DE69024480T2 - Zündkerze mit einer massenelektrode in form eines offenen ringes - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Zündkerze für einen Verbrennungsmotor mit einer Metallhülse, die wenigstens teilweise einen Isolator umgibt, der eine leitende Zentralelektrode enthält, wobei die Zentralelektrode ein Bodenende besitzt, das aus dem Isolator an einem Bodenende der Zündkerze austritt, wobei das Bodenende der Zentralelektrode von einer Massenelektrode, die an die Metallhülse angebracht ist, durch wenigstens ein Halteelement beabstandet ist.
• Kommerziell erhältliche Zündkerzen für Verbrennungsmotoren, die zur Zeit weit verbreitet Anwendung finden, besitzen charakteristischerweise eine Mittelelektrode mit einem freiliegenden Ende an ihrer Basis, die von einer Massenelektrode beabstandet ist. Die Massenelektrode ist üblicherweise ein einzelner Arm, der an eine Kante der Kerze angeschweißt ist und über die Mittelelektrode mit im wesentlichen rechten Winkel hinüberragt. Obwohl diese Kerzen zufriedenstellend arbeiten, ist festgestellt worden, daß ihr grundsätzlicher Aufbau wesentlich den vollständigen Verbrennungszyklus in der Verbrennungskammer des Verbrennungsmotors stört. Dies ergibt eine Überhitzung von Zündkerzenteilen, eine unvollständige Verbrennung und die Erzeugung von Stickoxyden in der Verbrennungskammer.
• Versuche, das Zünden der Zündkerze zu verbessern und eine vollständigere Verbrennung in der Verbrennungskammer zu erreichen, haben bisher geringe Forschungsaufwand im Vergleich zu anderen Methoden des Verminderns von Automobil-Stickoxyd-Emissionen erfahren. Eine bekannte Zündkerze wird mit einer ringförmig sich verjüngenden spitz gebogenen Gabel als Zündkerzenmassenelektrode zum Zwecke des "Fortleitens von überschüssiger Wärme" vorgeschlagen. Die Zentralelektrode endet in einem Ort auf einer Ebene mit der Massenelektrode, so daß der Zündfunken im wesentlichen rechtwinklig zur Längsebene der Zündkerze verläuft. Eine solche Funkengeometrie ermöglicht keinen großen Oberflächenbereich, um eine aktive Verbrennung zu unterstützen.
• Die US-Patente 2 874 162 und 4 268 774 beschreiben Massenelektroden, die auseinanderlaufende Spitzen aufweisen. Eine solche Konfiguration vergrößert die Zündfunkenoberflächenbereiche und verbessert das Verbrennen in der Verbrennungskammer. Jedoch könnte noch eine weitere Verbesserung des Verbrennungswirkungsgrads in der Verbrennungskammer durch die Zündfunkenerzeugung erfolgen.
• Die EP-A-0 167 687 zeigt eine Zündkerze, die eine Massenelektrode in Form eines offenen runden Rahmens aufweist, der konzentrisch um eine Zentralelektrode angeordnet ist. Der Innendurchmesser des offenen Rundrahmens ist größer als der Durchmesser der Mittelelektrode, um so ein schräg abfallendes Entladungsmuster zu erzeugen.
• Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Zündkerze mit einer verbesserten Massenelektrode zu schaffen, die einen wesentlich vergrößerten Funken zwischen der Massenelektrode und der Mittelelektrode erzeugt, um hierdurch die Verbrennung in der Verbrennungskammer zu verstärken und mehr PS pro Liter Treibstoff, verringerte Stickoxydemissionen und verlängerte Zündkerzenlebensdauer zu bewirken.
• Nach der Erfindung wird die Zündkerze durch die Merkmale des unabhängigen Anspruches 1 gekennzeichnet.
• Die Lücke besitzt zwei parallele Kanten oder zwei radiale Kanten. Der Abstand der Kanten der Lücke reicht von 0 mm bis 2,5 mm. Das wenigstens eine Halteelement ist eine umgekehrt L-förmige Halteklammer. Ein Ende der umgekehrt L-förmigen Halteklammer ist in der Ebene der als offener Ring geformten Massenelektrode angeordnet. Die als offener Ring geformte Massenelektrode wird an der Metallhülse durch wenigstens drei voneinander beabstandete Halteelemente befestigt.
• Nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die als offener Ring geformte Massenelektrode einstückig mit und mit einem scharfen rechten Winkel zu wenigstens einem Halteelement geformt, wobei das Halteelement einstückig mit dem Befestigungsring an einem Ende entfernt von der Massenelektrode angeordnet ist, und der Befestigungsring in einer Ebene parallel zur als offener Ring geformten Massenelektrode verläuft.
• Vorzugsweise ist das untere Ende des Metallgehäuses eine Bolzenschürze, die über dem Befestigungsring umgebördelt ist, um die Massenelektrode in Position zu halten oder ist angeschweißt.
• Nach einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die als offener Ring geformte Massenelektrode an den Boden des Metallgehäuses angesetzt, besitzt einen einheitlichen Durchmesser, der die Mittelelektrode in einer Ebene ungefähr 0,89 bis 1,22 mm unterhalb der Mittelelektrode umgibt und hat eine Lücke mit parallelen Begrenzungen. Das rückwärtige Ende der offenringförmigen Massenelektrode ist mit einem scharfen rechten Winkel einstückig mit einem ersten Ende wenigstens eines Unterstützungselementes, wobei das Unterstützungselement einstückig mit einem Befestigungsring an einem zweiten Ende ist. Das Metallgehäuse besitzt eine untere Bolzenschürze mit voneinander beabstandeten Kerben an einer untersten Kante und ein ringförmiges Plateau an einer Innenfläche, wobei der Befestigungsring an seinen Platz auf dem ringförmigen Plateau durch Umbiegen der Bolzenschürze nach innen oder durch Schweißen gehalten ist, und die Lücke diametral gegenüberliegend zu dem wenigstens einen Unterstützungselement vorgesehen ist.
• Es ist festgestellt worden, daß ein gleichförmiger Durchmesser der offen-ringgeformten Massenelektrode, die auf einem Befestigungsausleger befestigt ist, der mit einem Befestigungsring in Verbindung steht, oder punktgeschweißt an einer Seite der Zündkerze angeschweißt ist, Vielfach-Zündbögen um die innere Oberfläche der Massenelektrode von der Zentralelektrode her erzeugt. Diese Vielfachfunken erzeugen eine vollständigere Verbrennung des Treibstoffs in der Verbrennungskammer um dadurch die PS des Motors zu vermehren, mit einer einhergehenden Verringerung der Stickoxydemission aus dem Motorauspuffsystem. Die Offen- Ringmassenelektrode ermöglicht eine maximale Zündfläche für jede mögliche Massenelektrodengestaltung. Die Tests beweisen, daß die Zündkerze nach der Erfindung 10 bis 150 kälter als herkömmliche Zündkerzen arbeitet, und daß sie unter höherem Druck pro m² (square-inch) als jede andere Zündkerze, die auf dem Markt erhältlich ist, weiterhin zündet.
• Die Erfindung wird am besten vom Durchschnittsfachmann unter Bezug auf die folgende ausführliche Beschreibung verstanden, wenn sie im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen genommen wird, wobei zu bemerken ist, daß die Zündkerze nur beispielhaft ist und so verändert werden kann, daß sie alle Merkmale der Ansprüche umfaßt:
• Fig. 1 zeigt eine maßstäbliche Darstellung des Ausführungsbeispiels der Zündkerze.
• Fig. 2 zeigt eine Explosionsdarstellung der Bestandteile der Massenelektrode in Bezug auf den Boden der Zündkerze der Fig. 1.
• Fig. 3 zeigt eine maßstäbliche Darstellung der Massenelektrode, die innerhalb einer Zündkerzenkappe der Zündkerze der Fig. 1 befestigt ist.
• Fig. 4 ist eine maßstäbliche Darstellung der Massenelektrode in der Zündkerzenkappe der Fig. 3, die das Verfahren des Verriegelns der Massenelektrode an ihrem Ort zeigt.
• Fig. 5 ist eine Bodendraufsicht auf die Zündkerze der Fig. 1.
