DE60100653T2 - Gleitentladungszündkerze mit radialem Funken - Google Patents

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DE60100653T2 DE2001600653 DE60100653T DE60100653T2 DE 60100653 T2 DE60100653 T2 DE 60100653T2 DE 2001600653 DE2001600653 DE 2001600653 DE 60100653 T DE60100653 T DE 60100653T DE 60100653 T2 DE60100653 T2 DE 60100653T2
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01TSPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T13/00Sparking plugs
    • H01T13/52Sparking plugs characterised by a discharge along a surface

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet der Zündkerzen für einen Verbrennungsmotor, der insbesondere für den Einbau in ein Kraftfahrzeug vorgesehen ist.
  • Genauer gesagt betrifft die Erfindung eine besondere Ausgestaltung einer Zündkerze mit Oberflächeneffekt, das heißt, die einen Effekt der Verstärkung des elektrischen Feldes in der Nähe einer isolierenden Oberfläche ausnutzt.
  • Eine derartige Kerze ist zum Beispiel in der Veröffentlichung FR 2 771 558 und den noch nicht veröffentlichten Patentanmeldungen FR 99/09473 und FR 99/04733 im Namen der Anmelderin beschrieben, sowie in der EP 0 055 658 .
  • Gemäss diesen Veröffentlichungen gibt es mehrere Geometrien für Zündkerzen, die insbesondere dadurch gekennzeichnet sind, dass sie einen gleitenden Zündfunken erzeugen, das heißt einen Zündfunken, der sich entlang des Isolators ausbreitet, welcher die Mittenelektrode, an die die Hochspannung gelegt wird, von der Massenelektrode trennt, wobei die Elektrode mit dem Kerzengehäuse zusammen wirkt oder gelegentlich auch ein Teil des Kerzengehäuses ist.
  • Je nach dem gewählten Beispiel kann die Massenelektrode mit der Oberfläche des Isolators eine ringförmige Aussparung begrenzen oder mit dieser Oberfläche in direktem Kontakt stehen, wobei jedoch in jedem Fall die vom Zündfunken entweder in der Luft oder auf dem Isolator zurückgelegte Strecke so klein sein muss, dass von einem Oberflächenfunken gesprochen werden kann. Daneben ist es erforderlich für eine genaue Verstärkung des Feldes entlang des Isolators eine möglichst große Potentialdifferenz zwischen der inneren und der äußeren Seite des Isolators zu erzeugen und zwar entlang des gesamten Weges des Funkens.
  • Eine mögliche Verwirklichung besteht darin, eine Gegenelektrode zu verwenden, die im Isolator gegenüber dem Bereich der Oberfläche angeordnet ist, entlang dem der Zündfunken ausgebildet wird.
  • Diese Elektrode kann eine der beiden Elektroden der Kerze sein, wie es in den Patentanmeldungen FR 99/09473 und FR 99/04733 beschrieben ist. Gemäss anderen Ausführungsbeispielen kann die Gegenelektrode auch in das Innere der Keramik integriert sein und damit unabhängig von den Betriebselektroden, zwischen denen die Hochspannung angelegt wird und die mit einer der Betriebselektroden elektrisch zusammen wirkt. Auch hierbei können die Ausführungsbeispiele unterteilt werden, wobei zum einen die genannte Gegenelektrode eine der Elektroden der Kerze direkt berührt und zum anderen von dieser Elektrode durch eine Isolatorschicht getrennt ist, sodass eine kapazitive Kopplung besteht. Dies ist der Fall bei der in der Veröffentlichung FR 2 771 558 beschriebenen Kerze, von der als nächstliegendem Stand der Technik ausgegangen wird.
  • In allen Fällen besteht bei der Verwirklichung einer derartigen Kerze mit Oberflächenfunken das Problem, eine Geometrie der Kerze zu schaffen, bei der eine Gegenelektrode integriert werden muss, die sich in der Nähe des Isolators erstreckt unter Beibehaltung des Raumbedarfs, der mechanischen Festigkeit und des dielektrischen Widerstandes sowie des thermischen Verhaltens, die kompatibel sind mit den Bedingungen für den Einsatz in einem Zylinderkopf für ein Kraftfahrzeug.
  • Zur Einhaltung dieser Anforderungen sind die meisten Kerzen mit Oberflächenfunken, wie sie oben beschrieben worden sind, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Isolatorschicht mit einem dielektrischen Koeffizienten größer 1 aufweisen, im wesentlichen zylindrisch ausgestaltet sind und mehr oder minder in die Verbrennungskammer ragen, wobei der das Ende der Mittenelektrode von der Massenelektrode trennende Isolator direkt auf dem zurückspringenden Kerzengehäuse angeordnet ist.
