DE68914453T2 - Zündkerze. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Zündkerzen für Brennkraftmaschinen mit Fremdzündung.
• In einem Verbrennungsmotor können von einem Arbeitsspiel zum anderen erhebliche Schwankungen in der Verbrennung festgestellt werden, selbst wenn keine Unregelmäßigkeiten in der Luft- oder Kraftstoffversorgung des Motors vorliegen. Bei manchen Zyklen ist die Ausbreitung der Flammenfront sehr schnell, während andere eine langsamere Flammenausbreitung aufweisen, wodurch eine genaue Einstellung des Zündzeitpunktes bei allen Arbeitsspielen nur schwer zu erreichen ist.
• Diese Erscheinung ist bereits früher erkannt worden, und es sind Versuche unternommen worden, die Arbeitsspiele mit schneller und mit langsamer Verbrennung vorauszusagen, um so den Zündzeitpunkt entsprechend einzustellen, es hat sich jedoch gezeigt, daß diese Zündsysteme nicht leicht in der Praxis zur Anwendung gebracht werden konnten.
• Anstatt die Schwankungen von einem Arbeitsspiel zum anderen zu bekämpfen, nachdem sie aufgetreten sind, sucht die vorliegende Erfindung, eine der Hauptursachen dieser Schwankungen zu beheben.
• Erfindungsgemäß wird eine Zündkerze mit einem metallenen Gehäuse, einer Mittelelektrode und einem die Mittelelektrode umgebenden Isolator geschaffen, wobei das Ende des Isolators, das näher an der Funkenstrecke liegt, von dem metallenen Gehäuse der Zündkerze über einen Ringspalt beabstandet ist, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der von der Funkenstrecke entfernte Teil des Ringspaltes mit einem Füllmaterial ausgefüllt ist, welches eine niedrige Wärmeleitfähigkeit besitzt, um das tiefere Eindringen der Verbrennungsgase in den zwischen Isolator und metallenem Gehäuse der Zündkerze liegenden Spalt zu verhindern.
• Bei einer Zündkerze kommt es darauf an, daß die Mittelelektrode mit einer hohen Temperatur betrieben wird, um nicht zu verkrusten. Es ist ebenso wichtig, den Weg von der Mittelelektrode zum Zündkerzengehäuse so lange wie möglich zu gestalten, so daß es zu keinem Funkensprung oder Kriechfunken entlang der Isolatoroberfläche kommt, der das Überspringen des Funkens an der Funkenstrecke verhindern würde. Aus diesen Gründen ist die Mittelelektrode gewöhnlich von einem Isolator umgeben, der selbst von dem Zündkerzengehäuse beabstandet ist. Durch diese Anordnung wird die Oberfläche des Isolators verlängert, um Kriechströme zu vermeiden, und es wird eine thermische Barriere geschaffen, die eine Abkühlung des die Mittelelektrode umgebenden Isolators durch das Zündkerzengehäuse verhindert, so daß die Zündkerze mit der erforderlichen hohen Temperatur betrieben werden kann.
• Es wird jedoch allgemein angenommen, daß die unzureichende Spülung der Gase aus diesem schmalen Spalt, der einen Teil des Brennraumes bildet, Strömungsstörungen in der Nähe der Funkenstrecke bewirkt. Es ist bekannt, daß die Strömungsbedingungen und die Gemischkonzentration in unmittelbarer Nähe der Funkenstrecke in großem Maße verantwortlich sind für die Entstehung der Flamme, und dies wiederum beeinflußt die Verbrennungsgeschwindigkeit und die Ausbreitung der Flammenfront im Verbrennungstakt.
• Verschiedene bisher unerklärte experimentell festgestellte Tatsachen lassen darauf schließen, daß das Vorhandensein eines Luftspaltes in einer Zündkerze die Ursache für die Unregelmäßigkeiten von einem Arbeitsspiel zum anderen sind. So ist z.B. festgestellt worden, daß das Einspritzen von Luft in diesen Luftspalt der Zündkerze solche Schwankungen verringert. Auch hat sich gezeigt, daß Meßwerte für die Gemischkonzentration an der Funkenstrecke im wesentlichen konstant bleiben, trotz erheblicher Unterschiede in der Gesamtgemischkonzentration. Eine weitere Tatsache zur Untermauerung der Erkenntnis, daß Unterschiede von einem Arbeitsspiel zum anderen durch den Luftspalt der Zündkerze verursacht werden, ist, daß die eine bessere Spülung aufweisenden Wirbelkammer-Brennräume für solche Schwankungen weniger anfällig sind.
• Die Erfindung erkennt diese Ursache der Schwankungen von einem Arbeitstakt zum anderen und verringert das Problem dadurch, daß sie in der Zündkerze gefangene Gase daran hindert, an dem Verbrennungsprozeß teilzunehmen.
• Es sind bereits Vorschläge gemacht worden, einen Einsatz in den Spalt zwischen dem die Mittelelektrode umgebenden Isolator und dem Zündkerzengehäuse einzufügen, oder den Fluß in den den Isolator umgebenden Ringspalt zu drosseln. Keine der Anordnungen nach dem bisherigen Stand der Technik verringert jedoch die Schwankungen von einem Zyklus zum anderen, sie bei fassen sich vielmehr meistenteils mit der Temperaturcharakteristik der Zündkerze oder mit der Vermeidung von Verkrustungen.
• Die US-A-3,612,931 und US-A-3,743,877 beschreiben Zündkerzen mit einer Wärmebrücke, um bei niedrigeren Betriebstemperaturen den Effekt einer heißen Zündkerze zu erzielen. Die Wärmebrücke ist ein auf die Isolatorspitze aufgeklebter wärmeleitender Ring.
• In der GB-2 146 071 B ist ein Wärmeröhrchen in dem Raum zwischen dem Isolator und dem Zündkerzengehäuse angeordnet. Dies dient dazu, ein Mittel zu schaffen, den Temperaturbereich der Zündkerze automatisch zu verändern, um so die Kerze auf ihrer wirksamsten Temperatur zu halten.
• In der US-A-4,289,990 und US-A-4,211,952 ist in dem den Isolator umgebenden Spalt eine Drosselung eingearbeitet, die den Gasfluß verhindert, um so ein Verkohlen des Isolators zu vermeiden.
• In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Ringspalt zwischen dem Isolator und dem Zündkerzengehäuse mit einem zellartigen Füllstoff mit geringer Wärmeleitfähigkeit ausgefüllt, welcher den bei der Verbrennung auftretenden Temperaturen und Drücken standhalten kann und dennoch eine Wärmeausdehnung zuläßt. Es ist ein aus Mikrobläschen aus einem keramischen Werkstoff gebildeter Anstrich bekannt, welcher eine extrem niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweist. Ein Füllmaterial, das aus derartigen, in einem Bindemittel suspendierten Mikrobläschen besteht, kann gewährleisten, daß die Mittelelektrode nicht durch einen Wärmeabfluß durch das Füllmaterial abgekühlt wird.
• Die vorliegende Erfindung wird nun beispielartig näher erläutert, anhand der beiliegenden Zeichnung, welche einen Teilschnitt durch eine erfindungsgemäße Zündkerze zeigt.
• Die in der Zeichnung dargestellte Zündkerze weist ein Metallgehäuse 18 auf, sowie eine Mittelektrode 16, die über einen Isolator 14 von dem Metallgehäuse 18 getrennt ist. Die die Funkenstrecke bestimmende Masseelektrode liegt in einer von der Zeichnung abweichenden Ebene und ist daher nicht dargestellt.
• Bei einer herkömmlichen Zündkerze ist der Spalt zwischen dem Isolator 14 und dem Metallgehäuse 18 leer. Dies diente, wie bereits erwähnt, nach dem bisherigen Stand der Technik dazu, eine angestrebte Temperatur der Isolatoroberfläche einzuhalten, um so deren Verschmutzung zu verhindern und sicherzustellen, daß es zu keinem Kriechstrom an der Oberfläche des Isolators 14 kommt.
• Es hat sich nun gezeigt, daß der Ringspalt in der Zündkerze einen Teil des Brennraumes bildet, der nur unzureichend gespült wird. Verbrannte Gase verbleiben in diesem Spalt am Ende des Arbeitstaktes und können die Einleitung der Verbrennung im folgenden Arbeitstakt beeinträchtigen. In der vorliegenden Erfindung sollen die Gase daran gehindert werden, in den Spalt zwischen dem Isolator 14 und dem Gehäuse 18 der Zündkerze einzudringen, ohne daß dabei auch gleichzeitig die Mittelelektrode gekühlt wird oder ein Kurzschlußpfad geschaffen wird, über welchen der Funke kriechen kann.
• Zur Lösung dieser Aufgaben wird wenigstens ein von der Funkenstrecke entfernter Teil des Spaltes zwischen dem Isolator 14 und dem Zündkerzengehäuse 18 mit einer Füllmasse 12 mit sehr schlechter Wärmeleitfähigkeit ausgefüllt. Der Isolator kann sich dabei dennoch erwärmen, da nur wenig Wärme über die Füllmasse 12 abfließt, außerdem erreicht die nur wenig gekühlte Oberfläche der Füllmasse 12 hohe Temperaturen (im wesentlichen die gleiche Temperatur wie die Verbrennungsgase) und verhindert so jegliche Kohleablagerung, welche zur Entstehung von Kriechströmen führen könnte.
• Es ist neuerding sein Anstrich (ein Abfallprodukt der Raumfahrttechnik) erhältlich, der eine extrem niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweist. Ein rotglühendes Stahlblech, welches an seinem einen Ende mit einem solchem Anstrich beschichtet ist, kann in aller Sicherheit an seinem beschichteten Ende mit bloßer Hand gehalten werden. Man nimmt an, daß dieser Anstrich Mikrobläschen eines keramischen Werkstoffes enthält, wobei die darin gefangene Luft die äußerst schlechte Wärmeleitfähigkeit bedingt.
• Werden solche Mikrobläschen zur Bildung einer Füllmasse mit einem Bindemittel vermischt, dann dürfte die daraus entstehende Füllmasse eine vergleichbare Wärmeleitfähigkeit aufweisen und insbesondere zum Ausfüllen des Ringspaltes zwischen dem Isolator 14 und dem Zündkerzengehäuse 18 geeignet sein.
• Abgesehen von der Gegenwart der Füllmasse 12 ist die Zündkerze im wesentlichen konventionell aufgebaut, und aus diesem Grund wird eine weitere Beschreibung der Konstruktion und Herstellung der Zündkerze für überflüssig gehalten.

Claims (2)

1. Zündkerze mit einem metallenen Gehäuse (18), einer Mittelelektrode (16) und einem die Mittelelektrode umgebenden Isolator (14), wobei das Ende des Isolators (14), das näher an der Funkenstrecke liegt, von dem metallenen Gehäuse (18) der Zündkerze über einen Ringspalt beabstandet ist, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der von der Funkenstrecke entfernte Teil des Ringspaltes mit einem Füllmaterial (12) ausgefüllt ist, welches eine niedrige Wärmeleitfähigkeit besitzt, um das tiefere Eindringen der Verbrennungsgase in den zwischen Isolator (14) und metallenem Gehäuse (18) der Zündkerze liegenden Spalt zu verhindern.

2. Zündkerze nach Anspruch 1, worin das Füllmaterial aus einem Bindemittel und einer Suspension von Mikro-Bläschen aus einem Keramikwerkstoff besteht.