• Fig. 6 ist eine Explosionsdarstellung eines alternativen Massenelektrodebestandteils in Bezug zur Zündkerzenkappe.
• Fig. 7 ist eine isometrische Darstellung der Massenelektrodenkomponente der Fig. 6, die am Ort angeschweißt ist.
• Fig. 8 ist eine seitliche Draufsicht auf eine Zündkerze der Fig. 1.
• Fig. 9 ist eine maßstäbliche Darstellung des Ausführungsbeispiels der Zündkerze.
• Fig. 10 ist eine Bodendraufsicht auf eine Zündkerze der Fig. 9.
• Fig. 11 ist eine Draufsicht auf einen ausgestanzten Rohling einer offen-ringförmigen Elektrode und der angebrachter Befestigungsausleger.
• Fig. 12 ist eine seitliche Ansicht einer offenringförmigen Elektrode und der befestigten Befestigungsausleger, die mit dem ausgestanzten Rohling der Fig. 11 realisiert ist.
• Über die gesamte folgende ausführliche Beschreibung beziehen sich die gleichen Bezugszeichen auf gleiche Elemente in allen Figuren. Die Zündkerze ist in einer Position mit dem Basisteil nach oben in den Zeichnungen dargestellt, um die Beschreibung zu erleichtern. Jedoch wird die Basis in ihrer normalen, nach unten gerichteten Position für die Zwecke der nachfolgenden Beschreibung betrachtet.
• Die Zündkerze 10, die in der Figur 1 dargestellt ist, ist eine Zündkerze für herkömmliche Innen-Verbrennungsmotoren mit der Ausnahme, daß die offen-ringförmige Massenelektrode 12 die stangenähnliche Massenelektrode ersetzt, die in herkömmlichen Zündkerzen zu beobachten ist. Die Zündkerze 10, die in der Figur 1 dargestellt ist, besitzt ein Endelement 14, das mit einem Zündspulenkabel (nicht dargestellt) in Verbindung steht. Ein Isolator hoher Qualität, wie zum Beispiel ein keramisches Material 16, umkapselt eine Mittelelektrode, die am Boden der Zündkerze 10 als freiliegende Elektrode 18 endet. Das keramische Material kann durch ein hochtemperaturfestes Polymer ersetzt werden. Der Bodenabschnitt der Zündkerze 10 besitzt eine Metallumhüllse 20 und einen Schraubenmutterabschnitt 22. Die Hülse 20 endet in einem Bolzen 24, der eine Bolzenschürze 26 besitzt. Der Innenabschnitt des Bolzens 24 hat die Form einer Schale 28. Die Mittelelektrode 18 ist im Zentrum der Schale 28 angeordnet. Zusätzlich besitzt die Innenfläche der Bolzenschürze 26 ein nach innen hervorstehendes ringförmiges Plateau 30.
• Die Massenelektrode 12 der Erfindung ist offenringförmig und besitzt eine Lücke 36, die durch die zwei Arme 32 und 34 gebildet ist, die zwei im wesentlichen parallele Kanten 36a und 36b besitzen. Der Abstand zwischen den parallelen Kanten 36a und 36b ist um 0 bis 0,98 Inch oder 0 bis 2,5 mm. Beabstandet von der Lücke 36 ist ein Befestigungsausleger 38 an einem ersten Ende 40 mit dem rückseitigen Ende der offen-ringförmigen Ringelektrode 12 befestigt und an einem zweiten Ende 42 an ein Befestigungsring 44.
• Beim Aufbau der Zündkerze nach der Erfindung besteht der Massenelektrodenbestandteil 46 aus einem Befestigungsring 44, dem Befestigungsausleger 38 und der offenringförmigen Elektrode 12, die vorteilhafterweise aus einem Metall hoher Qualität, wie zum Beispiel einer Nickel/Chrom-Legierung, einer Platin-Legierung oder dergleichen besteht. Der scharfe rechte Winkel 48 des Befestigungsauslegers 38 ist wichtig, um die Funkenqualität zu verbessern, wie im folgenden näher beschrieben wird.