  • 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer derartigen oben beschriebenen Gleitfunkenkerze.
  • Die Geometrie der darin dargestellten Kerze ist ähnlich derjenigen, wie sie in der von der Anmelderin hinterlegten französischen Patentanmeldung FR 99/07433 beschrieben ist, wobei sie sich unter anderem dadurch auszeichnet, dass sie einen Funken mit großer Länge erzeugt, der auf der dielektrischen Oberfläche 100 gleitet zwischen dem Ende 101 der Mittenelektrode 102 und dem Flansch 103, der am Ende des Kerzengehäuses 104 ausgebildet ist. Diese Kerze ist eine Gleitfunkenkerze mit Längs- oder Axialfunken, der über den Isolator in einer Richtung gleitet, die im wesentlichen parallel zur Achse der Kerze ist.
  • Der Unterschied zum Aufbau einer herkömmlichen Kerze besteht in erster Linie darin, dass keine in die Verbrennungskammer vorspringende Massenelektrode vorhanden ist und dass am Ende der Mittenelektrode 102 ein scheibenförmiger Ring 101 mit dem Durchmesser des Isolators vorgesehen wird um einer Abnutzung der Keramik 100 an ihrem spitzen Winkel 105 vorzubeugen.
  • Wie oben ausgeführt verwendet diese Art von Kerze einen Effekt der Verstärkung des elektrischen Feldes in der Luft und in der Nähe des Isolators 100, der die Mittenelektrode 102 umgibt. Daneben verstärkt der zylindrische metallische Bereich in Form des Flansches 103 am Ende des Kerzengehäuses 104 die Verstärkung des Feldes durch einen Krümmungseffekt. Wird also eine Hochspannung an die Mittenelektrode 102 gelegt, so ist die Verstärkung des Feldes entlang der Oberfläche maximal in der Nähe des Gehäuses und führt zu einem Überschlag entlang dieser Fläche.
  • Danach gleitet der Funken entlang des Isolators vom Flansch 103 bis zum Ende 101 der Mittenelektrode. Während dieser Ausbildung sorgt das Dielektrikum 100 für eine Verstärkung des elektrostatischen Feldes in der Luft und in seiner Nähe, wodurch die Fortbewegung der elektronischen Ladung entlang der Oberfläche unterstützt wird.
  • Mit den Spannungen für das Auftreten des Überschlags zwischen 5 kV und 25 kV ist es ohne weiteres möglich, Funkenlängen in der Größenordnung von 4 bis 5 mm zu erhalten, verglichen mit weniger als 1 mm bei einer herkömmlichen Kerze. Der dabei entstehende Funken ist parallel zur Achse der Kerze. Außerdem kann bei einer derartigen Kerze auf Grund der Symmetrie der Ausgestaltung der Überschlag an irgend einer beliebigen Stelle entlang des Umfangs des Isolators erfolgen.
  • Ein erster Nachteil eines derartigen Aufbaus, bei dem der Funken in Längsrichtung im Zylinder erzeugt wird, ist gerade in der Tatsache begründet, dass der Weg des Funkens entlang des Isolators nicht genau definierbar ist. In einem derartigen Fall deckt nämlich der Isolator in systematischer Weise einen Teil der Verbrennungskammer vom Zündfunken ab. Die willkürliche Verteilung der Funken um den Isolator herum und die Dispersion der Anreicherung an Kraftstoff im Zylinder, die nicht immer vernachlässigbar ist, kann zu Fällen führen, in denen der Zündfunken auf einem Bereich des Isolators ausgebildet wird, an dem die Anreicherung des Gemisches nicht mehr ausreicht um die Verbrennung einzuleiten. Dieser Nachteil ist dann besonders schwerwiegend, wenn der Motor mit einem schichtförmigen Gemisch betrieben wird, bei dem der Anteil des Kraftstoffs im Gemisch dem stöchiometrischen Verhältnis entspricht, was üblicherweise zu einem sogenannten mageren Gemisch führt.
  • Wie oben ausgeführt bringt die Geometrie einer Zündkerze mit Oberflächeneffekt sehr große Asymmetrien hinsichtlich der Verteilung des elektrischen Feldes entlang ihrer Außenseite mit sich. Der Krümmungseffekt oder Spitzeneffekt, der durch die abgeschrägte Ausgestaltung des Flansches hervorgerufen wird, trägt zu einer Erhöhung dieser Asymmetrie bei, ebenso wie die elektronischen Ladungen, die bei der Ausbildung des Funkens auftreten, welche immer von dem Flansch 103 ausgehen. An diesen Stellen ist das elektrostatische Feld mehr als zehn Mal stärker als das Feld am Ende 101 der Mittelelektrode 102. Die Spannung beim Überschlag für Gleitfunkenkerzen ist umso geringer, je stärker das elektrische Feld an diesen Stellen ist.
  • Daneben ist es vorteilhaft zur Verringerung der Spannung für den Überschlag bei einer Zündkerze dafür zu sorgen, dass die Verstärkung des Feldes an der heißesten Stelle der Kerze stattfindet, sofern die Spannung des Überschlags für die Erzeugung des Funkens sich umgekehrt zur Dichte des Gases ändert.
  • Ein weiterer Nachteil der Zündkerzen mit axial ausgerichteten Zündfunken ist darin zu sehen, dass die maximale Verstärkung des Feldes an relativ kalten Stellen der Kerze auftritt, verglichen mit zum Beispiel dem Ende der Mittelelektrode.
  • Schließlich kann es noch von Bedeutung sein für bestimmte Fälle verschiedene Ausrichtungen des Verlaufs des Zündfunkens in der Verbrennungskammer vorzusehen.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile zu vermeiden und einen neuartigen Aufbau einer Zündkerze mit Oberflächenfunken zu schaffen, der sich deutlich von den bekannten oben beschriebenen Aufbauten unterscheidet.
  • Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit einer Zündkerze die die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale aufweist.
  • Gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Zündfunken in radialer Richtung zwischen dem Zündkerzengehäuse und der Mittenelektrode entlang der Oberfläche eines Isolators erzeugt, dessen dielektrischer Koeffizient größer als 1 ist und der das Gehäuse von der Mittenelektrode trennt.
  • Gemäss einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung erstreckt sich die Gegenelektrode für die Verstärkung des elektrischen Feldes entlang der Oberfläche des Isolators senkrecht zur Achse der Kerze und parallel zur Oberfläche des Isolators, auf der der Funken erzeugt wird.
  • Gemäss einem anderen Merkmal der vorliegenden Erfindung ist der Quotient aus dem Abstand, der die Mittenelektrode von der Gegenelektrode trennt und der relativen Permittivität des Isolators im wesentlichen kleiner als die Länge des sich in der Luft entlang der Oberfläche ausbreitenden Funkens.
  • Gemäss einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung weist die Mittenelektrode ein aufgeweitetes Ende auf, das sich entlang der Oberfläche des Isolators erstreckt gegenüber der Gegenelektrode, wobei das Ende eine abgeschrägte Gestalt aufweist mit einem Winkel von weniger als 45 Grad.
  • Gemäss einem anderen Merkmal der vorliegenden Erfindung kann die Massenelektrode direkt in dem Material ausgebildet sein, aus dem der Zylinderkopf besteht.
  • Die Ziele, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden durch die nachfolgende Beschreibung mehrerer bevorzugter nicht begrenzender Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit der beigefügten Zeichnung; darin zeigen:
  • 1 eine herkömmliche Zündkerze mit Oberflächeneffekt,
  • 2 einen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer abnehmbaren Zündkerze mit radial verlaufendem Oberflächenfunken nach der Erfindung,
  • 3 einen Teilschnitt mit vergrößerter Darstellung des Endabschnitts der in 2 gezeigten Kerze, zur Verdeutlichung der besonderen Ausgestaltung des Kontaktbereichs zwischen dem Isolator und dem Kerzengehäuse, sowie der Krümmungsradien des Gehäuses und des Isolators,
  • 4 einen Längsschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel einer abnehmbaren Zündkerze mit radial verlaufendem Oberflächenfunken nach der Erfindung,
  • 5 einen Teilschnitt in vergrößerter Darstellung durch ein drittes Ausführungsbeispiel einer Zündkerze mit radialem Oberflächeneffekt, die direkt in den Zylinderkopf integriert ist,
  • 6 eine zu 5 ähnliche Ansicht eines vierten Ausführungsbeispiels einer Zündkerze mit radialem Oberflächeneffekt, die direkt in den Zylinderkopf integriert ist und
  • 7 eine zu 5 ähnliche Ansicht eines fünften Ausführungsbeispiels einer Zündkerze mit radialem Oberflächeneffekt, die direkt in den Zylinderkopf integriert ist.
