DE69112330T2

DE69112330T2 - Zündkerze für Verbrennungsmotor.

Info

Publication number: DE69112330T2
Application number: DE69112330T
Authority: DE
Inventors: Tunekazu Enomoto; Toru Moriya; Mitsutaka Yoshida
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1990-09-29
Filing date: 1991-09-27
Publication date: 1996-01-25
Anticipated expiration: 2011-09-28
Also published as: EP0479506A1; DE69112330D1; US5239225A; EP0479506B1; JP3079383B2; JPH04138685A

Description

Die Erfindung betrifft eine Zündkerze zur Verwendung in einer Verbrennungskraftmaschine und betrifft vor allem eine Zündkerze, die mit einem relativ einfachen Aufbau nasse oder trockene Kohlenstoffablagerungen durch einen Selbstreinigungsvorgang entfernen kann.
Bei einer Zündkerze zur Verwendung in Verbrennungskraftmaschinen ist ein rohrförmiger Isolator in einem Metallgehäuse vorgesehen. In dem Isolator ist eine Mittelelektrode derart vorgesehen, daß die Mittelelektrode thermisch durch eine Dichtungsmasse abgedichtet ist, und sie wird auf einem Schulterabschnitt gehalten, der an einer Innenwand des Isolators vorgesehen ist. Dann steht die Außenfläche der Mittelelektrode dicht mit einer Innenfläche des Isolators in Eingriff, um so fest von dem Isolator gehalten zu werden. Dadurch wird die Mittelelektrode vor Stößen geschützt, die durch die Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemisches in dem Brennraum verursacht werden, da der vordere Abschnitt der Mittelelektrode dem Brennraum ausgesetzt ist.
Während des Betriebs der Zündkerze kommt es unvermeidlich zu einem sehr geringen Zwischenraum zwischen der Außenfläche der Mittelelektrode und der Innenfläche des Isolators. Dieser Zwischenraum kann das Luft-Kraftstoff-Gemisch durch Kapillar- Wirkung hineinziehen und dieses in Form von Tröpfchen aus flüssigem Kraftstoff zurückhalten. Diese so zurückgehaltenen Tröpfchen bleiben dort, ohne daß sie durch die Verwirbelung, die eine Begleiterscheinung der Verbrennung ist, wieder zurückversetzt werden. Der flüssige Kraftstoff absorbiert Kohlenstoffpartikel, wodurch der Isolierwiderstand zwischen dem Isolator und der Mittelekektrode herabgesetzt wird, was zu Fehlzündungen führt.
Andererseits wird der Isolierwiderstand zwischen dem Isolator und der Mittelelektrode auch durch eine Ablagerung von trockenem Kohlenstoff, die sich zwischen der Außenfläche der Mittelelektrode und der Innenfläche des Isolators befindet, reduziert, die ebenfalls Fehlzündungen verursacht.
Die EP-A-0287080 zeigt eine Zündkerze mit einer abgestuften Mittelelektrode und einem parallelseitigen oder sich nach innen erstreckenden Isolator um das abgestufte Ende der Elektrode herum. Der Gattungsbegriff des Anspruchs 1 beruht auf dieser Offenbarung.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Zündkerze vorgesehen mit einem Metallgehäuse, einem rohrförmigen Isolator, der in dem Metallgehäuse vorgesehen ist, einer Mittelelektrode, die in dem Isolator vorgesehen ist und zwischen dem vorderen Ende der Mittelelektrode und einer Außenelektrode, die sich ausgehend von dem Metallgehäuse erstreckt, eine Funkenstrecke bildet, ersten und zweiten abgestuften Abschnitten, die an dem vorderen Abschnitt der Mittelelektrode derart vorgesehen sind, daß sie eine Vielzahl von Zwischenräumen zwischen der äußeren Wand der Mittelelektrode und der inneren Wand des Isolators bilden, wobei aufeinanderfolgende abgestufte Abschnitte in Richtung auf das vordere Ende der Mittelelektrode einen verringerten Durchmesser aufweisen, wobei der zweite abgestufte Abschnitt das vordere Ende bildet, dadurch gekennzeichnet, daß ein kegelförmiger Abschnitt mit einem größer werdenden Durchmesser in Richtung auf das vordere Ende der Zündkerze an der Innenwand an dem vorderen Ende des Isolators vorgesehen ist, und daß die größenmäßigen Beziehungen zwischen L1, L2, L3, L4, L5 und L6 folgendermaßen lauten:
L1 ≥ 0,4 mm, 1,0 mm ≥ L2 ≥ 0,3 mm,
L3 ≥ 0,2 mm, L4 ≥ 0,3 mm,
L5 ≥ 0,1 mm, L6 ≥ 0,1 mm,