• Der Massenelektrodenbestandteil 46 wird auf die Oberseite eines Plateaus 30, wie in der Figur 2 dargestellt, herabgelassen, wobei die Zündkerze 10 sich in einer-umgekehrten Position befindet. Kerben 50 werden vertikal in die Kanten 52 der Bolzenschürze 26 geschnitten. Die Metallabschnitte 54 zwischen den Kerben 50 werden umgebogen oder umgebördelt, wie in der Figur 4 dargestellt, über den Befestigungsring 44, um eine feste Befestigungsposition des Bestandteils 46 innerhalb des Bodens der Zündkerze 10 zu sichern. Die Entfernung 60 zwischen der Massenelektrode 12 der Oberseite 56 und der Bodenseite 58 der Mittelelektrode 18 ist 0,035 bis 0,045 Inch oder 0,89 bis 1,22 mm. Siehe Figur 8. Größere oder geringere Abstände können für Verbrennungskammern ungewöhnlichen Entwurfs oder für Treibstoffe, die statt Benzin benutzt werden, zum Beispiel Propan, Methanol oder Ethanol, nötig sein.
• Beim Zünden bewegt sich der elektrische Funke an der Mittelelektrode 18 entlang der Oberseite 56 der Elektrode 12. Der Winkel des Funkens von der Elektrode 18 zu der Oberseite 56 der Elektrode 12 ist kleiner als dreißig Grad und vorteilhafterweise kleiner als fünfzehn Grad aus der Längsachse der Zündkerze, wenn der Innendurchmesser der Massenelektrode gleich dem Außendurchmesser der Mittelelektrode ist, wie in Anspruch 1 beschrieben.
• Die offen-ringförmige Massenelektrode 12 nach der Erfindung wird sechs oder acht Zündmuster erzeugen, so daß die Flammenausbreitung um den Rand der Massenelektrode verbessert ist. Eine solch gleichmäßige Flammenausdehnung erzeugt eine bis zu zwanzig Prozent verstärkte PS- Leistung aus einer vorgegebenen Treibstoffmenge und ungefähr 1 - 2 km/pro Liter (drei bis sechs Meilen pro Gallone) verbesserten Treibstoffverbrauch. Zusätzlich ist eine Verringerung von fünfundzwanzig bis fünfunddreißig Prozent in den Kohlenwasserstoffverbindungen und einer Verringerung von CO, CO&sub2; und Stickoxyden in den Auspuffgasen. Als weiterer Vorteil ist die Lebensdauer einer Zündkerze wenigstens gegenüber einer herkömmlichen Zündkerze verdoppelt, da die Verteilung des Zündfunkens entlang der Arme 32 und 34 die Einzeltypverbrennung verhindern, die bei einer herkömmlichen Massenelektrode auftritt. Die Verbrennungskammer-Nachbrennzeit wird um mehr als 50 % verringert.
• Durch Gießen der Elektrode 12 kann eine größere Vielfalt bei der Verwendung des Metalls erreicht werden, um eine optimale Langlebigkeit der Elektrode 12 zu erreichen.
• Alternativ kann die Elektrode 12 aus einem Stück Metall ausgestanzt werden oder herausgefräst werden.
• Ein alternatives Ausführungsbeispiel der Erfindung wird in den Figuren 6 und 7 dargestellt, wobei der Befestigungsring 44 nicht benutzt wird, und die Massenelektrode 12a nur mit einem rechten Winkel 48a an einen Befestigungsausleger 38a befestigt ist, der an eine Kante 52a der Zündkerzenschürze 26a an dem zweiten Ende 42a punktgeschweißt ist. Das erste Ende 40a des Auslegers 38a ist an das rückseitige Ende der Massenelektrode 12a befestigt.
• Die Zündkerze der Figuren 9 und 10 umfaßt einen Massenelektrodenbestandteil 46, der aus einer offen-ringförmigen Massenelektrode 12 und drei Befestigungsauslegern 70 besteht, die an die Endfläche der Bolzenschürze 26 angeschweißt sind. Vorteilhafterweise ist die Anzahl der Befestigungsausleger 70 drei, aber diese Zahl kann verringert oder vergrößert werden.
• Nach dem Ausführungsbeispiel, das durch die Figuren 11 und 12 dargestellt ist, wird der Bestandteil 46 aus einer Metallplatte ausgestanzt, und die freien Endabschnitte 71 der Befestigungsausleger werden leicht gebogen, um in einer Ebene parallel zu der Ebene der offenringförmigen Massenelektrode angeordnet zu sein. Die verbesserte Zündkerze nach der Erfindung kann in herkömmlichen Verbrennungsmotoren für Automobile, Boote, Flugzeuge, Rasenmäher und ähnlich hergestellte Artikel dienen. Sie verbessert zudem die PS-Leistung in Doppel- Zündkerzen-Zylindern und in Verbrennungskammern mit verstärkten Turbulenzen.

Claims (6)

1. Eine Verbrennungsmotorzündkerze (10) mit einem Metallgehäuse (20), das wenigstens teilweise einen Isolator (16) umgibt, der eine leitende Mittelelektrode (18) enthält, die einen Bodenabschnitt (58) in Form eines Vollzylinders mit einer ebenen Oberfläche an einem Ende beabstandet vom Isolator besitzt, und der aus Isolator an einem Bodenende der Zündkerze hervorsteht, wobei das Bodenende der Mittelelektrode vertikal um ungefähr 0,89 bis 1,22 mm von einer Massenelektrode (12) beabstandet ist, die an dem Metallgehäuse befestigt ist.

dadurch gekennzeichnet, daß

- die Massenelektrode (12) einen offen-ringförmigen Zündabschnitt (32, 34) besitzt, der an das Metallgehäuse (20) über wenigstens einen einstückigen Befestigungsausleger (38) befestigt ist, wobei der Abschnitt eine Lücke (46) von 0 - 2,5 mm besitzt,

- ein Oberteil des Zündabschnittes der Massenelektrode mit einer Distanz zur und parallel zu der ebenen Bodenfläche der Mittelelektrode (18) befestigt ist,

- ein innerer Ringdurchmesser der Massenelektrode konzentrisch um die Mittelelektrode verläuft,

- der Tnnendurchmesser der Massenelektrode ungefähr gleich mit dem Außendurchmesser der Mittelelektrode ist, und

- ein Zündmuster der Mittelelektrode ein ringförmiges Ringmuster um die Oberseite des Mittelelektrodenzündabschnittes bildet.

2. Eine Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Massenelektrode (12) und der Befestigungsarm (38) einstückig mit einem Befestigungsring (44) ist, der in einer Ebene parallel zu der Massenelektrode und vertikal beabstandet durch wenigstens einen Befestigungsausleger (38) verläuft.

3. Eine Zündkerze nach Anspruch 2, dadurchgekennzeichnet, daß das Metallgehäuse (20) eine Bolzenschürze (26) an seinem unteren Ende umgebördelt über den Befestigungsring (44) besitzt, um die Massenelektrode (12) über dem Befestigungsring zu positionieren.

4. Eine Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolator (16) ein keramisches Material ist.

5. Eine Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser der Massenelektrode (12) 1 bis 1,1-mal so groß wie der Außendurchmesser der Mittelelektrode (18) ist.

6. Eine Zündkerze nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch drei Befestigungsausleger (70), die an der Massenelektrode (12) befestigt sind.