DE4414545B4

DE4414545B4 - Zündkerze

Info

Publication number: DE4414545B4
Application number: DE4414545A
Authority: DE
Inventors: Akio Nishio Katoh; Nobuo Yokkaichi Abe
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1993-04-28
Filing date: 1994-04-26
Publication date: 2004-07-08
Anticipated expiration: 2014-04-27
Also published as: JP3473044B2; GB2277555A; DE4414545A1; GB2277555B; US5502351A; JPH06310256A; GB9407677D0

Abstract

Zündkerze zum Zünden eines verdichteten Luft-Kraftstoff-Gemisches in einem Verbrennungsmotor, mit:
einem Isolator (4);
einer ersten Elektrode (1), die von einem Ende des Isolators (4) herausragt und eine freie Endfläche (10) hat, wobei die erste Elektrode eine Planfläche (111, 121), die an einer ihrer Flächen definiert ist und sich axial zur ersten Elektrode in Richtung zu der freien Endfläche (10) erstreckt, eine Basis mit, einer äußeren Umfangsfläche und einen Verbindungsabschnitt (101, 102) zum Verbinden der äußeren Umfangsfläche der Basis und der Planfläche hat;
einem in einem umgebenden Verhältnis zu dem Isolator (4) stehend befestigtem Gehäuse (5);
einer zweiten derart an das Gehäuse (5) angebrachten Elektrode (21, 22), dass eine Kopffläche (211, 221) der zweiten Elektrode (21, 22) gegenüber der Planfläche (111, 121) der ersten Elektrode (1) angeordnet ist;
einem so an die Planfläche (111, 121) der ersten Elektrode (1) befestigten Edelmetallstück (31, 32), dass zwischen ihm...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Zündkerze, bei der ein an eine Mittelelektrode angebrachtes Edelmetallstück und eine Entladefläche einer Erdungselektrode einander gegenüber angeordnet sind.
Bislang gestaltete sich der Ein- und Ausbau von Zündkerzen in Kraftfahrzeugsverbrennungsmotoren aufgrund der steigenden Zahl an Ausrüstungsteilen schwierig. Dabei stieg der Bedarf an längerlebigen Zündkerzen, wodurch Einbauarbeiten verringert oder überflüssig gemacht werden.
Zudem verlangt die jüngste Entwicklung hin zur Energieeinsparung Fahrzeugverbrennungsmotore mit besserer Kraftstoffverwertung und einer Verbrennung bei niedrigeren Konzentrationen, was Zündkerzen höherer Zündleistung erfordert.
Ein herkömmliches Beispiel für. die Lösung dieser Probleme ist die in den 13 bis 15 gezeigte Zündkerze (Japanische geprüfte Patenveröffentlichung Nr. 62-31797 B2 Diese Zündkerze hat eine Mittelelektrode 1 und Erdungselektroden 21 und 22, die gegenüber dem Kopf 10 der Mittelelektrode 1 angeordnet sind. Der Kopf 10 der Mittelelektrode 1 hat an der gegenüber den Funkenspitzen 219 und 229 der Erdungselektroden 21 und 22 befindlichen Stelle eine Edelmetallscheibe 3.
Die Basis 19 der Mittelelektrode 1 ist in den Hohlraum eines Isolators 4 eingesetzt und befestigt. Der Isolator 4 ist in den Hohlraum des Metallgehäuses 5 eingesetzt und befestigt, auf das die Erdungselektroden 21 und 22 gebildet sind. Funken werden an den zwischen der Edelmetallscheibe 3 und den Funkenspitzen 219 und 229 befindlichen Funkenspalten erzeugt.
In der vorstehenden Zündkerze ist die Berührungsfläche zwischen der Mittelelektrode 1 und dem Edelmetallring 3 groß, da der. Kopf 10 der Mittelelektrode 1 über seinen gesamten Umfang einen Edelmetallring 3 aufweist. Daher wird aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnung des die Mittelelektrode 1 bildenden Elektrodenmaterials und des den Edelmetallring 3 bildenden Edelmetalls zwischen dem Kopf 10 der Mittelelektrode 1 und dem Edelmetallring 3 eine Wärmebeanspruchung verursacht.
Dies kann Risse im Edelmetallring 3 bzw. ein Ablösen oder Abfallen des Edelmetallringes 3 verursachen. Der abgelöste Edelmetallring kann sogar den Funkenspalt kurzschließen. Daher ist mit der Zündkerze trotz der Verwendung des Edelmetallstückes keine verlängerte Lebensdauer erreichbar.
Ein, anderes herkömmliches Beispiel ist die in 16 gezeigte Zündkerze (Japanische geprüfte Patentveröffentlichung Nr. 3-50396 B2 Diese Zündkerze hat eine äußere Elektrode 25, eine Mittelelektrode 1 mit einem zwischen sich und der äußeren Elektrode 25 befindlichen flächigen Entladespalt Y oder Flächenentladespalt Y, einen Isolator 45, in dem die Mittelelektrode 1 eingesetzt und befestigt ist und ein die Basis 46 des Isolators 45 befestigendes Metallteil 55.
Ein Edelmetallteil 30 ist mit dem Kopf 10 der Mittelelektrode 1 verbunden. Der vom Isolator 45 herausragende Kopf 47 des Isolators 45 hat einen geringen Durchmesserabschnitt 471 mit einem kleineren Durchmesser als der der Basis 46.
Zwischen der Funkenspitze 26 der äußeren Elektrode 25 und dem kleinen Durchmesserabschnitt 471 des Isolators 45 befindet sich ein Spalt Z.
Dieser Zündkerze ist mit einem 14 mm - Gewinde eingebaut.
Jedoch ist der zwischen der Funkenspitze 26 und dem Isolator 45 befindliche Spalt Z so entworfen, daß er ungefähr halb so groß wie der Flächenentladespalt Y ist. Daher können Funken selbst im Falle, daß ein Motor, in dem diese Zündkerzen eingebaut sind, gestartet wird, an dem Spalt Z auftreten, wenn Kohlenstoff oder andere Materialien an dem kleinen Durchmesserabschnitt 471 des Isolators 45 haften oder wenn die Funkenspannung an dem Flächenentladespalt Y in Abhängigkeit von den Motorbetriebsbedingungen steigt.
Daher erlischt ein an dem eigentlich engeren Spalt Z erzeugter Flammenkeim leichter als an dem Flächenentladespalt Y.
Zudem ist der Spalt Z nicht leicht für das Luft-Kraftstoff-Gemisch zugänglich, da er von der äußeren Elektrode 25 und dem Isolator 45 umgeben ist. Ferner breiten sich Funken am Spalt Z weniger leicht in der übrigen Verbrennungskammer aus als Funken an dem Flächenentladespalt Y, da sich der Spalt Z nach dem Einbau in die Verbrennungskammer weiter weg von der Mitte der Verbrennungskammer befindet als der Flächenentladespalt Y.
Aus diesen Gründen zeigen Funken an dem Spalt Z nicht nur eine sehr geringe Zündleistung, sondern treten diese bei gewöhnlichen Motorbetriebsbedingungen häufig auf. Daher bleibt die Zündleistung der vorstehenden Zündkerze ungenügend.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Zündkerze mit längerer Lebensdauer und höherer Zündleistung zu schaffen.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Zündkerze, in der ein Isolator in den Hohlraum eines eine Erdungselektrode aufweisenden Metallgehäuses eingesetzt und befestigt wurde, wobei die Basis einer Mittelelektrode in den Hohlraum des Isolators eingesetzt und befestigt wurde. Der Kopf der Mittelelektrode und die Erdungselektrode befinden sich einander gegenüber, wobei der Kopf der Mittelelektrode eine gegenüber der Entladefhäche der Erdungselektrode befindliche Planfläche hat und sich ein Verbindungsabschnitt von der Planfläche in Richtung auf die Basis erstreckt. Die Planfläche hat ein Edelmetallstück an einer gegenüber der Entladefläche der Erdungselektrode befindlichen Stelle, wobei die Entladefläche der Erdungselektrode zwischen sich und dem Edelmetallstück einen Funkenspalt G, zwischen sich und der Neigungsfläche einen minimalen Spalt A und zwischen sich und der Kopffläche des Isolators einen minimalen Spalt B aufweist, wobei an dem Spalt G Funken auftreten und an den Spalten A und B keine Funken auftreten.
Dabei erfüllen der Funkenspalt G, der minimale Spalt A und der minimale Spalt B die Beziehungen
Zwischenraum A ≥ 1,2·Zwischenraum G; und
Zwischenraum B ≥ Zwischenraum G.
In der vorliegenden Erfindung hat die Entladefläche der Erdungselektrode zwisehen sich und dem Edelmetallstück einen Funkenspalt G, zwischen sich und dem Verbindungsabschnitt einen einen minimalen Spalt A, und zwischen sich und der Kopffläche des Isolators einen minimalen Spalt B. Der Funkenspalt G, der minimale Spalt A und der minimale Spalt B erfüllen die Beziehungen
Zwischenraum A ≥ 1,2·Zwischenraum G; und
Zwischenraum B ≥ Zwischenraum G.
Gilt Zwischenraum A < 1,2·Zwischenraum G, so treten zwischen der Entladefläche der Erdungselektrode und dem Verbindungsabschnitt (siehe 7) wahrscheinlich Funken auf.
Gilt Zwischenraum B < Zwischenraum G, so steigt das Luft-Kraftstoffyerhältnis für eine optimale Verbrennung im Verbrennungsmotor (siehe 8), so daß ein konzentriertes Luft-Kraftstoff-Gemisch erforderlich ist.
In einer bevorzugten Bauart sollte die Axiallänge L der Planfläche der vorstehenden Mittelelektrode und der senkrecht zur vorstehenden Planfläche befindlichen Querschnittsfläche S vorzugsweise die Beziehung S/L ≥ 0,7 erfüllen (siehe 10).
Bei S/L < 0,7 kann auf der Berührungsfläche zwischen dem Edelmetallstück und der Planfläche Oxidation auftreten, so daß sich das Edelmetallstück möglicherweise ablöst.
Die Mittelelektrode hat an ihrem Ende eine oder mehrere Planflächen, welche in parallel zur Achse der Mittelelektrode verlaufenden und gegenüber der Entladefläche der Erdungselektrode befindlichen Ebenen liegen.
Ein Edelmetallstück ist nur an der gegenüber der Entladefläche befindlichen Stelle an die Planfläche angebracht. Das Edelmetallstück ist ein Flachstück, wie etwa eine Scheibe oder eine quadratische Platte.
Das Edelmetallstück enthält eine der Lebensdauer der Zündkerze entsprechende Edelmetallmenge, wie etwa eine Pt-Ir-Ni-Legierung, Pt-Ir-Legierung, Pt-Ni, Pt-Ag, reines Platin, Pt-W, Pt-Ru-Pd.
Die Entladefläche der Erdungselektrode sollte vorzugsweise parallel zur Oberfläche des Edelmetallstücks sein, um gleichmäßige Funken zu garantieren.
In der Zündkerze der vorliegenden Erfindung erfüllen der zwischen der Entladefläche der Erdungselektrode und dem Edelmetallstück befindliche Funkenspalt G, und der zwischen der Entladefläche und dem Verbindungsabschnitt der Mittelelektrode befindliche minimale Spalt A die Beziehung: Zwischenraum A ≥ 1,2·Zwischenraum G. Funken treten daher kaum an dem minimalen Spalt A auf, wodurch die Funkenhäufigkeit an dem Funkenspalt G maximiert wird (siehe 7).
Zudem wird eine hohe Zündleistung bei Luft-Kraftstoff-Gemischen mit geringen Konzentrationen gewährleistet.
Der Funkenspalt G und der zwischen der Entladefläche der Erdungselektrode und dem Isolatorkopf befindliche minimale Spalt B erfüllen die Beziehung: Zwischenraum B ≥ Zwischenraum G. Dies beseitigt mögliches Auftreten von Funken an dem minimalen Spalt B. Selbst wenn ferner Kohlenstoff oder andere Stoffe an der Isolatorspitze haften, sind Funken an dem minimalen Spalt B nicht möglich. Somit ist die Funkenhäufigkeit an dem zwischen der Entladefläche und dem am dichtesten gelegenen Edelmetallstück befindlichen Funkenspalt G hoch.
Zudem ist der Funkenspalt für Luft-Kraftstoff-Gemische problemlos zugänglich, da der Funkenspalt G nahe an dem Kopf der Mittelelektrode angeordnet ist, wodurch die Ausbreitung des an dem Funkenspalt erzeugten Flammenkeimes unterstützt wird.
Wird die Zündkerze der vorliegenden Erfindung in einer Verbrennungskammer eingebaut, so zeigt der Mittelelektrodenkopf in Richtung auf den Mittelpunkt der Verbrennungskammer. Daher breitet sich die aus den Funken an dem Funkenspalt G resultierende Flamme problemlos in der übrigen Verbrennungskammer aus.
Somit verbessert eine gesteigerte Funkenhäufigkeit an dem Funkenspalt G die Zündleistung der Zündkerze.
Zusätzlich ist an der Planfläche der Mittelelektrode ein flaches Edelmetallstück angebracht. Das Edelmetallstück berührt die Planfläche in einer Ebene, wodurch eine gleichmäßige und feste Berührung über die gesamten Berührungsflächen dieser Teile gewährleistet ist.
Das Edelmetallstück ist lediglich an der Stelle angebracht, an der zwischen der Erdungselektrode und der Mittelelektrode Funken auftreten. Der am meisten beanspruchte Abschnitt der Mittelelektrode wird daher durch des Edelmetallstück geschützt, wodurch eine Beschädigung der Mittelelektrode verhindert und somit die Lebensdauer der Zündkerze verlängert wird.
Zudem enthält das Edelmetallstück eine mit der Lebensdauer der Zündkerze übereinstimmende Menge an Edelmetall, so daß eine maximale Ausnutzung der minimalen Edelmetallmenge ermöglicht wird.
Wie vorstehen erklärt schafft die vorliegende Erfindung eine Zündkerze mit längerer Lebensdauer und höherer Zündleistung.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt, teilweise im Querschnitt, eine Seitenansicht des Hauptteils einer Zündkerze eines ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
2 zeigt eine Draufsicht der Zündkerze in 1;
3 zeigt eine Querschnittsansicht einer Mittelelektrode an der Stelle, an der in 1 Edelmetallstücke enthalten sind;
4 zeigt eine Perspektivansicht eines Hauptteils des in 1 gezeigten Hauptteils;
5 zeigt, teilweise im Querschnitt, eine Seitenansicht der in 1 gezeigten Zündkerze;
6 zeigt ein schematisches Diagramm mit Funkenpositionen in einer teilweisen Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels;
7 zeigt einen Graph, der die Beziehung zwischen dem Verhältnis (A/G) des minimalen Spalts A zum Funkenspalt G und der Funkenhäufigkeit im zweiten Ausführungsbeispiel zeigt;
8 zeigt ein Diagramm mit der Beziehung zwischen dem Verhältnis (A/G) des minimalen Spalts A zum Funkenspalt G und der unteren Verbrennungsgrenze oder der Verbrennungsgrenze mit der geringsten Kraftstoffkonzentration in einem vierten Ausführungsbeispiel;
9 zeigt ein schematisches Diagramm des Ablösezustands aufgrund von Oxidation in der Berührungsfläche zwischen der Mittelelektrode und der Edelmetallkopffläche bzw. -kopfseite in einem fünften Ausführungsbeispiel;
10 zeigt einen Graph, der die Beziehung zwischen dem Verhältnis S/L einer senkrecht zur Planfläche stehenden Querschnittsfläche S zur Länge L einer Planfläche und der Oxidationsrate in dem fünften Ausführungsbeispiel zeigt;
11 zeigt eine Draufsicht der Zündkerze in einem sechsten Ausführungsbeispiel;
12 zeigt eine teilweise Seitenansicht der Zündkerze in dem sechsten Ausführungsbeispiel;
13 zeigt, teilweise im Querschnitt, eine Seitenansicht des Hauptteils einer aus dem Stand der Technik bekannten Zündkerze;
14 zeigt eine Draufsicht einer aus dem Stand der Technik bekannten Zündkerze;
15 zeigt eine horizontale Querschnittsansicht des Mittelelektrodenkopfs der aus dem Stand der Technik bekannten Zündkerze; und
16 zeigt, teilweise im Querschnitt, eine Seitenansicht des Hauptteils einer anderen, aus dem Stand der Technik bekannten Zündkerze;
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE ERSTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
Eine Zündkerze der vorliegenden Erfindung wird in den 1 bis 5 erklärt.
In der Zündkerze dieses Ausführungsbeispiels ist ein Isolator 4 in den Hohlraum eines Metallgehäuses 5 eingesetzt und befestigt, das gemäß 1 Erdungselektroden 21 und 22 hat. Die Basis 19 einer Mittelelektrode 1 ist in den Hohlraum des Isolators 4 eingesetzt und befestigt. Der Kopf 10 der Mittelelektrode 1 und die Erdungselektroden 21 und 22 befinden sich einander gegenüber.
Gemäß den 2 bis 4 hat der Kopf 10 der vorstehend erwähnten Mittelelektrode 1 Planflächen 111 und 121, die sich gegenüber der Entladeflächen 211 und 221 der Erdungselektroden 21 und 22 befinden, und in diesem Fall aus zwei, sich ausgehend von den Planflächen 111 und 121 in Richtung auf die Basis 19 erstreckende Neigungsflächen 101 und 102 bestehende Verbindungsabschnitte.
Edelmetallstücke 31 und 32 sind an die Planflächen 111 und 121 an, sich gegenüber den Entladeflächen 211 und 221 der Erdungselektroden 21 und 22 befindlichen Stellen angebracht.
Gemäß 1 haben die Entladeflächen 211 und 221 der Erdungselektroden 21 und 22 einen zwischen sich und den Edelmetallstücken 31 und 32 befindlichen Funkenspalt G, einen zwischen sich und den Neigungsflächen 101 und 102 befindlichen minimalen Spalt A, und einen zwischen sich und der Kopffläche 41 des Isolators 4 befindlichen minimalen Spalt B. Der Funkenspalt G, der minimale Spalt A und der minimale Spalt B erfüllen die Beziehungen: Zwischenraum A ≥ 1,2·Zwischenraum G, und Zwischenraum B ≥ Zwischenraum G.
Eine Axiallänge L der Planflächen 111 und 121 der Mittelelektrode 1 und die senkrecht zu den Planflächen 111 und 121 stehende Querschnittsfläche S erfüllen die Beziehung S/L ≥ 0,7.
Die Planflächen 111 und 121 liegen auf Ebenen, die parallel zur Achse der Mittelelektrode 1 verlaufen und sich gegenüber den Entladeflächen 211 und 221 der Erdungselektroden 21 und 22 befinden. Die Edelmetallstücke 31 und 32 sind an die gegenüber den Entladeflächen 211 und 221 befindlichen Postionen an die Planflächen 111 und 121 lediglich widerstandsverschweißt. Die Oberfläche der Edelmetallstücke 31 und 32 liegen parallel zu den Entladeflächen 211 und 221 der Erdungselektroden 21 und 22, so daß gleichmäßige Funken erzeugt werden.
Die Edelmetallstücke 31 und 32 sind Scheiben mit einem Durchmesser von 1,0 mm und einer Stärke von 0,4 mm. Die Edelmetallstücke 31 und 32 enthalten eine der erforderten Lebensdauer der Zündkerze entsprechende Edelmetallmenge, sie bestehen aus einer Legierung aus 78 Gew% Pt, 20 Gew% Ir, 2 Gew.% Ni.
Der Durchmesser der Mittelelektrode 1, ausgenommen den Durchmesserabschnitt der Planflächen 111 und 121, beträgt 2,5 mm. Die Mittelelektrode 1 besteht aus hitzeverträglicher Ni-Legierung. Die Erdungselektroden 21 und 22 bestehen aus hitzeverträglicher Ni-Legierung. Der Isolator 4 besteht aus herkömmlichen gesinterten Aluminium.
In der Zündkerze dieses Ausführungsbeispiels wird gemäß 5 zusätzlich zur Basis 19 der Mittelelektrode 1 ein Innenwiderstand 135 und ein Anschluß 136 in den Hohlraum 40 des Isolators 4 eingesetzt und befestigt. Zudem wird leitfähiges Glas 134 zwischen der Mittelelektrode 1 und dem inneren Widerstand 135 verschmolzen und befestigt.
Abdichtungen 131 und 132 sind so eingesetzt, daß zwischen dem Glas 4 und dem Metallgehäuse 5 luftdicht abgeschlossen ist. Das Glas 4 ist durch Kröpfen des Mittelabschnittes 51 des Metallgehäuses 5 befestigt.
ZWEITES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
In diesem Ausführungsbeispiel wurde die Beziehung zwischen dem Verhältnis (A/G) des minimalen Spalts A zum Funkenspalt G und der Funkenhäufigkeit ausgewertet.
Die Zündkerze gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel wurde in einer Druckkammer eingebaut. Die Druckkammer wurde mit Luft unter einen Druck von 7 kg/cm² gesetzt. Unter dieser Bedingung entlädt sich die Zündkerze bei der gleichen Spannung wie in einem Fahrzeugmotor. Die Zündkerze wurde unter Verwendung einer bei der Zündung in Fahrzeugmotoren üblichen Stromversorgung entladen.
Wurde die Zündkerze gemäß 6 mit einem variierenden Wert A/G entladen, traten die Funken g an dem Funkenspalt G auf. Funken a traten ebenfalls an dem minimalen Spalt A zwischen der Entladefläche 211 der Erdungselektrode 21 und der Neigungsfläche 101 der Mittelelektrode 1 auf.
Das Auftreten der Funken g ist dem starken elektrischen Feld an der Oberseite 18 der Planfläche 111 und an der Oberseite 28 der Entladefläche 211 aufgrund der zugespitzten Formen der Oberseiten 18 und 28 zuzuschreiben.
Das Auftreten von Funken ist zudem dem starken elektrischen Feld an der Unterseite 109 der Neigungsfläche 101 und an der Unterseite 29 der Entladefläche 211 aufgrund der zugespitzten Formen der Oberseiten 18 und 28 zuzuschreiben.
Keine Funken traten an dem minimalen Spalt B zwischen der Entladefläche 211 der Erdungselektrode 21 und der Kopffläche 41 des Isolators 4 auf.
Anschließend wurde die Häufigkeit der Funken g und die Häufigkeit der Funken a gemessen, während das Verhältnis A/G variiert wurde. Die Häufigkeit wurde als jeweiliger Funkenanteil (%) einer Anzahl von Funken a und g bezogen auf 1000 zwischen der Entladefläche 211 und dem Kopf 10 der Mittelelektrode 1 erzeugten Funken ausgedrückt.
Das Ergebnis ist in 7 gezeigt. Wie aus der Figur ersichtlich, nahm bei steigendem Wert A/G die Häufigkeit der Funken g zu und die der Funken a ab. In anderen Worten steigt die Häufigkeit der Funken g mit dem, im Vergleich zum Zwischenraum des Funkenspalts G zunehmenden Zwischenraum des minimalen Spalts A. Betrug die Breite des minimalen Spalts A das 1,2-fache des Funkenspalts G oder mehr, verschwanden die Funken a fast, wohingegen die Häufigkeit der Funken g nahezu maximal wurde.
Bei genauerer Auswertung des Ergebnisses wurde herausgefunden, daß die Funken g nahe dem Kopfende der Mittelelektrode 1 auftreten. Wird daher eine Zündkerze in eine Verbrennungskammer eingebaut, so ist das Kopfende der Mittelelektrode 1 in Richtung auf die Mitte der Verbrennungskammer offen.
Dies erhöht die Zugänglichkeit der Funken g zum Luft-Kraftstoff-Gemisch. Zudem breiten sich die Flammen problemlos in der übrigen Kammer aus, da die Funken g nahe an der Mitte der Verbrennungskammer sind.
Somit wird angenommen, daß die gesteigerte Häufigkeit der Funken g die Zündleistung der Zündkerze verbessert.
Da andererseits der durch die Funken a erzeugte Flammenkeim von der Mittelelektrode 1 und den Erdungselektroden 21 und 22 umgeben ist, hat der Flammenkeim keinen leichten Zugang zum Luft-Kraftstoff-Gemisch, so daß er sich nur schwerlich ausdehnt.
Selbst wenn sich der Flammenkeim ausdehnt, breitet sich die Flamme kaum in der übrigen Verbrennungskammer aus, da die Funken a von der Mitte der Verbrennungskammer beabstandet sind, woraus sich eine niedrige Zündleistung ergibt.
DRITTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
In diesem Ausführungsbeispiel wurde die Beziehung zwischen dem zwischen der Entladefläche der Erdungselektrode und der Kopffläche des Isolators befindlichen minimalen Spalt B und dem zwischen der Entladefläche und dem Edelmetallstück befindlichen Funkenspalt G ausgewertet.
Die Auswertung wurde durchgeführt, indem leitende Paste auf die Kopffläche des Isolators 4 aufgetragen und diese eingebrannt wurde, so daß ein elektrischer Kanal zwischen der Mittelelektrode und der Kopffläche des Isolators gebildet wurde. Dadurch wurde ein Zustand, bei dem Kohlenstoff an der Kopffläche des Isolators haftet, wiedergegeben. Der minimale Spalt B und der Funkenspalt G wurden gleichgesetzt.
Unter Verwendung dieses Aufbaus, wurde die Zündkerze unter denselben Bedingungen wie im vorstehenden zweiten Ausführungsbeispiel entladen.
Als Ergebnis traten keine Funken an dem minimalen Spalt B auf. An dem Spalt G traten häufig Funken auf. Es wird angenommen, daß aufgrund des schwachen elektrischen Feldes an der Kopffläche des Isolators 4 Funken an dem minimalen Spalt B selbst bei B = G nicht auftreten, da die Kopffläche des Isolators 4 flach ist oder eine leicht konvexe Form mit großem Krümmungsradius besitzt.
VIERTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
In diesem Ausführungsbeispiel wurde die Beziehung zwischen dem Verhältnis (A/G) des minimalen Spalts A zum Funkenspalt G und der Zündleistung der Zündkerze ausgewertet.
Der minimale Spalt A zwischen den Entladeflächen 211 und 221 der Erdungselektroden 21 und 22 und den Neigungsflächen 101 und 102 wurde in dem Bereich von 0,8 bis 1,4 mm variiert, so daß sich das Verhältnis (A/G) des zwischen der Entladefläche und der Neigungsfläche befindlichen minimalen Spalts A zum. zwischen der Entladefläche und dem Edelmetallstück befindlichen Funkenspalt G gemäß 8 (Versuchsstück 1 bis 4) änderte. Der Funkenspalt G betrug 1,0 mm und der zwischen der Entladefläche und der Kopffläche des Isolators 4 befindliche minimale Spalt B 2,4 mm.
Die Dimensionen und Materialien der Mittelelektrode 1, der Edelmetallstücke 31 und 32, und der Erdungselektroden 21 und 22 waren dieselben wie in der Zündkerze des vorstehenden ersten Ausführungsbeispiels. Die Mittelelektrode 1, die Edelmetallstücke 31 und 32 und die Erdungselektroden 21 und 22 wurden in die Zündkerze NIPPONDENSO CO., LTD's PK20R gebaut.
Was die Meßbedingungen betrifft, so wurde ein wassergekühlter Vierzylinder-Viertakt-Motor mit 1500 cc bei 650 UpM im Leerlauf betrieben. Ein Luft-Kraftstoff-Gemisch wurde zur Zündkerze geleitet, während das Luft-Kraftstoffverhältnis langsam in Richtung auf eine geringere Konzentration geändert wurde. Das Luft-Kraftstoffverhältnis, bei dem die Verbrennung im Motor beginnt fehlzuzünden, würde als untere Verbrennungsgrenze bzw. Verbrennungsgrenze bei der geringsten Kraftstoffkonzentration definiert. Wenn der Motor fehlzündet, strömen die Kohlenwasserstoffe (HC) im Kraftstoff direkt mit dem Abgas aus. Die untere Verbrennungsgrenze kann durch Beobachtung dieser Komponenten bestimmt werden.
Als Vergleich wurde dieselbe Messung zusätzlich unter Verwendung der herkömmlichen, als ein Beispiel einer verwandten Technik beschriebenen, in der Japanischen geprüften Patentveröffentlichung Nr. 3-50396 gezeigten Zündkerze als Versuchsstück C1 genommen. Diese herkömmliche Zündkerze hat bezüglich der Dimensionen der Zündkerze des ersten Ausführungsbeispiels folgende Dimensionen: G = Y = 1,0; A = B = Z = 0,5 und A/G = 0,5 (siehe 16).
Die Ergebnisse der Messungen sind in 8 gezeigt.
Wie aus der Figur ersichtlich lag das Luft-Kraftstoffverhältnis bei 17, sobald A/G gleich 1,2 oder größer war (Versuchsstücke 3 und 4). Andererseits lag bei dem Versuchsstück 1 und dem Versuchsstück C1 das Luft-Kraftstoffverhältnis an der unteren Verbrennungsgrenze bei ungefähr 16.
Ausgehend von diesen Ergebnissen wurde herausgefunden, daß Luft-Kraftstoff-Gemische mit geringen Konzentrationen zünden können, wenn das Verhältnis (A/G) des minimalen Spalts A zum Funkenspalt G 1,2 oder größer ist.
FÜNFTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
In diesem Ausführungsbeispiel wurde die Beziehung zwischen der Form der Planfläche und dem Ablösen der Edelmetallschicht aufgrund von Oxidation ausgewertet.
Ein wassergekühlter Sechszylinder-Viertakt-Motor mit 2000 cc wurde für 100 Stunden in Perioden von einer Minute im Leerlauf und einer Minute bei 5000 UpM (Maximallast) betrieben, um die Zündkerze einer Wärmebeanspruchung auszusetzen.
Es wurde dieselbe Zündkerze wie in dem ersten Ausführungsbeispiel verwendet. Die Axiallänge L der Planfläche und die senkrecht zur Planfläche befindliche Querschnittsfläche S wurden verändert, um die verschiedenen Formen von Mittelelektroden zu überprüfen.
Das an die Mittelelektrode angebrachte Edelmetallstück wurde aus einer Legierung mit 78 Gew.% Pt, 20 Gew.% Ir, und 2 Gew.% Ni hergestellt.
Gemäß 9 trat nach dem Start des Motorbetriebs in einigen Fällen in der Zündkerze ein Ablösen 71 und 72 aufgrund von Oxidation an der zwischen dem Edelmetallstück 31 und der Mittelelektrode 1 befindlichen Berührungsfläche 7 auf.
Die Beziehung zwischen S/L und der Oxidationsrate ist in 10 gezeigt. Die Oxidationsrate ist das prozentuale Verhältnis der Ablöselänge (d1 + d2) aufgrund der Oxidation an dem Durchmesser D des Edelmetallstückes 31 gemäß 9.
Ist gemäß der Figur S/L gleich 0,7 oder größer, wurde die Oxidationsrate an der Berührungsfläche niedriger als ungefähr 35 %; ist S/L kleiner als 0,7, stieg die Oxidationsrate plötzlich an.
Das Ergebnis wurde wie folgt interpretiert:
Die Berührungsfläche zwischen der Planfläche 111 der Mittelelektrode 1 und dem Edelmetallstück 31 erfährt beim Erwärmen eine Wärmebeanspruchung. Diese Wärmebeanspruchung ist geringer, wenn die Maximaltemperatur der Berührungsfläche gering ist. Die Maximaltemperatur der Berührungsfläche 7 ist abhängig von einem Gleichgewicht zwischen der beim Erwärmen von dem Luft-Kraftstoff-Gemisch aufgenommenen Wärme und der Wärmeleitung in der Axialrichtung der Mittelelektrode 1, d.h.
von dem Kopf der Mittelelektrode zum Hohlraum 40 des Isolators 4.
Kann eine Mittelelektrode 1 aufgenommene Wärme problemlos entlang ihrer Achse ableiten, so kann die Mittelelektrode 1 die Wärmebeanspruchung an der Berührungsfläche 7 abbauen, selbst wenn die Mittelelektrode 1 eine große Wärmemenge von dem Luft-Kraftstoff-Gemisch aufnimmt.
Gemäß dem allgemeinen Hauptsatz der Wärmeleitung, ist die Wärmeleitfähigkeit in der Planfläche der Mittelelektrode 1 größer, wenn die senkrecht zu den Planflächen befindliche Querschnittsfläche S größer und die Axiallänge L der Planflächen kleiner ist.
Unter der Annahme, daß die von dem Luft-Kraftstoff-Gemisch aufgenommene Wärme konstant ist, wird somit die Maximaltemperatur des Edelmetallstückes bei größer werdendem S/L geringer und verringert sich die Wärmebeanspruchung in der Berührungsfläche. Daher kann die Oxidation an der Berührungsfläche verhindert werden, wenn S/L gleich 0,7 oder größer ist.
Aufgrund dieser Überlegung ist ersichtlich, daß, wenn S/L ≥ 0,7 ist, Ablösen aufgrund von Oxidation bis auf ein geringes Ausmaß unterdrückt werden kann. Dadurch wird verhindert, daß das Edelmetallstück abfällt. Folglich wird die Lebensdauer der Zündkerze verlängert.
Unter Verwendung eines Edelmetallstückes aus einer Legierung mit 80 Gew.% Pt und 20 Gew.% Ir wurden dieselben Ergebnisse erzielt.
SECHSTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
Die Zündkerze dieses Ausführungsbeispiels hat gemäß den 11 und 12 eine Mittelelektrode 1 mit drei Planflächen 131, 141 und 151 und gegenüber den drei Planflächen 131, 141 und 151 angeordnete Erdungselektroden 23, 24 und 25. Flache Edelmetallstücke 33, 34 und 35 werden auf die Planflächen 131, 141 und 151, und zwar an gegenüber den Entladeflächen der Erdungselektrode 23, 24 und 25 befindlichen Stellen, widerstandsverschweißt.
Die Mittelelektrode 1 hat eine sich von der Planfläche 141 zur Basis 19 erstreckende Neigungsfläche 104. Zudem erstrecken sich Neigungsflächen von den Planflächen 131 und 151 zur Basis 19, obwohl diese nicht in der Figur gezeigt sind.
Andere Merkmale gleichen denen in dem ersten Ausführungsbeispiel.
Dieses Ausführungsbeispiel hat dieselbe Wirkung wie das erste Ausführungsbeispiel.
Der Kopf 10 der Mittelelektrode 1 befindet sich gegenüber der Erdungselektroden 21 und 22. Der Kopf 10 hat gegenüber den Entladeflächen der Erdungselektroden 211 und 221 befindliche Planflächen 111 und 121 sowie sich von den Planflächen zur Basis 19 erstreckende Neigungsflächen 101 und 102. Die Planflächen haben an, sich gegenüber den Entladeflächen befindlichen Stellen Edelmetallstücke 31 und 32. Die Entladeflächen haben einen zwischen sich und dem Edelmetallstück befindlichen Funkenspalt G , einen zwischen sich und der Neigungsfläche befindlichen minimalen Spalt A und einen zwischen sich und der Kopffläche 40 des Isolators 4 befindlichen minimalen Spalt B. Der Funkenspalt G, der minimale Spalt A und der minimale Spalt B erfüllen die Beziehungen Zwischenraum A ≥ 1,2·Zwischenraum G, und Zwischenraum B ≥ Zwischenraum G. Die Axiallänge L der Planfläche und die senkrecht zur Planfläche befindliche Querschnittsfläche S sollten bevorzugt der Beziehung S/L ≥ 0 folgen.

Claims

Zündkerze zum Zünden eines verdichteten Luft-Kraftstoff-Gemisches in einem Verbrennungsmotor, mit: einem Isolator (4); einer ersten Elektrode (1), die von einem Ende des Isolators (4) herausragt und eine freie Endfläche (10) hat, wobei die erste Elektrode eine Planfläche (111, 121), die an einer ihrer Flächen definiert ist und sich axial zur ersten Elektrode in Richtung zu der freien Endfläche (10) erstreckt, eine Basis mit, einer äußeren Umfangsfläche und einen Verbindungsabschnitt (101, 102) zum Verbinden der äußeren Umfangsfläche der Basis und der Planfläche hat; einem in einem umgebenden Verhältnis zu dem Isolator (4) stehend befestigtem Gehäuse (5); einer zweiten derart an das Gehäuse (5) angebrachten Elektrode (21, 22), dass eine Kopffläche (211, 221) der zweiten Elektrode (21, 22) gegenüber der Planfläche (111, 121) der ersten Elektrode (1) angeordnet ist; einem so an die Planfläche (111, 121) der ersten Elektrode (1) befestigten Edelmetallstück (31, 32), dass zwischen ihm und der Kopffläche (211, 221) der zweiten Elektrode ein Funkenentladespalt gebildet wird; wobei wenn der Funkenentladespalt mit G bezeichnet ist und ein minimaler Spalt zwischen der Kopffläche (211, 221) der zweiten Elektrode und dem Verbindungsabschnitt (101, 102) der ersten Elektrode (1) mit A bezeichnet ist und ein minimaler Spalt zwischen der Kopffläche (211, 221) der zweiten Elektrode (21, 22) und dem Ende (41) des Isolators (4) mit B bezeichnet ist die Spaltzwischenräume A, B und G den folgenden Bezeichnungen genügen: Zwischenraum von A ≥ 1,2·Zwischenraum von G; und Zwischenraum von B ≥ Zwischenraum von G.
Zündkerze zum Zünden eines verdichteten Luft-Kraftstoff-Gemisches in einem Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei die erste Elektrode zwei parallel ausgebildete Planflächen (111, 121) hat.
Zündkerzen zum Zünden. eines verdichteten Luft-Kraftstoff-Gemisches in einem Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei die erste Elektrode (1) eine ungefähr dreieckige Stange mit einem Querschnitt einer ungefähr dreieckigen Form ist, und zwar entlang eines bestimmten Zwischenraums von der freien Endfläche, so dass drei Planflächen (131, 141, 151) an der ersten Elektrode (1) gebildet sind.
Zündkerze zum Zünden eines verdichteten Luft-Kraftstoff-Gemisches in einem Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei eine Axiallänge der Planfläche (111, 121) der ersten Elektrode (1) als L und ein Bereich eines senkrechten Querschnitts auf der Planfläche (111, 121) mit S bezeichnet ist, wobei eine Beziehung S/L ≥ 0,7 erfüllt ist.
Zündkerze zum Zünden eines verdichteten Luft-Kraftstoff-Gemisches in einem Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei das besagte Edelmetallstück in die Planfläche (111, 121) der ersten Elektrode (1) derart eingebettet und angebracht ist, dass die außenseitige Oberfläche des Edelmetallstückes (31, 32) und die Planfläche (111, 121) in der selben Ebene bündig sind.
Zündkerze zum Zünden eines verdichteten Luft-Kraftstoff-Gemisches in einem Verbrennungsmotor, mit: einem Isolator (4); einer ersten Elektrode (1) die von einem Ende des Isolators (4) herausragt und eine freie Endfläche (10) hat, wobei die erste Elektrode (1) zwei parallele Planfläche (111, 121) hat, die sich für einen gegebenen Zwischenraum von der freien Endfläche (10) axial zur ersten Elektrode erstrecken, eine Basis mit einer äußeren Umfangsfläche und zumindest einen Verbindungsabschnitt (101, 102) zum Verbinden der Planflächen (111, 121) und der äußeren Umfangsfläche der Basis hat; einem in einem umgebenden Verhältnis zu dem Isolator (4) stehend befestigtem Gehäuse (5); zwei zweiten an das Gehäuse (5) angebrachten Elektroden (21, 22), wobei sich eine Kopffläche (211, 221) jeder zweiten Elektrode (21, 22) einer entsprechenden Planfläche (111, 121) so zukehrt, dass sie sich gegenüber der Planfläche (111, 121) an einer Seite der ersten Elektrode (1) befindet; einem an jedem der Planfläche (111, 121) an der ersten Elektrode (1) befestigten Edelmetallstück (31,21), so dass zwischen dem Edelmetallstück (31, 32) und der Kopffläche (211, 221) der entsprechenden zweiten Elektrode (21, 22) ein Funkenentladespalt gebildet ist; wobei wenn der Funkenentladespalt mit G bezeichnet ist, ein zwischen der Kopffläche einer der zweiten Elektroden (21, 22) und dem Verbindungsabschnitt (101, 102) der ersten Elektrode (1) befindlicher minimaler Spalt mit A und der zwischen der Kopffläche (211, 221) einer der zweiten Elektroden (21, 22) und dem Ende des Isolators (4) befindlichen minimale Spalt mit B bezeichnet ist, die Spaltzwischenräume A, B und G den folgenden Beziehungen genügen: Zwischenraum von A ≥ 1,2·Zwischenraum von G; und Zwischenraum von B ≥ Zwischenraum von G.
Zündkerze zum Zünden eines verdichteten Luft-Kraftstoff-Gemisches in einem Verbrennungsmotor nach Anspruch 6, wobei das Edelmetallstück (31, 32) in der Planfläche (111, 121) der ersten Elektrode (1) derart eingebettet und befestigt ist, dass die außenseitige Oberfläche des Edelmetallstücks (31, 32) und die Planfläche (111, 121) bündig sind.
Zündkerze für einen Verbrennungsmotor, mit: einem Isolator (4) mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende; einer Mittelelektrode (1) mit einem an dem Isolator (4) befestigten und von dem besagten einem Ende des Isolators (4) herausragenden zylindrischen Schenkel, und ihrer freien Endfläche (10); einem an das zweite Ende des Isolators (4) befestigten Anschluss (136), der elektrisch mit der Mittelelektrode (1) verbunden ist; einem an den Umfang des Isolators (4) befestigten Metallgehäuse (5); einem an die Schenkelseite der Mittelelektrode (1) befestigten Edelmetallstück (31, 32); einer Erdungselektrode (21, 22) mit einem dritten und vierten Ende, wobei das dritte Ende mit dem Gehäuse (5j elektrisch verbunden ist und sich das vierte Ende, gegenüber dem an der Schenkelseite der Mittelelektrode (1) befestigten besagten Stück befindet, wobei sich dazwischen einen Funkenentladespalt befindet; und einer Planfläche (111, 121), deren Seite auf einen dünnen Abschnitt in Richtung auf die freie Endfläche (10) beschränkt ist, und zwar ausgehend von einer sich im vorgegebenen Abstand von dem Schenkel befindlichen Stelle in Richtung auf die freie Endfläche (10), wobei das Stück (31, 32) an die Planfläche (111, 121) der Mittelelektrode (1) befestigt ist, wobei der Funkenentladespalt mit G, der zwischen der Kopffläche (211, 221) der zweiten Elektrode (21, 22) und dem Verbindungsabschnitt (101, 102) der ersten Elektrode (1) befindliche minimale Spalt mit A und der zwischen der Kopffläche (211, 221) der zweiten Elektrode (21, 22) und dem Ende des Isolators (4) befindliche minimale Abstand mit B beizeiehnet ist, wobei die Spaltzwischenräume A, B und G den folgenden Beziehungen genügen: Zwischenraum A ≥ 1,2·Zwischenraum G; und Zwischenraum B ≥ Zwischenraum G.
Zündkerze zum Zünden eines verdichteten Luft-Kraftstoff-Gemisches in einem Verbrennungsmotor nach Anspruch 10, wobei das Stück (31, 32) in der Planfläche (111, 121) der ersten Elektrode (1) derart eingebettet und befestigt ist, dass die außenseitige Oberfläche des Stücks (31, 32) und die Planfläche (111, 121) bündig sind.
Zündkerze zum Zünden eines verdichteten Luft-Kraftstoff-Gemisches in einem Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei die erste Elektrode (1) drei Planflächen (131, 141, 151) hat, die sich in der Axialrichtung der ersten Elektrode (1) von der freien Endfläche erstrecken und die ferner zweite und dritte zweite Elektroden (23, 24, 25) aufweist, wobei Kopfflächen (231, 241, 251) der drei zweiten Elektroden jeweils den drei Planflächen (131, 141, 151) gegenüber stehen.