wobei L1 = der radiale Abstand zwischen dem äußersten Umfang des kegelförmigen Abschnitts und der seitlichen Außenfläche des zweiten abgestuften Abschnitts,
L2 = die axiale Länge des ersten abgestuften Abschnitts,
L3 = der radiale Abstand zwischen den äußersten und innersten Umfängen des kegelförmigen Abschnitts,
L4 = der axiale Abstand zwischen der vorderen Außenfläche des ersten abgestuften Abschnitts und dem innersten Umfang des kegelförmigen Abschnitts,
L5 = der Unterschied im Radius zwischen den ersten und zweiten abgestuften Abschnitten, und
L6 = der Unterschied im Radius zwischen dem ersten abgestuften Abschnitt und dem Hauptkörper der Mittelelektrode.
Die Vielzahl an abgestuften Abschnitten und der kegelförmige Abschnitt wirken dahingehend, daß sie die Verbrennungsverwirbelung hineinlassen, um so die Tröpfchen flüssigen Kraftstoffs zu entfernen, die eventuell zwischen der Mittelelektrode und dem Isolator zurückgehalten werden, und somit wird verhindert, daß Kohlenstoffpartikel zwischen der Mittelelektrode und dem Isolator hängenbleiben, wodurch der Verminderung des Isolierwiderstands entgegengewirkt wird.
Die abgestuften Abschnitte machen Gebrauch von den Funken zwischen der Mittelelektrode und der Masseelektrode, um einen Selbstreinigungsvorgang und das Entfernen trockener Kohlenstoffablagerungen zwischen der Mittelelektrode und dem Isolator zu ermöglichen.
Durch die Erfindung kann eine Zündkerze vorgesehen werden, die Ablagerungen von Kohlenstoffpartikeln und trockenem Kohlenstoff reduzieren kann und verhindern kann, daß der Isolierwiderstand ungünstigerweise verringert wird, was zu einer verlängerten Nutzungsdauer mit einer relativ einfachen Struktur beiträgt.
Die Erfindung wird aus der nachfolgenden Beschreibung besser verständlich, wenn diese zusammen mit den beigefügten Zeichnungen betrachtet wird, die nur beispielshalber angegeben sind, und in denen:
Fig. 1 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist, wobei die linke Seite der Zündkerze im Schnitt gezeigt ist.
Fig. 2 eine vergrößerte Teilansicht der Zündkerze von Fig. 1 ist.
Fig. 3 eine der Fig. 2 ähnliche Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung ist; und
Fig. 4 eine Teilansicht einer Zündkerze ist, die die Abmessungen L1, L2, L3, L4, L5 und L6 veranschaulicht.
Es wird nun Bezug auf Fig. 1 genommen, die eine Zündkerze 1 zur Verwendung in einer Verbrennungskraftmaschine zeigt. Die Zündkerze 1 weist ein zylindrisches Metallgehäuse 8 auf, das ein Außengewinde 10 aufweist, damit die Zündkerze 1 auf einem (nicht gezeigten) Zylinderkopf der Verbrennungskraftmaschine angebracht werden kann. In dem Metallgehäuse 8 ist ein rohrförmiger Isolator 2 mit seinem Innenraum als einer axialen Bohrung 7 konzentrisch angeordnet. In dem Isolator 2 ist eine Anschlußelektrode 6 und eine Mittelelektrode 3 jeweils so angeordnet, daß sie sich jeweils in einer konzentrischen und wärmeisolierenden Beziehung zu dem Isolator 2 befinden. Die Anschlußelektrode 6 ist über eine elektrisch leitende Dichtungsmasse 4a, einen Widerstand 5 und eine elektrisch leitende Dichtungsmasse 4b starr mit der Mittelelektrode 3 in Reihe angeordnet. Ein vorderer Abschnitt der Mittelelektrode 3 ragt aus dem vorderen Ende des Isolators 2 heraus, um an einem vorderen Ende der Mittelelektrode 3 eine Zündungsspitze 3a zu bilden. Die Zündungsspitze 3a erstreckt sich etwas über ein vorderes Ende des Isolators 2 hinaus, damit zwischen der Zündungsspitze 3a und einer Masseleektrode 9, die sich ausgehend von dem Metallgehäuse 8 nach unten erstreckt, ein Elektrodenabstand (Gp) gebildet wird.