  • In 1 ist der grundsätzliche Aufbau einer Gleitfunkenzündkerze dargestellt unter Bezugnahme auf eine zum Beispiel aus der Patentanmeldung FR 99/07433 bekannten Geometrie.
  • In 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer Zündkerze mit Oberflächeneffekt in Form eines radial verlaufenden Zündfunkens gemäss der Erfindung dargestellt.
  • Diese Zündkerze ist axialsymmetrisch zu ihrer Längsachse D ausgestaltet und dient zum Einsetzen in den Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors.
  • Mit 204 ist darin eine zylindrische Elektrode für Niederspannung bezeichnet, die als Kerzengehäuse ausgebildet ist und in eine Aufnahmeöffnung im Zylinderkopf mittels eines Gewindes 205 eingeschraubt wird, das über eine vorgegebene Länge eines Außenbereichs vorgesehen is. Das Gehäuse 204 berührt den Zylinderkopf über eine Schulter 207 und ist damit elektrisch mit der Masse verbunden.
  • Das Gehäuse 204 umgibt eine Hochspannungselektrode 202, die zum Beispiel zylindrisch ausgestaltet ist, die mittig angeordnet ist und die mit der Zündspule einer Zündanlage verbunden wird, welche die Hochspannung erzeugt. Die Mittenelektrode 202 ist von dem Gehäuse 204 über eine isolierende Buchse 200 getrennt, die aus einem isolierenden Material mit einem dielektrischen Koeffizienten größer 1 besteht, wie zum Beispiel Keramik.
  • Die isolierende Buchse 200 weist eine im wesentlichen zylindrische Gestalt auf, wobei ihr unteres Ende 208 dergestalt geformt ist, dass es einen kreisförmigen Flansch bildet, dessen Durchmesser größer ist als derjenige der Buchse selbst; dieser kreisförmige Flansch wirkt an einer Seite mit einer Schulter 212 zusammen, die im Gehäuse 204 ausgebildet ist, während die gegenüber liegende Seite eine Fläche 206 aufweist, die zur Verbrennungskammer hin ausgerichtet ist.
  • Für die Halterung der isolierenden Buchse 200 in ihrer Stellung sorgt der Endabschnitt 201 der Mittenelektrode 202, der aufgeweitet ist und der sich damit in Radialrichtung entlang der Fläche 206 der isolierenden Buchse 200 erstreckt, wobei er sich auf dieser Fläche 206 über eine vorgegebene Länge abstützt. Der Endabschnitt 201 der Mittenelektrode, der die isolierende Buchse 200 abdeckt, ist ferner durch eine Abschrägung gekennzeichnet, die mit der Endfläche 206 der isolierenden Buchse 200 einen Winkel von weniger als 45 Grad einschließt.
  • Die dadurch gebildete scharfe Kante am Ende der Kappe 201 der Mittenelektrode 200 trägt zu einer Verstärkung des elektrischen Feldes bei auf Grund des Krümmungseffektes, wobei das Feld an dieser Stelle der Kerze bereits durch die eingangs erwähnten Oberflächeneffekte verstärkt worden ist. Die durch das Ende des Gehäuses 203 und den Endabschnitt mit größerem Durchmesser der Kappe 201 definierte Länge entspricht im wesentlichen der Länge des erzeugten Funkens, wenn eine Hochspannung an die Mittenelektrode 202 der Kerze nach der Erfindung gelegt wird, sodass ein Überschlag stattfindet entlang der Fläche 206 der isolierenden Buchse zwischen der Mittenelektrode 202 und dem Gehäuse 204.
  • Daneben trägt die Kappe 201 am Ende der Mittenelektrode 202 gemäss dem ersten Ausführungsbeispiel nach der Erfindung zur Halterung und zur Abdichtung der isolierenden Buchse 200 durch Spannungskräfte bei, mit denen das gegenüber liegende Ende 211, auch oberes Ende genannt, der Mittenelektrode 202 mit Hilfe einer Anordnung beaufschlagt wird, die noch näher erläutert werden wird.
  • 3 zeigt eine vergrößerte Ansicht des unteren Abschnitts der in 2 dargestellten Kerze. Aus dieser Ansicht geht die besondere Ausgestaltung des Kontaktbereichs zwischen der Kappe 201 der Mittenelektrode 202, dem Flansch 208 der isolierenden Buchse 200 und der Schulter 212 am Gehäuse 204 hervor im Hinblick auf den Erhalt einer guten Abdichtung nach dem Zusammenbau, eines hohen Widerstandes des Isolators gegen elektrostatische Einflüsse und im Hinblick auf die Vermeidung einer Beschädigung des Flansches 208 durch Kräfte, die auf die Fläche 215 einwirken ausgehend von der Kappe 201 in Richtung Flansch 208, wenn die oben erwähnte Anordnung zur Beaufschlagung wirksam ist.
  • Ein erster Aspekt, der zu berücksichtigen ist um zu vermeiden, dass örtliche zu große elektrostatische Belastungen in der isolierenden Buchse 200 auftreten, besteht darin, sicher zu stellen, dass die Gegenelektrode keine spitzen Winkel gegenüber der Mittenelektrode 202 aufweist. Aus diesem Grund beträgt der Krümmungsradius des Verbindungsbereichs 216 auf der Schulter 212 mehr als 1 mm gegenüber der Mittenelektrode 202.
  • Daneben ist es im Fall der Verwendung von Keramik als isolierendem Material wichtig, dafür zu sorgen, dass der Flansch 208 am Ende der isolierenden Buchse 200 während der Montage keinen Biegebeanspruchungen ausgesetzt wird.
  • Hierzu ist es erforderlich, dass die Stützbereiche 213 und 215, über die der Flansch 208 einerseits mit der Schulter 212 und andererseits mit der Kappe 201 zusammen wirkt, so exakt wie möglich zueinander ausgerichtet sind. In diesem Fall ist das durch die Anordnung zur Beaufschlagung im Flansch 208 bewirkte Biegemoment minimal. Um dies zu gewährleisten ist es erforderlich, dass der Kontaktbereich zwischen dem Flansch 208 und der Schulter 212 in genauer Weise zur Mittenachse D der Kerze ausgerichtet ist, wobei während des Zusammenbaus der Bauteile ein geringes Spiel 214 in der Größenordnung von zum Beispiel einigen Zehntel Millimeter vorzusehen ist und zwar zwischen der unteren Seite des Flansches 208 auf Höhe seines größten Durchmessers und der im Gehäuse ausgebildeten Schulter 212.
  • Aus 2 geht ferner hervor, wie die Kappe 201 für eine Halterung der isolierenden Buchse 200 sorgt unter Beibehaltung der Abdichtung mittels der Flächen 215 und 213, die zusammenwirken durch die noch näher zu beschreibende bereits erwähnte Anordnung zur Beaufschlagung.
  • Die Kappe 201 ist fest mit der Mittenelektrode 202 verbunden, wobei eine mechanische Halteanordnung 209 Zugkräfte auf das obere Ende 211 dieser Elektrode 202 ausübt. Durch diese Zugkräfte in der Elektrode 202 wird das untere Ende 201 in Kontakt gehalten mit dem Flansch 208 entlang der Fläche 215, wobei der Flansch 208 auch mit seiner anderen Seite mit der Schulter 212 im Gehäuse 204 zusammenwirkt.
  • Nach dem Zusammenbau erhält man eine perfekt feste, steife und dichte Anordnung, die Drücken von bis zu mehreren zehn Bar widersteht, wenn die Anordnung nach der Erfindung in den Zylinderkopf eines Motors eingesetzt wird.
  • Die bereits erwähnte Anordnung zur Beaufschlagung 209 kann zum Beispiel aus einem zylindrischen Teil bestehen, das mit einem Gewinde versehen ist, das mit einem entsprechenden Gewinde am Ende 211 der Elektrode 202 zusammen wirkt und sich am Gehäuse 204 abstützt und zwar entweder direkt oder aber, wie es in 2 dargestellt ist, über ein Zwischenteil 210.
  • Mit der nach der Erfindung ausgestalteten Geometrie der Kerze mit radialer Fläche wird eine Kerze mit Oberflächenfunken geschaffen, die eine Verstärkung des elektrischen Feldes entlang der Fläche 206 des Isolators 200 aufweist, der die Mittenelektrode 202 vom Kerzengehäuse 204 trennt.
  • Der Unterschied zur bekannten Geometrie einer Kerze mit Oberflächeneffekt liegt in der Tatsache, dass die Gegenelektrode, die im vorliegenden Fall vom Kerzengehäuse 204 gebildet wird, sich senkrecht zur Achse D der Kerze erstreckt, sodass eine Verstärkung des Feldes in Radialrichtung entlang der Außenfläche 206 des Isolators erfolgt, die der Verbrennungskammer gegenüber liegt.
  • Diese besondere Geometrie, mit der ein Funken erzeugt wird, der sich senkrecht zur Achse D der Kerze ausbildet, wird erhalten durch das Zusammenwirken der Schulter 212 mit dem Kerzengehäuse 204, das die Rolle der Gegenelektrode übernimmt und durch die Form der isolierenden Buchse 200, die für die Ausbildung eines radialen Funkens geeignet ist, im Gegensatz zu Längsfunken oder Axialfunken, die von Kerzen mit Oberflächenfunken erzeugt werden, wie sie aus den bereits erwähnten von der Anmelderin stammenden Patentanmeldungen FR 99/09473 und FR 99/04733 bekannt geworden sind.
  • 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Zündkerze mit Radialfunken, bei der die Gegenelektrode nicht mehr in das Kerzengehäuse 304 integriert ist, sondern ein eigenständiges eingesetztes Teil ist, das zum Beispiel als leitende metallische Scheibe oder Ring 312 ausgebildet ist.
  • Bei diesem Ausführungsbeispiel wirkt der Ring 312 elektrisch mit dem Gehäuse 304 zusammen, entweder über eine direkte Berührung oder über eine kapazitive Verbindung mittels einer dünnen Schicht aus Luft oder aus einem Isolator, die das Gehäuse 304 von dem Ring 312 trennt. In allen Fällen besitzt der Ring 31 ein Potential, das im wesentlichen gleich demjenigen des Kerzengehäuses 304 ist.
  • Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Ring 312 in eine Aussparung eingesetzt, die in der Buchse 300 ausgebildet ist und erstreckt sich damit radial bezüglich der Fläche 306 des Isolators, sodass eine Verstärkung des Feldes auf dieser Fläche erfolgt, die die Ausbildung eines Funkens auf der Fläche 306 unterstützt.
  • Dieses zweite Ausführungsbeispiel weist außerdem eine Schulter 313 auf, die im Gehäuse 304 ausgebildet ist und die der Abdichtung zwischen der isolierenden Buchse 300 und dem Kerzengehäuse 304 dient und zwar mittels einer Anordnung 309 zur Beaufschlagung der Mittenelektrode 302, die ähnlich derjenigen ist, wie sie im Zusammenhang mit dem vorhergehenden Beispiel beschrieben worden ist.
  • Dieses zweite Ausführungsbeispiel weist den Vorteil auf, verglichen mit dem ersten Ausführungsbeispiel nach 2, dass gegebenenfalls eine kapazitive elektrische Verbindung zwischen der Gegenelektrode 312 und dem geerdeten Gehäuse 304 geschaffen werden kann, wodurch es möglich ist, die Amplitude des elektrischen Feldes zu modulieren, das die isolierende Buchse 300 durchsetzt. Eine Möglichkeit dafür besteht zum Beispiel darin, den Ring 312, der die Gegenelektrode bildet, in die isolierende Buchse 300 einzusetzen.
  • Daneben besteht noch ein weiterer Vorteil für dieses zweite Ausführungsbeispiel, der darin zu sehen ist, dass in einfacher Weise die Temperatur der isolierenden Buchse 300 beeinflusst werden kann durch Veränderung der Stellung in Längsrichtung des Kontaktbereichs 313 zwischen der isolierenden Buchse 300 und dem Gehäuse 304.
  • Unabhängig vom gewählten Ausführungsbeispiel weist diese Zündkerze mit Radialfunken den wesentlichen Vorteil auf, dass unabhängig vom Weg des Funkens, der in willkürlicher Weise entlang der Oberfläche 206, 306 variiert, die isolierende Buchse 200, 300 nicht länger den Funken teilweise bezüglich der Verbrennungskammer verdeckt, wie es bei den Kerzen mit axialem Oberflächenfunken der Fall ist.
  • Eine Zündkerze mit radialem Funken weist außerdem den Vorteil auf, eine maximale Verstärkung des elektrischen Feldes zu bewirken, das auf Höhe des Außendurchmessers der Kappe 201 besteht, die am Ende der Mittenelektrode angeordnet ist. Diese Stelle entspricht außerdem während des Betriebes der Kerze dem heißesten Ort, wobei diese Tatsache, wie weiter oben ausgeführt, zu einer Absenkung der für den Überschlag erforderlichen Spannung führt.
  • Mit einer nach der Erfindung ausgestalteten Kerze mit radialem Oberflächenfunken können also alle Vorteile beibehalten werden, wie sie auch bei den herkömmlichen Kerzen mit Längsflächen bestehen, das heißt eine Verringerung der für den Überschlag erforderlichen Spannung für eine gegebene Länge des Funkens, einen großen Widerstand gegen Abnutzung, eine erhöhte Robustheit gegen Verkrustung und eine bessere Zündfähigkeit unter Vermeidung der durch die besondere Geometrie dieser Kerzen mit Längsfunken bedingten Nachteile.
  • Auf Grund ihres Aufbaus eignet sich ferner die Zündkerze mit radialem Oberflächenfunken besonders gut für eine Integration der Kerze in den Zylinderkopf, die durch die oben beschriebenen besonderen Merkmale der Oberflächenkerze ermöglicht wird und insbesondere durch deren Langlebigkeit und ihre Robustheit gegen Verkrustung.
  • Eine feste, das heißt nicht abnehmbare Integration einer Kerze in den Zylinderkopf bietet zahlreiche Vorteile, darunter die Einsparung des nicht mehr erforderlichen Kerzengehäuses und die Erhöhung des Freiheitsgrades bei der Auslegung der Oberseite des Motors, da dann keine Wege mehr vorgesehen werden müssen für das Angreifen eines Werkzeuges, sowie eine Verkleinerung der Kerze.
  • Es sei in diesem Zusammenhang betont, dass durch eine Optimierung des Einlasses eine weitere Verbesserung der Füllung und der Verteilung für jeden Zylinder ermöglicht werden kann.
  • Daneben ermöglicht eine Verringerung der Größe der Kerze auch eine Optimierung der Wasserkühlung, wodurch ein besserer Kühleffekt für den Zylinderkopf erzielbar ist, durch den wiederum das Motorklingeln verringert werden kann.
  • Schließlich kann auch eine Integration in den Zylinderkopf die Verwendung von nicht axialsymmetrischen Kerzen ermöglichen.
  • Die 5, 6 und 7 zeigen ein drittes, ein viertes und ein fünftes Ausführungsbeispiel einer Kerze mit radialem Oberflächenfunken gemäss der Erfindung, die das Merkmal aufweisen, direkt in einen Zylinderkopf integriert werden zu können, das heißt, nicht abnehmbar sind.
  • In 5 ist eine Mittenelektrode 402 dargestellt, die von einer isolierenden Buchse 400 umgeben ist, wobei dieser Aufbau direkt in die Wand eines Zylinderkopfes 404 integriert ist.
  • Der Unterschied zwischen den beiden Ausführungsbeispielen gemäss 5 und 6 liegt in der Ausgestaltung der Kappe 401, die am Ende der Mittenelektrode 402 vorgesehen ist. Beim dritten Ausführungsbeispiel erstreckt sich die Kappe teilweise entlang der Fläche 406 des Flansches 408, während beim vierten Ausführungsbeispiel diese in den Flansch 408 dergestalt integriert ist, dass sie nicht mehr aus der Fläche 406 herausragt.
  • Bei den Ausführungsbeispielen nach 5 und 6 ist die Geometrie der Mittenelektrode 402 und des Isolators 400 ähnlich derjenigen einer abnehmbaren Kerze mit radialem Oberflächenfunken, wie sie in 1 dargestellt ist. Der Unterschied besteht in der Niederspannungselektrode.
  • Diese Elektrode, die ursprünglich durch das abnehmbare Kerzengehäuse gebildet wurde, wird vorteilhafterweise bei diesem Beispiel durch das Metall 404 des Zylinderkopfes ersetzt. Der Zylinderkopf 404 weist eine Aussparung auf, die in einer Schulter 412 endet, die direkt im Material derart ausgebildet ist, dass dieses mit dem Isolator 400 zusammen wirkt, der die Form eines umgedrehten Stiftes aufweist, wie es im Zusammenhang mit 2 beschrieben wurde. Die Schulter 412 übernimmt die Rolle der Gegenelektrode und ermöglicht auch eine Verstärkung des elektrischen Feldes auf der Fläche 406 des Isolators 400.
  • Bei diesen Ausführungsbeispielen weist das Ende 403 der im Zylinderkopf 404 vorgesehenen Aussparung eine Stufenform auf, mit der eine Begrenzung der Abnutzung des Materials erzielt wird durch Hervorrufen einer für die Einleitung der Verbrennung vorteilhaften Turbulenz.
  • Gemäss dem fünften Ausführungsbeispiel in 7 ist die isolierende Buchse 400 ähnlich derjenigen in 4 ausgebildet. In diesem Fall wird die Gegenelektrode 412 durch Giessen eines Vorsprungs in die isolierende Buchse 400 hergestellt, womit gleichzeitig ein fester Sitz des Materials in dem Zylinderkopf verbunden ist und nicht mehr nur ein Sitz der Kappe 401 am Ende der Elektrode 402.
  • Dieses Beispiel bietet eine vorteilhafte Lösung für den Fall einer direkten Integration bereits während des Gießvorgangs der Bauteile Isolator und Mittenelektrode.
  • Es sei betont, dass die Erfindung nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist, die nur der Erläuterung dienen.

Claims (9)

  1. Zündkerze mit radialem Oberflächenfunken, die zur Ausstattung eines Zylinderkopfes (404) für einen Verbrennungsmotor bestimmt ist und die die Ausbildung eines Zündfunkens in der Luft entlang einer Fläche (206, 306, 406) eines Isolators (200, 300, 400) mit einem dielektrischen Koeffizienten größer als 1 ermöglicht, der eine Mittenelektrode (202, 302, 402) von einem Kerzengehäuse (204, 304) trennt, das elektrisch mit der Masse verbunden ist, wobei die Mittenelektrode (202, 302, 402) und der Isolator (200, 300, 400) sich im wesentlichen entlang einer Vorzugsrichtung D erstrecken, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche (206, 306, 406) sich im wesentlichen senkrecht zur Achse D der Kerze erstreckt, dass eine Gegenelektrode (212, 312, 412) in Radialrichtung gegenüber dieser Fläche (206, 306, 406) angeordnet ist, wobei die Gegenelektrode (212, 312, 412) ein Potential aufweist, das im wesentlichen identisch zu demjenigen des Kerzengehäuses (204, 304) ist, sodass eine Verstärkung des elektrostatischen Feldes in der Luft entlang der Fläche (206, 306, 406) bewirkt wird, wenn eine Hochspannung an die Mittenelektrode (202, 302, 402) gelegt wird.
  2. Kerze mit radialem Oberflächenfunken nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Quotient aus dem Abstand, der die Mittenelektrode (202, 302, 402) von der Gegenelektrode (212, 312, 412) trennt und aus der relativen Permittivität des Isolators im wesentlichen kleiner ist als die Länge des sich in der Luft entlang der Fläche (206, 306, 406) ausbreitenden Funkens.
  3. Kerze mit radialem Oberflächenfunken nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenelektrode (212, 312, 412) weder spitze Winkel noch scharfe Kanten gegenüber der Mittenelektrode (202, 302, 402) aufweist.
  4. Kerze mit radialem Oberflächenfunken nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanten der Gegenelektrode (212, 312, 412) gegenüber der Mittenelektrode (202, 302, 402) einen Krümmungsradius (216) aufweisen, der größer als ein Millimeter ist.
  5. Kerze mit radialem Oberflächenfunken nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittenelektrode (202, 302, 402) ein auf geweitetes Ende (201, 401) aufweist, das sich entlang der Fläche des Isolators (200, 300, 400) gegenüber der Gegenelektrode (212, 312, 412) erstreckt, wobei dieses Ende in einer Abschrägung endet, die einen Winkel von weniger als 45 Grad bildet.
  6. Kerze mit radialem Oberflächenfunken nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenelektrode (212, 312, 412) direkt in dem Gehäuse (204, 304) der Kerze ausgebildet ist.
  7. Kerze mit radialem Oberflächenfunken nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenelektrode (312) ein eingesetztes Teil ist, insbesondere eine Ringscheibe, das in das Innere einer Aussparung eingesetzt ist, die im Inneren der isolierenden Buchse (300) ausgebildet ist und das elektrisch mit dem Kerzengehäuse (304) zusammen wirkt, entweder durch direkten körperlichen Kontakt oder durch eine kapazitive Verbindung, die durch eine dünne Schicht aus Luft oder aus einem Isolator gebildet wird, die das Kerzengehäuse (304) von der Gegenelektrode (312) trennt.
  8. Kerze mit radialem Oberflächenfunken nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kerzengehäuse direkt in dem Material ausgebildet ist, aus dem der Zylinderkopf (404) des Verbrennungsmotors besteht.
  9. Kerze mit radialem Oberflächenfunken nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aus dem Isolator (400) und der Mittenelektrode (402) bestehende Einheit beim Giessen des Zylinderkopfes(404) in diesen integriert wird.
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