbedarf haben. Die Begrenzung der Ansprech­ spannung wird durch die zusätzlich vorgesehene Gleitfunken­ strecke erzielt. Dadurch wird die Lebensdauer der Zündkerze erheblich verlängert, da ein neuer Funkenlaufweg gegeben ist. Die Gleitfunkenausbildung bewirkt außerdem, daß der Spannungsbedarf der Zündkerze entsprechend der Gleitfunken­ ansprechspannung über lange Zeit konstant bleibt.

Besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Elektro­ denanordnungen sind in den Fig. 5a, 5b und 6 dargestellt. Dabei zeigen Fig. 5a und 5b Seitenelektrodenausbildungen in zweifacher und dreifacher Form und zeigt Fig. 6 eine Aus­ bildung mit zwei Seitenelektroden 8 und einer Dachelektrode 9, bei der möglichst viel Abbrandfläche der Mittelelektrode aktiviert wird.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung ergibt sich somit eine Zündkerze mit äußerer Funkenlage und einer Elektroden­ anordnung, die so ausgebildet ist, daß nach einer bestimmten Lebensdauer an einer Luftfunkenstrecke eine zweite parallele Funkenstrecke geschaltet wird, die im wesentlichen Gleitfun­ kencharakter hat. Dabei ist die Elektrodenanordnung geome­ trisch so ausgebildet, daß eine möglichst große Abbrandflä­ che genutzt wird und die Luftfunkenstrecke nach Erreichen einer kritischen Ansprechspannung durch die andere parallel angeordnete Gleit- und Luftfunkenstrecke ersetzt wird. Da­ durch ergibt sich eine Zündkerze, die vor Erreichen eines kritischen Spannungsbedarfes den Spannungsbedarf über den Gleitfunkenanteil stabilisiert.

Die erfindungsgemäße Zündkerze hat eine hohe Standzeit für Benzin-, Methanol-, Ethanol-Fahrzeugmotore oder Fahr­ zeugmotore mit Gasbetrieb und eine lange Lebensdauer von mehr als 60.000 km bei Einsatz von herkömmlichen Werkstof­ fen, die mit geringen Kosten verbunden sind. Die Herstellung der erfindungsgemäßen Zündkerze ist daher preisgünstig auf bestehenden Anlagen möglich. Dabei kann die Elektrodenab­ standseinstellung vollautomatisch auf genaue Toleranz erfol­ gen.

Die erfindungsgemäße Langlebensdauer-Zündkerze ist mit marktüblichen Werkstoffen wie Nickel ausbildbar, hat gute Kaltstarteigenschaften und Abgasvorteile mit langen Funken­ strecken. Sie kann auch für Stationärmotoren für Langlaufan­ wendungen bei Bedarf in Verbindung mit hochwertigen speziel­ len Elektrodenmaterialien in Mehrfachanordnung bei der Mas­ seelektrode verwandt werden.

Claims (3)

1. Zündkerze mit einer in einem Isolatorfuß angeord­ neten und davon vorstehenden Mittelelektrode und wenigstens einer Masseelektrode, die der Mittelelektrode und dem Isola­ torfuß im Abstand gegenüberliegend derart angeordnet ist, daß eine Luftfunken- und eine Gleitfunkenstrecke zwischen der Masseelektrode und der Mittelelektrode gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Masseelek­ trode (5, 8) zur Ausnutzung der die Mittelektrode (2) umge­ benden Ringfläche des Isolatorfußes (1) als Gleitfunken­ strecke in einem ersten vorbestimmten Abstand (A) über der Isolatorfußringfläche angeordnet ist und zur Bildung einer Luftfunkenstrecke mit der Mittelektrode (2) zumindest seit­ lich neben der Mittelelektrode (2) angeordnet ist und zu dieser einen seitlichen Abstand hat, der einem vorbestimmten zweiten Abstand (B) entspricht, und daß der erste vorbe­ stimmte Abstand (A) in einem vorgegebenen Verhältnis zum zweiten vorbestimmten Abstand (B) steht, wodurch sich beim Einsatz der Zündkerze während einer anfänglichen Nutzungs­ zeit eine Luftfunkenentladung über die Luftfunkenstrecke ausbildet, an die sich bei Erreichen eines bestimmten Elek­ troden-Abbrandzustandes und dementsprechend höherer An­ sprechspannung eine Nutzungszeit anschließt, in der eine Gleitfunkenentladung über die Gleitfunkenstrecke auftritt.

2. Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste vorbestimmte Abstand (A) und der zweite vor­ bestimmte Abstand (B) hinsichtlich des vorgegebenen Verhält­ nisses die Beziehung erfüllen, daß der erste Abstand (A) zwei Drittel des zweiten Abstandes (B) beträgt.

3. Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste vorbestimmte Abstand (A) zwischen 0,4 mm und 0,8 mm beträgt.