An dem vorderen Abschnitt der Mittelelektrode 3 sind ein erster abgestufter Abschnitt 13a und ein zweiter abgestufter Abschnitt 13b als eine Vielzahl von abgestuften Abschnitten vorgesehen, um einen Zwischenraum 14 zwischen einer Außenwand der Mittelelektrode 3 und einer Innenwand des Isolators 2 zu bilden, wie in Fig. 2 gezeigt ist. In diesem Fall sind die abgestuften Abschnitte 13a, 13b so angeordnet, daß ihr Durchmesser in Richtung auf das vordere Ende der Mittelelektrode 3 stetig abnimmt. An dem vorderen offenen Ende 11 des Isolators 2 ist ein kegelfärmiger Abschnitt 12 an der Innenwand des Isolators 2 durch Abschrägen des vorderen offenen Endes 11 des Isolators 2 vorgesehen. Es sei angemerkt, daß der sich verjüngende Abschnitt 12 als eine ringförmige Aussparung 15 mit vergrößertem Durchmesser vorgesehen werden kann, wie in Fig. 3 gezeigt ist.
Wie in Fig. 4 gezeigt ist, sind die größenmäßigen Beziehungen zwischen L1, L2, L3, L4, L5 und L6 folgendermaßen festgelegt:
L1 ≥ 0,4 mm, 1,0 mm ≥ L2 ≥ 0,3 mm,
L3 ≥ 0,2 mm, L4 ≥ 0,3 mm,
L5 ≥ 0,1 mm, L6 ≥ 0,1 mm,
wobei L1 = der radiale Abstand zwischen dem äußersten Umfang des kegelförmigen Abschnitts 12 und der seitlichen Außenfläche des zweiten abgestuften Abschnitts 13b,
L2 = die axiale Länge des ersten abgestuften Abschnitts 13a,
L3 = der radiale Abstand zwischen den äußersten und innersten Umfängen des kegelförmigen Abschnitts 12,
L4 = der axiale Abstand zwischen der vorderen Außenfläche des ersten abgestuften Abschnitts 13a und dem innersten Umfang des kegelförmigen Abschnitts 12,
L5 = der Unterschied im Radius zwischen dem ersten abgestuften Abschnitt 13a und dem zweiten abgestuften Abschnitt 13b, und
L6 = der Unterschied im Radius zwischen dem ersten abgestuften Abschnitt 13a und dem Hauptkörper der Mittelelektrode 3.
Mit dem so beschriebenen Aufbau ermöglicht es die Beziehung L1 ≥ 0,4 mm, daß der kegelförmige Abschnitt 12 die Verbrennungsverwirbelung in den Zwischenraum 14 einführen kann, um Tröpfchen aus flüssigem Kraftstoff zu entfernen, die zwischen dem Isolator 2 und der Mittelelektrode 3 zurückgehalten werden, um so zu verhindern, daß der Isolierwiderstand zwischen diesen ungünstigerweise verringert wird. Ansonsten absorbieren die Tröpfchen aus flüssigem Kraftstoff Kohlenstoffpartikel und setzen den Isolierwiderstand herab.
Was die ersten und zweiten abgestuften Abschnitte 13a, 13b betrifft, so ermöglicht es die speziell festgelegte Beziehung von L4 ≥ 0,3 mm, daß Ausbreitungen des Funkens entlang dem kegelförmigen Abschnitt 12 zwischen dem vorderen Ende des Metallgehäuses 8 und dem zweiten abgestuften Abschnitt 13b eingeführt werden können, wenn sich eine Anhäufung von Kohlenstoffablagerung an dem vorderen Ende des Isolators 2 befindet. Dadurch wird das Entfernen der trockenen Kohlenstoffablagerungen zwischen dem Isolator 2 und der Mittelelektrode 3 durch Verbrennen möglich, um so den Selbstreinigungsvorgang zu ermöglichen und den anfänglichen Isolierwiderstand des Isolators 2 tatsächlich aufrechtzuerhalten.
Wenn die Länge des ersten Stufenabschnitts 13a so bestimmt ist, daß sie in den Abmessungsbereich von 1,0 mm ≥ L2 ≥ 0,3 mm fällt, dann erlaubt es die größenmäßige Bestimmung, daß die Wärme, die sich am vorderen Ende der Mittelelektrode 3 angesammelt hat, effektiverweise direkt oder durch den Isolator 2 abgeführt wird, und somit wird der Wärmeableitungseffekt im Vergleich zum Stand der Technik verbessert, bei dem nur der zweite Stufenabschnitt an der Mittelelektrode vorgesehen ist.
Um zu beweisen, wie der Gegenstand der Erfindung im Vergleich zu der Vorrichtung aus dem Stand der Technik verbessert worden ist, bei der nur der zweite abgestufte Abschnitt an der Mittelelektrode vorgesehen ist und kein kegelförmiger Abschnitt an dem offenen vorderen Ende des Isolators vorgesehen ist, wurden Verschmutzungsversuche durchgeführt, wobei die Werte jeweils folgendermaßen festgelegt wurden: L1 = 0,9 mm, L2 = 0,5 mm, L3 = 0,5 mm, L4 = 0,1 mm, L5 = 0,3 mm und L6 = 0,1 mm.
Um einen Versuch aufgrund der Verschmutzung mit Kohlenstoffpartikeln durchzuführen, wurde die Zündkerze 1 auf einem Zweitaktmotor mit einem Hubraum von 78,5 Kubikzentimetern angebracht. Bei der Umgebungstemperatur von 0ºC, wobei der Choke zu 3/4 geschlossen war, wurde der Betrieb des Motors abwechselnd mit einem Leerlauf bei 1800 U/min über 10 Sekunden und einem Hochdrehen bei 1800 4500 U/min. über 10 Sekunden wiederholt, wobei der Leerlauf und das Hochdrehen als ein einziger Zyklus durchgeführt wurden. Die Beziehung zwischen der Anzahl der Zyklen und dem Isolierwiderstand ist in Tabelle 1 gezeigt, die angibt, wie der Isolierwiderstand im Vergleich zu dem bei der Vorrichtung aus dem Stand der Technik aufrechterhalten wurde.
Um einen Versuch aufgrund der Verschmutzung mit der trockenen Kohlenstoffablagerung durchzuführen, wurde die Zündkerze 1 auf einem Viertaktmotor mit einem Hubraum von 256 Kubikzentimetern angebracht. Bei der normalen Temperatur und dem Choke zu 3/4 geschlossen, wurde der Betrieb des Motors abwechselnd mit einem Leerlauf bei 1750 U/min. über 3 Minuten und einem Stillstand über 1 Minute wiederholt, wobei der Leerlauf und der Stillstand als ein Zyklus durchgeführt wurden. Die Beziehung zwischen der Anzahl der Zyklen und dem Isolierwiderstand ist in Tabelle 2 gezeigt, die angibt, wie der Isolierwiderstand verglichen mit der Vorrichtung des Standes der Technik aufrechterhalten wurde.
Wie in Tabelle 1 gezeigt ist, die eine Beziehung zwischen dem Isolierwiderstands (MΩ) und der Anzahl der Zyklen durch aneinandergereihte Kreise (o) bzw. Kreuze (x) gemäß der Zündkerze 1 des Gegenstands der Erfindung und auch der Vergleichsvorrichtung anzeigt, zeigt das Ergebnis, daß der kegelförmige Abschnitt 12 das Entfernen der Kohlenstoffpartikel erlaubt, wodurch der Isolierwiderstand vor Verschlechterung geschützt wird, was im Gegensatz zu der bereits bekannten Vorrichtung steht, bei der der Isolierwiderstand allmählich verschlechtert wird und bei der es bei 10 Zyklen zu einem Startversagen kommt.
Tabelle 2, die die gleiche Beziehung darstellt wie Tabelle 1, zeigt, daß obwohl der Isolierwiderstand allmählich verschlechtert wird, bis 6 Zyklen vollendet sind, es die größenmäßige Anordnung L4 ≥ 0,3 mm danach möglich macht, daß Ausweitungen des Zündfunkens entlang der kegelförmigen Oberfläche 12 zwischen dem vorderen Ende des Metallgehäuses 8 und den ersten und zweiten Stufenabschnitten 13a, 13b eingeführt werden können, wodurch die trockene Kohlenstoffablagerung durch Verbrennen entfernt werden kann und der Isolierwiderstand wiederhergestellt werden kann, um so Fehlzündungen zu verhindern. Dies zeigt, wie der Antiverschmutzungseffekt verglichen mit der Vorrichtung nach dem Stand der Technik, bei der der Isolierwiderstand allmählich verschlechtert wird und bei 8 Zyklen ein Startversagen verursacht, verbessert wird. Tabelle 1 Isolierwiderstand (MΩ) o: Gegenstand der Erfindung x: Vergleichsvorrichtung (Startversagen) Anzahl der Zyklen Tabelle 2 Isolierwiderstand (MΩ) o: Gegenstand der Erfindung x: Vergleichsvorrichtung (Startversagen) Anzahl der Zyklen
Wie aus der oben aufgeführten Beschreibung verständlich wird, ist der kegelförmige Abschnitt an dem vorderen Ende des Isolators vorgesehen, und gleichzeitig sind die Stufenabschnitte an dem vorderen Abschnitt der Mittelelektrode vorgesehen.
Der kegelförmige Abschnitt bewirkt, daß Tröpfchen aus flüssigem Kraftstoff, die zwischen der Mittelelektrode und dem Isolator zurückgehalten werden, entfernt werden und verhindert somit, daß sich teilchenförmiger Kohlenstoff zwischen der Mittelelektrode und dem Isolator verfängt, wodurch einer Verringerung des Isolierwiderstands entgegengewirkt wird.
Die abgestuften Abschnitte erlauben auch die Entfernung der trockenen Kohlenstoffablagerung durch Verbrennen zwischen der Mittelelektrode und dem Isolator und verhindern eine Zündkerzenfehlzündung, wodurch ein Startversagen verhindert wird und ein Beitrag zur Ersparnis beim Kraftstoffverbrauch geleistet wird.
Es sei angemerkt, daß die ersten und zweiten abgestuften Abschnitte jeweils abgeschrägt sein können.
Außerdem ist es selbstverständlich, daß die abgestuften Abschnitte separat hergestellt werden können, so daß die abgestuften Abschnitte fest an dem vorderen Ende der Mittelelektrode angelötet oder hartgelötet werden können.

Claims

1. Zündkerze (1) mit einem Metallgehäuse (8), einem rohrförmigen Isolator (2), der in dem Metallgehäuse (8) vorgesehen ist, einer Mittelelektrode (3), die in dem Isolator (2) vorgesehen ist und zwischen dem vorderen Ende (3a) der Mittelelektrode (3) und einer Außenelektrode (9), die sich ausgehend von dem Metallgehäuse (8) erstreckt, eine Funkenstrecke (Gp) bildet, ersten und zweiten abgestuften Abschnitten (13a, 13b), die an dem vorderen Abschnitt der Mittelelektrode (3) derart vorgesehen sind, daß sie eine Vielzahl von Zwischenräumen (14) zwischen der äußeren Wand der Mittelelektrode und der inneren Wand des Isolators bilden, wobei aufeinanderfolgende abgestufte Abschnitte in Richtung auf das vordere Ende der Mittelelektrode (3) einen verringerten Durchmesser aufweisen, wobei der zweite abgestufte Abschnitt (13b) das vordere Ende bildet, dadurch gekennzeichnet, daß ein kegelförmiger Abschnitt (12) mit einem größer werdenden Durchmesser in Richtung auf das vordere Ende der Zündkerze an der Innenwand an dem vorderen Ende (11) des Isolators vorgesehen ist, und daß die größenmäßigen Beziehungen zwischen L1, L2, L3, L4, L5 und L6 folgendermaßen lauten:

L1 ≥ 0,4 mm, 1,0 mm ≥ L2 ≥ 0,3 mm,

L3 ≥ 0,2 mm, L4 ≥ 0,3 mm,

L5 ≥ 0,1 mm, L6 ≥ 0,1 mm,

wobei L1 = der radiale Abstand zwischen dem äußersten Umfang des kegelförmigen Abschnitts (12) und der seitlichen Außenfläche des zweiten abgestuften Abschnitts (13b),

L2 = die axiale Länge des ersten abgestuften Abschnitts (13a),

L3 = der radiale Abstand zwischen den äußersten und innersten Umfängen des kegelförmigen Abschnitts (12),

L4 = der axiale Abstand zwischen der vorderen Außenfläche des ersten abgestuften Abschnitts (13a) und dem innersten Umfang des kegelförmigen Abschnitts (12),

L5 = der Unterschied im Radius zwischen den ersten und zweiten abgestuften Abschnitten (13a, 13b), und

L6 = der Unterschied im Radius zwischen dem ersten abgestuften Abschnitt (13a) und dem Hauptkörper der Mittelelektrode (3).

2. Zündkerze nach Anspruch 1, wobei der kegelförmige Abschnitt (12) des Isolators (2) durch Abschrägen hergestellt wird.

3. Zündkerze nach Anspruch 1, wobei der kegelförmige Abschnitt (12) des Isolators (2) durch mindestens eine innere ringförmige Stufe vorgesehen wird.

4. Zündkerze nach Anspruch 3, wobei der kegelförmige Abschnitt (12) des Isolators aus zwei oder mehreren inneren ringförmigen Stufen mit aufeinanderfolgend größer werdendem Durchmesser in Richtung auf die Vorderseite der Zündkerze besteht.

5. Verbrennungskraftmaschine mit einer Zündkerze gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche.