DE69927906T2

DE69927906T2 - Zündsystem

Info

Publication number: DE69927906T2
Application number: DE69927906T
Authority: DE
Inventors: Yoshihiro Nagoya-shi Matsubara; Akio Nagoya-shi Kokubu; Kazumasa Nagoya-shi Yoshida; Makoto Nagoya-shi Yamaguchi; Kazuya Nagoya-shi Iwata; Shoichiro Nagoya-shi Ito; Hiroshi Nagoya-shi Ono
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1998-11-09
Filing date: 1999-11-09
Publication date: 2006-07-20
Anticipated expiration: 2019-11-10
Also published as: EP1001502A3; EP1001502B1; DE69927906D1; EP1001502A2; US20020167225A1; US6617706B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Zündsystem, das zur Zündung einer Verbrennungskraftmaschine verwendet wird, und insbesondere ein Zündsystem, das eine Zündkerze verwendet, die wirksam zündgereinigt werden kann, um ein hohes Selbstreinigungsvermögen aufzuweisen.
Bei Zündkerzen mit Parallelelektroden, bei denen die distale Endfläche einer Zentralelektrode in Gegenüberlage zu einer Erdungselektrode angeordnet ist, ist die erforderliche Spannung an der negativen Polarität kleiner und somit ist diese Art von Zündkerzen verbreitet in Zündsystemen negativer Polarität, die eine negative Hochspannung an die Zentralelektrode anlegen, verwendet worden. Dementsprechend werden selbst Halbgleitfunkenentladungs-Zündkerzen oder intermittierende Halbgleitfunkenentladungs-Zündkerzen, die eine Vielzahl von Seiten-Erdungselektroden, die der peripheren Seite der Zentralelektrode zugewandt sind, aufweisen, häufig mit Zündsystemen negativer Polarität verwendet.
Andererseits treten bei Verbrennungskraftmaschinen, die eine hohe Leistung und Leistungsabgabe haben, insbesondere bei Verbrennungsmotoren für Krafträder, Probleme des Bruches der Erdungselektrode aufgrund mechanischer Schwingung und übermäßiger Erwärmung der Erdungselektrode auf. Es ist schwierig, die Parallelelektroden-Zündkerze in einer solchen Verbrennungskraftmaschine anzuwenden. Weiterhin weist die normalerweise verwendete Zündkerze ein Hauptmetallgehäuse auf, das einen kleinen Schraubendurchmesser hat, wie zum Beispiel M10S oder M8S (JIS B8031), das heißt kleiner als M14S. In diesem Fall muss die Querschnittsfläche der Erdungselektrode aufgrund der Größenbeschränkung des Hauptmetallgehäuses klein sein. Demzufolge ist der große Vorsprung der Erdungselektrode, wie der Parallelelektroden-Zündkerze, schwierig. Bei einer solchen Verbrennungskraftmaschine wird deshalb eine Mehrelektroden-Zündkerze verwendet, bei der eine Vielzahl von Erdungselektroden so bereitgestellt werden, dass sie in Gegenüberlage zu der peripheren Seite der Zentralelektrode angeordnet sind. Bei der Mehrelektroden-Zündkerze entsteht, wenn das Zündsystem negative Polarität aufweist, ein ernsthaftes Problem dahingehend, dass der Verschleiß der Zentralelektrode durch Kollision mit positiven Ionen großer Ionenmasse eintritt.
Da weiterhin das Problem der Verrußung während geringer Last rasch auftreten kann, sind Halbgleitfunkenentladungs-Zündkerzen oder intermittierende Halbgleitfunkenentladungs-Zündkerzen verwendet worden, bei denen eine Vielzahl von Erdungselektroden so bereitgestellt werden, dass sie in Gegenüberlage zu der peripheren Seite der Zentralelektrode angeordnet sind und dass der Zündfunke auf der Oberfläche des Porzellanisolators zwischen der Zentralelektrode und der Erdungselektrode verläuft. Bei solchen Gleitfunkenentladungs-Zündkerzen tritt eine sogenannte „Gleitfunkenentladung" auf, bei der der Funke auf der Oberfläche des Porzellanisolators verläuft. Dementsprechend kann das Problem der Kanalbildung auf der Oberfläche des Porzellanisolators rasch auftreten. Wenn die Kanalbildung fortbesteht, werden die Wärmebeständigkeit und die Zuverlässigkeit und Betriebssicherheit der Zündkerze herabgesetzt und die Lebensdauer der Zündkerze verkürzt sich.
Wenn der Durchmesser der Zentralelektrode klein gehalten wird, wird normalerweise die Entladungsspannung herabgesetzt, und damit verbessert sich die Zündfähigkeit. Jedoch insbesondere wenn der Durchmesser der Zentralelektrode der Zündkerze klein ist, was für das negative Zündsystem genutzt wird, verschleißt die Elektrode rasch, und die Erdungselektrode verschleißt teilweise. Dementsprechend wird die Lebensdauer der Zündkerze verkürzt, und sie kann nicht für praktische Verwendung genutzt werden.
EP-A-0 800 247 beschreibt ein Zündsystem gemäß des vorcharakterisierenden Abschnittes von Anspruch 1.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben festgestellt, dass wenn eine besondere Zündkerze verwendet wird, die Kanalbildungsbeständigkeit des Zündsystems in positiver Polarität, bei dem positive Spannung an die Zentralelektrode angelegt wird, besser ist als im Vergleich zu dem allgemeinen Zündsystem in negativer Polarität.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Zündsystem bereitzustellen, das für Verbrennungskraftmaschinen hoher Leistung und Leistungsabgabe verwendet wird, das in der Lage ist, Bruch und übermäßige Erwärmung der darin verwendeten Zündker ze zu verhindern, wobei das System eine hervorragende Zündfähigkeit, hohe Dauerhaftigkeit und Lebensdauer aufweist. Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht weiterhin darin, ein Zündsystem bereitzustellen, das Beständigkeit gegen Verrußung und Zündfähigkeit der darin verwendeten Zündkerze aufweist und gut gegen Kanalbildung beständig ist, wodurch sich seine Lebensdauer verlängert.
Gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Zündsystem bereitgestellt, das umfasst:
eine Mehrzahl von Zündkerzen, von denen jede eine Zentralelektrode, einen Isolator zum Halten der Zentralelektrode, ein Hauptmetallgehäuse zum Halten des Isolators und eine mit dem Hauptmetallgehäuse elektrisch verbundene Erdungselektrode umfasst; und
eine Spannungsanlegeeinheit zum Anlegen einer Zündhochspannung zwischen der Zentralelektrode und der Erdungselektrode von jeder der Zündkerzen;
wobei für jede Zündkerze ein Zündentladungsspalt zwischen der Erdungselektrode und einem distalen Endabschnitt der Zentralelektrode ausgebildet ist; und
die Erdungselektrode derart angeordnet ist, dass der hintere Rand einer Fläche in Gegenüberlage zu einer peripheren Seite der Zentralelektrode mehr an der Seite des distalen Endabschnittes der Zentralelektrode als an einem Endabschnitt des Isolators angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsanlegeeinheit eine Positivspannungsanlegeeinheit ist, bei der bei einer Zündentladung der jeweiligen Zündkerze nur eine gegenüber der Erdungselektrode positive Spannung an der Zentralelektrode von jeder der Zündkerzen anliegt.
Bei diesem Zündsystem, bei dem die Positivspannungsanlegeeinheit eine Zündspule umfassen kann, die eine Primärspule und eine Sekundärspule aufweist, wird ein in der Primärspule der Zündspule fließender Primärstrom in einer vorbestimmten Zündzeitspanne angehalten, damit die Zündhochspannung zwischen der Zentralelektrode und der Erdungselektrode der Zündkerze anliegt. Weiterhin kann bei diesem Zündsystem die Positivspannungsanlegeeinheit eine elektrische Energiequelle, die mit der Primärspule der Zündspule verbunden ist, und eine Steuereinheit zum Steuern der Zündzeitspanne des Primärstromes umfassen.
Bei dieser Ausführung treten weitere Zündsprünge, die durch Anlegen von Hochspannung erzeugt werden, nicht entlang der Oberfläche des Porzellanisolators auf. Insbesondere trat bei einem Versuch an Zündkerzen, die mit an die Zentralelektrode angelegter positiver Hochspannung betrieben wurden, ein deutlich erhöhter Anteil der Zündsprünge an der Spitze der Zentralelektrode auf, die von der Oberfläche des Porzellanisolators entfernt war. Dadurch konnten die Zündkerzen wirksam gezündet werden. Weiterhin nahm der Anteil der Zündsprünge entlang der Oberfläche des Porzellanisolators im normalen Betrieb drastisch ab, und die Möglichkeit, dass Zündfunken die Oberfläche des Porzellanisolators beschädigen, nimmt dementsprechend ab, so dass die Zündkerzen beständiger gegen Kanalbildung werden.
Die 24 und 25 sind Schnittdarstellungen des distalen Endabschnittes einer Zündkerze und zeigen, wie einzelne Teile der Zündkerze elektrisiert werden. 24 betrifft den Fall der vorliegenden Erfindung, bei dem positive Hochspannung an die Zentralelektrode 2 angelegt wird, und 25 betrifft den herkömmlichen Fall, bei dem negative Hochspannung an die Zentralelektrode 2 angelegt wird.
Zuerst wird in dem Fall der vorliegenden Erfindung, bei dem die Zentralelektrode 2 positive Polarität aufweist, die Oberfläche des Porzellanisolators 1, insbesondere seine Endfläche, durch dielektrische Polarisation negativ aufgeladen (siehe 24). Infolgedessen wird das elektrische Feld in der Nähe des vorderen Randes 11A der Erdungselektrode 11 stärker als das elektrische Feld in der Nähe des hinteren Randes 11B, und der Zündfunke wird von dem vorderen Rand 11A häufiger erzeugt als von dem hinteren Rand 11B. Jedoch ist der häufiger erzeugte Zündfunke an dem vorderen Rand 11A so weit entfernt von dem Porzellanisolator 1, dass Kanalbildung und andere unerwünschte Erscheinungen mit geringerer Wahrscheinlichkeit auftreten.
Zweitens: Selbst wenn der Zündfunke an dem hinteren Rand 11B der Erdungselektrode 11 erzeugt wird, werden die negativ geladenen Teilchen (zum Beispiel Elektronen), die den größeren Teil des Zündfunkens ausmachen, von der negativen Ladung an der Oberfläche des Porzellanisolators 1 abgestoßen, und der Zündfunke wird aufgrund elektrostatischer Abstoßung in einer Entfernung von dem Porzellanisolator 1 eher überspringen. Damit verringert sich die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Zündausbreitung entlang der Oberfläche des Porzellanisolators 1, und Kanalbildung aufgrund von Zündangriff tritt mit geringerer Wahrscheinlichkeit auf. Bei herkömmlichem Betrieb mit negativer Polarität andererseits wird die Oberfläche des Porzellanisolators 1 positiv aufgeladen (siehe 25). Infolgedessen wird der Zündfunke stärker zu der Oberfläche des Porzellanisolators 1 angezogen, wodurch sich die Möglichkeit des Auftretens von Kanalbildung erhöht.
Der dritte zu berücksichtigende Faktor ist der Unterschied in der Art der Koronaentladung, die ein Vorläufer der Funkenbildung ist. Der Funkenbildung geht normalerweise Koronaentladung voraus. Es wird allgemein davon ausgegangen, dass die Art der Koronaentladung das Verhalten der nachfolgend auftretenden Funkenbildung bestimmt. Die Koronaentladung verhält sich unterschiedlich an positiven und negativen Polen. Nehmen wir zum Beispiel den Fall, bei dem eine einer Planarelektrode entgegenstehende Nadelelektrode mit einer zunehmenden positiven Spannung versorgt wird. Im Niederspannungsstadium tritt lediglich Glimmentladung auf. Mit Zunahme der angelegten Spannung erstreckt sich der Glimmbaum von der scharfen Spitze der Nadelelektrode und bewegt sich schnell mit einem zischenden Geräusch, um eine Verschiebung der Bürstenentladung zu bewirken. Das erste Stadium der Bürstenentladung ist die Bürstenteilentladung, die sich zu einer Streamer-Teilentladung und weniger zu einer Funkenbildung entwickelt. Wenn die Nadelelektrode mit negativer Spannung versorgt wird, ändert sich die Entladungsart nicht so stark wie oben beschrieben. Mit zunehmender Spannung tritt eine Art von Entladung wie Glimmkorona in der Nähe der scharten Spitze der Nadelelektrode auf, und ein Glimmbaum tritt wahrscheinlich nicht auf.
Diese Theorie kann angewendet werden, um die Entladung zu beschreiben, die zwischen den Elektroden in einer Zündkerze auftritt. Zuerst betrachten wir den Fall bekannter Technik, der in 25 gezeigt wird und bei dem negative Spannung an die Zentralelektrode 2 angelegt wird. Die Ränder 11A und 11B der Erdungselektrode 11 können als positive scharfe Spitze angesehen werden, die der Nadelelektrode entspricht. Bürstenentladung tritt zuerst auf, und die Korona, die sich von diesen Rändern aus erstreckt, erreicht die Zentralelektrode 2 und bewirkt einen „Durchschlag" in der Funkenbildung. Da die höchste Feldstärke in der Nähe des hinteren Randes 11B auftritt, wird der von der Korona, die sich von diesem Rand 11B erstreckt, gebildete Entladungsweg wahrscheinlich entlang der Oberfläche des Porzellanisolators 1 verlaufen.
Wenn die Zentralelektrode 2 mit positiver Spannung wie in dem Fall der vorliegenden Erfindung in 24 gezeigt versorgt wird, kann der vordere Rand 2A der Zentralelektrode 2 als positive scharfe Spitze betrachtet werden, die der Nadelelektrode entspricht, und die sich von diesem Rand erstreckende Korona erreicht die Erdungselektrode 11, um „Durchschlag" zu bewirken. Da die Erdungselektrode 11 von dem Porzellanisolator 1 durch Luft getrennt ist, unterliegt die Konzentration des angelegten Feldes weniger den Einflüssen der Oberflächenladungen auf dem Porzellanisolator 1. Daher „schwimmt" der von der Korona erzeugte Entladungsweg über dem Porzellan 1 etwas, um die Wahrscheinlichkeit von Kanalbildung aufgrund von Funkenangriff zu reduzieren.
Der vierte Unterschied zwischen den 24 und 25 besteht darin, dass der Porzellanisolator 1 in Abhängigkeit von der Richtung der Koronaausbreitung in unterschiedlichem Maß beschädigt ist. Bei dem in 25 gezeigten Stand der Technik erstreckt sich Korona von der Erdungselektrode 11, und der Porzellanisolator 1 ist direkt der Beanspruchung starken Feldes ausgesetzt, wodurch sich die Möglichkeit von Perforation (Hohlraumbildung) des Porzellanisolators 1 durch Ionenkollision erhöht. Im Fall der in 24 gezeigten Erfindung andererseits erstreckt sich Korona von der Zentralelektrode 2 in Kontakt mit dem Porzellanisolator 1, und zusätzlich wird das Feld an dem Porzellanisolator 1 abgeschwächt. Dies wird die Wahrscheinlichkeit von Perforation des Porzellanisolators reduzieren, wodurch dieser beständiger gegen Kanalbildung wird.
Gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung hat der distale Endabschnitt der Zentralelektrode, bei dem die periphere Seite der Zentralelektrode in Gegenüberlage zu der Erdungselektrode ist, vorzugsweise einen Durchmesser von 2,0 mm oder weniger.
Bei dieser Ausführung wird bei Erzeugung der Gleitfunkenentladung die Zündreinigungswirkung für Reinigen von Verrußung verbessert, wodurch die Beständigkeit gegen Verrußung verbessert wird. Bei Durchführung der Lebensdauerprüfung unter Verwendung eines Zündsystems, bei dem positive Hochspannung an die Zentralelektrode der Mehrelektroden-Zündkerze angelegt wird, ist der Elektrodenverschleiß weiterhin wesentlich verringert im Vergleich zu dem Zündsystem mit negativer Polarität. Der Grund kann wie folgt betrachtet werden. Während der Entladung bewegt sich ein zwischen dem Zündentladungsspalt vorliegendes positives Ion zu der negativen Elektrode hin und stößt mit dieser zusammen, und ein negatives Ion oder Elektron bewegt sich zu der positiven Elektrode hin und stößt mit dieser zusammen. Das Positive Ion ist wesentlich schwerer als das negative Ion oder Elektron. Dementsprechend ist der Betrag des Verschleißes, die durch den Zusammenstoß an der negativen Elektrode , mit der das positive Ion zusammenstößt, auftritt, viel größer als der an der positiven Elektrode, und auch die Temperatur der negativen Elektrode wird sich wahrscheinlich erhöhen. Wenn die Zentralelektrode mit negativer Polarität verwendet wird, verringert sich plötzlich die Lebensdauer der Elektrode, deren Durchmesser kleiner als 2 mm beträgt. Wenn die Zentralelektrode andererseits mit positiver Polarität verwendet wird, besteht diese Tendenz nicht. Dementsprechend kann die Zentralelektrode mit positiver Polarität eine Lebensdauer erreichen, die gleich oder größer der der Zentralelektrode mit einem Durchmesser von 2 mm oder mehr in negativer Polarität ist. Wenn der Durchmesser der Zentralelektrode 1,9 mm oder weniger beträgt, tritt die Wirkung der positiven Polarität weitgehend auf. Wenn im übrigen die Zentralelektrode zu dünn gehalten wird, wird sie aufgrund des Bruches des Gleichgewichtes zwischen der Zuführung von Wärme und der Abgabe von Wärme übermäßig erwärmt. Dementsprechend beträgt der Durchmesser der Zentralelektrode wünschenswerterweise 0,4 mm oder mehr und liegt stärker wünschenswerterweise in dem Bereich von 0,6 mm bis 1,8 mm.
Da sich bei der Mehrelektroden-Zündkerze die für Funkenentladung erforderliche Spannung nicht stark verändert, ist es möglich, eine niedrige Entladungsspannung entsprechend der dünnen Zentralelektrode aufrechtzuerhalten. Da die Zentralelektrode dünn ist, wird die Zündfähigkeit verbessert, und die Erdungselektrode verschleißt gleichmäßig und nicht ungleichmäßig. Weiterhin befindet sich die Erdungselektrode in Gegenüberlage zu der peripheren Seitenfläche der Zentralelektrode, der Betrag von Vorsprung der Erdungselektrode von dem Hauptmetallgehäuse kann klein sein, wodurch Bruch und übermäßige Erwärmung der Erdungselektrode verhindert werden.
Gemäß dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt der Durchmesser des distalen Endabschnittes der Zentralelektrode vorzugsweise in dem Bereich von 0,6 mm bis 1,8 mm.
Gemäß dem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung beträgt der kürzeste Abstand (G) von der Gegenfläche der Erdungselektrode zu der Zentralelektrode vorzugsweise wenigstens das 1,5-fache des kürzesten Abstandes (L) von der Erdungselektrode zu dem Porzellanisolator (1,5 L ≤ G).
Wenn die Endfläche des Porzellanisolators bei dieser Ausführung (1,5 L ≤ G) verrußt ist, wird die Wahrscheinlichkeit von Gleitfunkenentladung durch einen Zündsprung von der Erdungselektrode zu der Endfläche des Porzellanisolators größer, ebenso wie auch die Wahrscheinlichkeit, dass die verrußte Endfläche des Porzellanisolators wirksam zündgereinigt wird. Somit wird die Zündkerze stark beständig gegen Verrußung.
Gemäß dem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung befindet sich die distale Endfläche des Zentralelektrode vorzugsweise zwischen dem vorderen und dem hinteren Rand der Gegenfläche der Erdungselektrode.
Bei dieser Ausführung ist die Wahrscheinlichkeit, dass der Zündfunke bei Anlegen von Hochspannung an der Spitze der Zentralelektrode springt, so stark erhöht, dass die Zündwirksamkeit der Zündkerze weiter verbessert wird. Weiterhin wird die Erdungselektrode gleichmäßig verschlissen, jedoch nicht sehr ungleichmäßig verschlissen.
Gemäß dem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung beträgt der kürzeste Abstand (L) zwischen der Erdungselektrode und dem Porzellanisolator vorzugsweise zwischen 0,3 mm und 0,6 mm (0,3 ≤ L ≤ 0,6), und der kürzeste Abstand (G) von der Gegenfläche der Erdungselektrode zu der peripheren Seite der Zentralelektrode beträgt G ≤ (2/3)L + 1,0 (in Millimetern).
Da 0,3 ≤ L wird die Möglichkeit des Auftretens einer sogenannten Kohlenstoffbrücke (ein Kohlenstoffklumpen setzt sich zwischen dem Porzellanisolator und der Erdungselektrode ab und verursacht somit ein Kurzschlussproblem) eliminiert. Andererseits ist L ≤ 0,6, so dass die Empfindlichkeit gegenüber der Zündreinigung durch Gleitfunkenentladung in keiner Weise beeinträchtigt wird. Weiterhin wurde experimentell überprüft, dass indem die Bedingung von G ≤ (2/3)L + 1,0 (in Millimetern) erfüllt wird, das Auftreten von Zündsprüngen entlang der Endfläche des Porzellanisolators reduziert werden kann, um Kanalbildung abzuschwächen.
Der Grund für die Abschwächung von Kanalbildung kann wie folgt erklärt werden. Wenn eine Zündkerze in einen eigentlichen Motor eingebaut und durchgehen gelassen wird (der Motor läuft mit voller Drehzahl ohne Last), kann der Druck in den Zylindern mitunter bis zu fünf Atmosphären betragen, wenn die Zündkerze einen Zündfunken zündet. Die Wirkung von Druck auf die Entladungsspannung ist bei Gleitfunkenentladung entlang der Oberfläche des Porzellanisolators kleiner als bei Luftentladung. Deshalb treten unter der betrachteten Hochdruckbedingung Zündsprünge mit Wahrscheinlichkeit entlang der Endfläche des Porzellanisolators selbst dann auf, wenn seine Oberfläche nicht verrußt ist. Es muss insbesondere beachtet werden, dass unter der hier betrachteten Hochdruckbedingung ein größerer Teil der auftretenden Funkenentladung kapazitätsbezogen ist, so dass hohe Funken-Energiedichte bereitgestellt wird. Der Zündfunke hoher Energiedichte erzeugt einen wesentlich größeren Betrag an Kanalbildung und daher tiefere Kanalbildung als der unter einer Niedrigdruckbedingung erzeugte Zündfunke. Daher wird das Auftreten von Zündsprüngen entlang der Oberfläche des Porzellanisolators, das in keiner Weise zu einer Zündreinigung von Verrußung beiträgt, vom Gesichtspunkt der Verhinderung von Kanalbildung nicht bevorzugt. Es wurde experimentell festgestellt, dass wenn der kürzeste Abstand (L) von der Gegenfläche der Erdungselektrode zu dem Porzellanisolator und der kürzeste Abstand (G) von der Gegenfläche der Erdungselektrode zu der peripheren Seite der Zentralelektrode so eingestellt werden, dass die Beziehung G ≤ (2/3)L + 1,0 (in Millimetern) erfüllt wird, das Auftreten von Zündsprüngen entlang der Oberfläche des Porzellanisolators bei hohem Druck wirksam reduziert werden kann.
Gemäß dem siebenten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die Zentralelektrode vorzugsweise ein zündverschleißbeständiges Element in wenigstens einem Teil ihres distalen Endabschnittes auf.
Das zündverschleißbeständige Element kann aus beliebigen Edelmetallwerkstoffen bestehen, die einen höheren Schmelzpunkt haben als Inconel, welches eine stark korrosi onsbeständige Nickellegierung ist, die verbreitet als Elektrodenwerkstoff eingesetzt wird. Insbesondere kann das zündverschleißbeständige Element aus Edelmetallen, aus Edelmetalllegierungen, aus gesinterten Edelmetallen und so weiter bestehen, wie zum Beispiel aus Platin (Pt), Platin-Iridium (Pt-Ir), Platin-Nickel (Pt-Ni), Platin-Iridium-Nickel (Pt-Ir-Ni), Platin-Rhodium (Pt-Rh), Iridium-Rhodium (Ir-Rh), Iridium-Yttrium (Ir-Y₂O₃) etc.
Bei dieser Ausführung verschleißt der distale Endabschnitt der Zentralelektrode, an dem die meisten Zündsprünge auftreten, weniger, und die Lebensdauer der Zündkerze verlängert sich dementsprechend. Zusätzlich wird Verschleiß an der Spitze der Zentralelektrode in einem solchen Maß, dass sie weniger abgewinkelt ist und runde Ränder hat, verhindert, und die Konzentration der Zündsprünge an der Spitze der Zentralelektrode wird dementsprechend aufrechterhalten.
Gemäß dem achten Aspekt der vorliegenden Erfindung erstreckt sich das gegen Zündfunkenverschleiß beständige Teil auf der Zentralelektrode vorzugsweise zu einer Position vielmehr an dem Ende des hinteren Randes der Gegenfläche der Erdungselektrode.
Auch wenn der Zündsprung von der Erdungselektrode bei diesem Ausführungsbeispiel durch starken Luftstrom in einer Verbrennungskammer zu einer Position hinter der Zündkerze fliegt, gelangt der zu der Zentralelektrode erzielte Zündsprung zu einem Abschnitt, wo das zündverschleißbeständige Element vorliegt, wodurch Verschleiß der Zentralelektrode verhindert wird.
Gemäß dem neunten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die Erdungselektrode vorzugsweise ein zündverschleißbeständiges Element in wenigstens einem Teil seiner Gegenfläche auf.
Bei dieser Ausführung wird die Gegenfläche der Erdungselektrode, die in Gegenüberlage zu der Seite der Zentralelektrode angeordnet ist, um als Sprungzündfläche zu dienen, weniger verschleißen, und die Lebensdauer der Zündkerze wird dementsprechend verlängert.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nunmehr beispielhaft unter Bezugnahme auf die anhängenden Zeichnungen beschrieben werden. Die Zeichnungen sind:
1 ist ein Schaltschema eines Zündsystems, das mit positiver Polarität gemäß der vorliegenden Erfindung arbeitet.
2 ist eine Teilschnittdarstellung einer in der vorliegenden Erfindung verwendeten Zündkerze.
3 ist eine Schnittdarstellung und zeigt vergrößert den distalen Endabschnitt einer in dem Zündsystem gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendeten Zündkerze.
4 ist eine Grafik und zeigt den Spaltverschleiß, der an fünf Zündkerzenproben bei Anlage einer negativen Hochspannung an die Zentralelektrode auf übliche Art und Weise aufgetreten ist.
5 ist eine Grafik und zeigt den Spaltverschleiß, der an fünf Zündkerzenproben bei Anlegen einer positiven Hochspannung an die Zentralelektrode aufgetreten ist.
6 ist eine Grafik und zeigt die Änderung der Entladungsspannung, die an fünf Zündkerzenproben aufgetreten ist, als diese mit negativer Polarität auf übliche Art und Weise betrieben worden sind.
7 ist eine Grafik und zeigt die Änderung der Entladungsspannung, die an fünf Zündkerzenproben aufgetreten ist, als diese mit positiver Polarität betrieben worden sind.
8 ist eine Schnittdarstellung und zeigt vergrößert den distalen Endabschnitt einer in einem Zündsystem gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendeten Zündkerze.
9 ist eine Grafik und zeigt das Ergebnis eines Versuches, der durchgeführt wurde, um die Kanalbildungsbeständigkeit der erfindungsgemäßen Zündkerze in Form der Beziehung zwischen dem Halbgleitfunkenentladungs-Luftspalt L und dem Seitenelektroden-Luftspalt G zu untersuchen.
10 zeigt im Schnitt den distalen Endabschnitt einer Zündkerze des dritten Ausführungsbeispieles, die in dem erfindungsgemäßen Zündsystem verwendet wurde.
11 ist eine Grafik und zeigt die Ergebnisse einer Onboard-Lebensdauerprüfung an den drei Zündkerzenproben.
12 zeigt im Schnitt den distalen Endabschnitt einer Zündkerze des vierten Ausführungsbeispieles, die in dem erfindungsgemäßen Zündsystem verwendet wird.
13 zeigt im Schnitt den distalen Endabschnitt einer Zündkerze des fünften Ausführungsbeispieles, die in dem erfindungsgemäßen Zündsystem verwendet wird.
14 zeigt im Schnitt den distalen Endabschnitt einer Zündkerze des sechsten Ausführungsbeispieles, die in dem erfindungsgemäßen Zündsystem verwendet wird.
15 zeigt im Schnitt den distalen Endabschnitt einer Zündkerze, die für das Zündsystem gemäß des siebenten Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
16 zeigt im Schnitt den distalen Endabschnitt einer Zündkerze, die für das Zündsystem gemäß des achten Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung verwendet wird, in dem der Grundgedanke der Erfindung auf Zündkerzen geringen Durchmessers, wie zum Beispiel M10S und M8S, angewendet wird.
17 zeigt im Schnitt den distalen Endabschnitt einer Zündkerze, die für ein Zündsystem gemäß dem neunten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet wird, in dem der Grundgedanke der Erfindung auf intermittierende Halbgleitfunkenentladungs-Zündkerzen angewendet wird.
18 zeigt im Schnitt den distalen Endabschnitt einer Zündkerze, die für das Zündsystem gemäß dem zehnten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
19 zeigt im Schnitt den distalen Endabschnitt einer Zündkerze, die für das Zündsystem gemäß dem elften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
20 zeigt im Schnitt den distalen Endabschnitt einer Zündkerze, die für das Zündsystem gemäß dem zwölften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
21 zeigt im Schnitt den distalen Endabschnitt einer Zündkerze, die für das Zündsystem gemäß dem dreizehnten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
22 zeigt im Schnitt den distalen Endabschnitt einer Zündkerze, die für das Zündsystem gemäß dem vierzehnten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
23 ist eine Draufsicht des distalen Endabschnittes der Zündkerze, die für das Zündsystem gemäß dem vierzehnten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das in 22 gezeigt wird, verwendet wird.
24 ist eine Schnittdarstellung des distalen Endabschnittes einer Zündkerze, bei der positive Hochspannung an eine Zentralelektrode angelegt wird.
25 ist eine Schnittdarstellung des distalen Endabschnittes einer Zündkerze, bei der negative Hochspannung an eine Zentralelektrode angelegt wird.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nunmehr unter Verweis auf die anhängenden Zeichnungen beschrieben werden.
1 ist ein Schaltschema eines Zündsystems, das mit positiver Polarität gemäß der vorliegenden Erfindung arbeitet. 2 ist eine Teilschnittdarstellung einer in der vorliegenden Erfindung verwendeten Zündkerze 20. Eine Batterie 31 wird mit der Primärwicklung einer Zündspule 34 an einem Ende verbunden, wobei das andere Ende der Primärwicklung über eine Zündvorrichtung 33 geerdet wird. Die Zündvorrichtung 33 ist mit einer Motorsteuerungs-Rechnereinheit (ECU) 32 verbunden und wird von dieser gesteuert. Die Sekundärwicklung der Zündspule 34 wird an dem negativen Pol geerdet, nicht an dem üblichen Pol. Der positive Pol der Sekundärwicklung ist über ein hochspannungsfestes Kabel 35 mit einer Zündkerze 20 verbunden. Die Zündkerze 20 kann gemäß einem beliebigen des unten beschriebenen ersten bis vierzehnten Ausführungsbeispieles beschaffen sein.
Die Motorsteuerungs-Rechnereinheit (ECU) 32 überträgt entsprechend getaktete Impulssignale an die Zündvorrichtung 33, so dass einige Millisekunden lang ein Strom durch die Primärwicklung der Zündspule 34 fließt und danach zu fließen aufhört. Infolgedessen entwickelt sich eine positive Hochspannung an dem positiven Pol der Sekundärwicklung der Zündspule 34. Die erzeugte positive Hochspannung geht durch das Kabel 35, das auf der Zentralelektrode 2 der Zündkerze 20 einzuprägen ist, woraufhin die Luftisolierung zwischen der Zentralelektrode 2 und der Erdungselektrode 11 unterbrochen wird, um eine Funkenbildung zu erzeugen, die wiederum bewirkt, dass ein Entladungsstrom in der durch den Pfeil 101 angedeuteten Richtung fließt.
Die oben beschriebene Funkenbildung ist von positiver Polarität, die Zündkerze ermöglicht, dass die Zentralelektrode 2 sehr langsam verschleißt und eine lange Lebensdauer hat.
Als nächstes wird die Zündkerze 20 beschrieben werden, die in dem Zündsystem gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Wie hinlänglich bekannt ist, hat ein Porzellanisolator 1, der üblicherweise aus Aluminiumoxid oder aus anderen keramischen Werkstoffen besteht, eine Riffelung in dem oberen Teil, um eine geeignete Kriechstrecke zu gewährleisten, und einen Schenkelabschnitt 1B in dem unteren Teil, der in der Verbrennungskammer einer Verbrennungskraftmaschine frei liegt. Eine zentrale Durchgangsbohrung 1C erstreckt sich durch die Mitte der Welle. Eine aus einer Nickellegierung, wie zum Beispiel Inconel, bestehende Zentralelektrode 2 wird an dem unteren Ende (dem distalen Ende) der zentralen Durchgangsbohrung 1C so gesichert, dass sie von der unteren Endfläche des Porzellanisolators 1 nach unten vorsteht. In der Praxis besteht die Zentralelektrode 2 nicht ausschließlich aus Inconel, sondern hat einen Kern aus Kupfer (Cu), der in der Mitte befestigt ist, um bessere Wärmeleitfähigkeit bereitzustellen. Der Kupferkern wird in 2 der besseren Übersichtlichkeit wegen nicht gezeigt. Die Zentralelektrode 2 ist über einen in der zentralen Durchgangsbohrung 1C bereitgestellten Glaswiderstand mit dem oberen Anschluss verbunden. Ein hochspannungsfestes Kabel (nicht gezeigt) ist mit dem Anschluss 4 verbunden, und eine Hochspannung wird durch das Kabel angelegt. Der Porzellanisolator 1 ist in dem Hauptmetallgehäuse 5 abgestützt.
Das Hauptmetallgehäuse 5 besteht aus kohlenstoffarmem Stahlwerkstoff und weist einen hexagonalen Abschnitt 5A auf, der in einen Zündkerzenschlüssel eingreift, und einen Gewindeabschnitt 5B, der in einen Zylinderkopf eingeschraubt werden kann, auf. Das Hauptmetallgehäuse 5 hat weiterhin einen Klemmabschnitt 5C, auf dem das Hauptmetallgehäuse 5 geklemmt wird, um in den Porzellanisolator 1 integriert zu werden. Um eine vollständige Abdichtung durch das Klemmen zu gewährleisten, wird eine Bahn aus einem Dichtungselement 6 zwischen einem vertieften Absatz 5E in dem Hauptmetallgehäuse 5 und dem Porzellanisolator 1 bereitgestellt, wodurch der in der Verbrennungskammer freizulegende Schenkelabschnitt 1B vollständig von dem oberen Teil des Porzellanisolators 1 isoliert wird. Drähte aus Dichtungselement 7 und 8 werden zwischen dem Klemmabschnitt 5C und dem Porzellanisolator 1 bereitgestellt, und Talkpulver 9 wird zwischen die beiden Dichtelemente 7 und 8 gepackt, so dass es als elastisches Dichtungsmaterial wirkt, um sicherzustellen, dass der Porzellanisolator 1 vollständig an dem Hauptmetallgehäuse 5 gesichert wird. Es versteht sich von selbst, dass das Talk 9 weggelassen werden kann, um eine talkfreie Zündkerze zu produzieren. Eine Dichtung 10 wird an dem oberen Ende des Gewindeabschnittes 5B eingepresst. Zwei aus einer Nickellegierung gefertigte Erdungselektroden 11 werden an das untere Ende des Hauptmetallgehäuses 5 angeschweißt. Jede der Erdungselektroden 11 ist so ausgeformt, dass ihre Gegenfläche in Gegenüberlage zu der peripheren Seite der Zentralelektrode 2 angeordnet ist.
3 ist eine Schnittdarstellung und zeigt vergrößert den distalen Endabschnitt einer in dem Zündsystem gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendeten Zündkerze. Die Spitze der in 2 unten gezeigten Zündkerze ist in 3 umgekehrt und wird oben gezeigt. Der Teil der Zentralelektrode 2, die sich gleich oberhalb des Porzellanisolators 1 befindet, ist konisch zulaufend, so dass sein distaler Endabschnitt einen kleineren Durchmesser hat. Der gesamte Teil der Zentralelektrode 2, der oberhalb des Porzellanisolators 1 liegt, ist nicht im Durchmesser reduziert, sondern anstelle des sen ist die Basis dicker als der distale Endabschnitt. Dies soll sicherstellen, dass die an der Zentralelektrode 2 erzeugte Wärme wirksam abgeleitet wird, um zu verhindern, dass ihr distaler Endabschnitt überhitzt wird. Ein zündverschleißbeständiges Element 21 aus Platin (Pt) ist an die periphere Seite des distalen Endabschnittes der Zentralelektrode mit dem kleineren Durchmesser lasergeschweißt. Die beiden Erdungselektroden 11 sind diametral zueinander angeordnet und stehen von der Endfläche des Hauptmetallgehäuses 5 nach ihrem distalen Ende hin vor. Der distale Endabschnitt einer jeden Erdungselektrode 11 ist so um 90 Grad gebogen, dass sich ihre Endgegenfläche 11A in Gegenüberlage zu der peripheren Seite der Zentralelektrode 2 befindet. Das zündverschleißbeständige Element 21, das an dem Abschnitt der Zentralelektrode 2 mit dem kleineren Durchmesser bereitgestellt wird, deckt einen vergleichsweise breiten Bereich so ab, dass der Rand seines unteren Endes an der Rückseite positioniert ist (in 3 nach unten gerichtet) im Vergleich zu der Position, die dem Rand auf der Rückseite (in 3 nach unten) der Endfläche 11A einer jeden Erdungselektrode 11 entspricht.
Einzelheiten zu den Abmessungen der distalen Endteile der Zündkerze werden unten genannt. Der Abschnitt an dem distalen Ende der Zentralelektrode 2 mit dem kleineren Durchmesser hat einen Durchmesser A, der einen der folgenden fünf Werte annimmt: 0,6 (in Millimetern, was in der folgenden Beschreibung der Abmessungen gilt), 1,2, 1,8, 2,0 und 2,5. Somit werden fünf Versuchsproben von Zündkerzen bereitgestellt. Der Abschnitt der Zentralelektrode 2 mit dem kleineren Durchmesser weist eine Länge B auf, die 2,5 beträgt. Der konische Abschnitt hat eine Länge C, die 1,0 beträgt. Der Porzellanisolator 1 steht von dem Hauptmetallgehäuse 5 um eine Länge D vor, die 2,5 beträgt. Die Endfläche 11A einer jeden Erdungselektrode 11 hat einen rechteckigen Querschnitt mit einer Dicke E von 1,6 und einer Breite W (nicht gezeigt) von 2,7. Jede Erdungselektrode 11 steht von dem Hauptmetallgehäuse 5 um eine Länge F von 6,0 vor. Somit fällt das am meiste distale Ende der Zentralelektrode 2 in der Position mit dem Rand an der Vorderseite einer jeden Erdungselektrode 11 zusammen. Der Luftspalt G zwischen der peripheren Seite der Zentralelektrode 2 und der Endfläche 11A einer jeden Erdungselektrode 11 wird auf eine Einstellung von 1,1 eingestellt. Der Gewindeabschnitt 5B des Hauptmetallgehäuses 5 weist einen Standarddurchmesser M14S auf.
Diese Versuchsproben wurden Onboard-Lebensdauerprüfungen unterzogen, um ihre Lebensdauer in einem Hochdrehzahl-Muster zu bewerten, wobei ein Zweiliter- Sechszylinder-Reihenmotor bei Drehzahlen von 3000 bis 5500 U/min. (entsprechend einer durchschnittlichen Fahrzeuggeschwindigkeit von 140 km/h) über einen Zeitraum von sieben Stunden verwendet wurde. Die Versuche simulierten Fahrten über eine Strecke von etwa 100.000 km. Die Ergebnisse der Onboard-Lebensdauerprüfungen werden in vier Grafiken (4 bis 7) gezeigt. Das Symbol ⦁ bezieht sich auf die Zündkerze mit A = 0,6; das Symbol ∎ bezieht sich auf die Zündkerze mit A = 1,2, und das Symbol ♦ bezieht sich auf die Zündkerze mit A = 1,8. Die anderen Symbole, Δ und O, beziehen sich auf die Zündkerzen mit den Werten von A = 2,0 bzw. 2,5.
4 ist eine Grafik und zeigt den Spaltverschleiß, der in den fünf Zündkerzenproben auftrat, wenn negative Hochspannung in der üblichen Art und Weise an die Zentralelektrode angelegt wurde. Die horizontale Achse der Grafik stellt die Zeit der Lebensdauerprüfung (in Stunden) dar, und die vertikale Achse stellt den Betrag des Spaltverschleißes (in Millimetern, die Zunahme des Luftspaltes G veranschaulichend) dar. Wie aus 4 ersichtlich ist, zeigten die mit den Vollsymbolen ⦁, ∎ und ♦ gekennzeichneten Zündkerzenproben der Erfindung nach Durchgang von 400 Stunden und am Ende des Versuches (700 Stunden später) einen deutlich beschleunigten Spaltverschleiß, und der Spaltverschleiß unterschied sich stark von den Werten für die Proben, die dicke Zentralelektroden verwendeten und die durch die offenen Symbole dargestellt werden. Es wird daher geschlussfolgert, dass sie Zündkerzen, die dünne Zentralelektroden mit einem Durchmesser A von 1,8 mm oder kleiner verwenden, für wirtschaftlichen Betrieb bei negativer Polarität wegen des übermäßigen Spaltverschleißes nicht geeignet sind.
5 ist eine Grafik und zeigt den Spaltverschleiß, der in den fünf Zündkerzenproben aufgetreten ist, wenn positive Hochspannung an die Zentralelektrode angelegt wurde. Die Bezeichnungen der horizontalen und vertikalen Achse sind die gleichen wie die für 4 festgelegten. Im Betrieb bei positiver Polarität veränderten sich die Werte des Spaltverschleißes nicht sehr mit dem Durchmesser A der Zentralelektrode, und mit zunehmender Zeit der Lebensdauerprüfung erhöhte sich der Spaltverschleiß in den fünf Zündkerzenproben normalerweise mit der gleichen Geschwindigkeit. Nach dem Durchgang von 700 Stunden blieb die allgemeine Tendenz die gleiche, und der Spaltverschleiß in den fünf Versuchsproben war nicht größer als 0,2 mm. Daher wird geschlussfolgert, dass selbst die Zündkerzen, die dünne Zentralelektroden mit einem Durchmesser A von 1,8 mm oder kleiner verwenden, weniger Spaltverschleiß aufweisen, um eine längere Lebensdauer zu haben, wenn positive, nicht negative, Spannung an die Zentralelektrode angelegt wird.
6 ist eine Grafik und zeigt die Änderung der Entladungsspannung, die in den fünf Zündkerzenproben auftrat, wenn diese auf übliche Art und Weise mit negativer Polarität betrieben wurden. Die Entladungsspannung wurde als Momentanwert gemessen, der im Leerlauf des Motors ohne Last auftrat. Die Einheit der Entladungsspannungsmessung war kV (Kilovolt). In einem neuen Zustand (die Zeit der Lebensdauerprüfung war Null Stunden) nahm die Entladungsspannung mit zunehmendem Durchmesser A der Zentralelektrode ab. Da der Motor jedoch 200 Stunden lang laufen gelassen wurde, kehrte sich die Tendenz um, und die Entladungsspannung) erhöhte sich mit abnehmendem Durchmesser A. Die Differenz wurde größer, als der Motor 700 Stunden laufen gelassen wurde, und die Proben, die dünne Zentralelektroden mit kleinen Werten von A verwendeten, benötigten Entladungsspannungen von über 25 kV.
7 ist eine Grafik und zeigt die Änderung der Entladungsspannung , die auftrat, wenn die fünf Zündkerzenproben mit positiver Polarität betrieben wurden. Die Bezeichnungen der horizontalen und vertikalen Achse waren die gleichen wie die für 6 festgelegten. Bei dem Betrieb mit positiver Polarität wurden die Merkmale des Neuzustandes (die Entladungsspannung nimmt mit abnehmendem Durchmesser A der Zentralelektrode ab) nach Durchgang von 700 Stunden Fahrens aufrechterhalten, und die Umkehr des Trends (siehe 6) wurde nicht beobachtet. Die Entladungsspannung erhöhte sich mit zunehmender Zeit der Lebensdauerprüfung, jedoch mit relativ langsamer Geschwindigkeit. Selbst am Ende des Versuches (nach Ablauf von 700 Stunden) benötigten die Zündkerzen, die dünne Zentralelektroden mit kleinen Werten des Durchmessers A verwendeten, niedrigere Entladungsspannungen als die Proben, die große Werte des Durchmessers A verwendeten. Kurz gesagt: Selbst nach verlängerter Lebensdauerprüfung konnten die erfindungsgemäßen Zündkerzen, die mit positiver Polarität anstelle der normalen negativen Polarität betrieben wurden und dünne Zentralelektroden mit einem Durchmesser A von 1,8 mm oder weniger verwendeten, relativ niedrige Entladungsspannungen aufrechterhalten. Dies beweist die verbesserte Lebensdauer der Zündkerzen.
Als nächstes wurde in Bezug auf die Zündkerze, deren Zentralelektrode 2 den Durchmesser A von 1,8 mm der fünf Arten von Zündkerzen aufweist, die Temperatur der Zentralelektrode für den Fall positiver Polarität und für den Fall negativer Polarität gemessen. Die Ergebnisse werden in Tabelle 1 gezeigt. Dieser Versuch wurde in einem Zustand durchgeführt, dass eine Zündkerze in einer Prüfkammer auf einem Tisch eingebaut wurde und dass der Innendruck auf sechs Atmosphären erhöht wurde. Danach wurde eine elektrische Zündquelle für ein Fahrzeug verwendet, so dass die Zündkerzen in positiver und negativer Polarität mit einem Zyklus von 60 Mal pro Sekunde bzw. 100 Mal pro Sekunde entladen wurden.
Tabelle 1
Die Zündkerze wurde mit positiver Polarität betrieben, so dass die Temperatur der Zentralelektrode im Vergleich zu der der mit negativer Polarität betriebenen herkömmlichen Zündkerze gesenkt werden kann. Dies ist einer der Faktoren für überraschenden Verbrauch der Zentralelektrode und Erhöhung der Entladungsspannung.
In Bezug auf die Zündkerze, deren Zentralelektrode 2 den Durchmesser A von 1,8 mm der genannten fünf Arten von Zündkerzen aufweist wurde weiterhin die Zündfähigkeit für den Fall positiver Polarität bzw. für den Fall negativer Polarität gemessen. Die Ergebnisse werden in der Tabelle 2 gezeigt. Tabelle 2 zeigt das Kraftstoff/Luft-Verhältnis der Zündgrenze vor und nach 700 Stunden Dauerprüfung wie oben beschrieben. Das Kraftstoff/Luft-Verhältnis, das die Zündgrenze wird, ist ein Kraftstoff/Luft-Verhältnis, bei dem die Fehlzündungsrate 1% wird. Ein Zweiliter-Sechszylinder-Reihenmotor wurde verwendet, und die Messung wurde im Leerlauf von 700 ppm durchgeführt. Gleichzeitig wurden die Zündsprungpositionen der Zentralelektrode 2 und der Erdungselektrode 11 bestätigt. In der Tabelle 2 ist das Zündsprungverhältnis ein Verhältnis eines Falles, bei dem der Zündsprung zwischen der Zentralelektrode und der distalen Endseite der Erdungselektrode erzeugt wurde.
Tabelle 2
Im Falle der positiven Polarität wurde der Zündsprung aufgrund der elektrischen Merkmale zu 100% zwischen der Zentralelektrode und der distalen Endseite der Erdungselektrode erzeugt. Dementsprechend wird die Zündgrenze bei positiver Polarität beachtlich verbessert. Da der Verschleiß des Randes der Zentralelektrode gering ist, wurde weiterhin der Zündsprung auch nach der Lebensdauerprüfung zu 100% zwischen der Zentralelektrode und der distalen Endseite der Erdungselektrode erzeugt. Dementsprechend wird im Falle negativer Polarität das Kraftstoff/Luft-Verhältnis wie auch die Zündgrenze gesenkt, im Falle positiver Polarität liegt jedoch nur eine geringe Veränderung des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses vor.
In Bezug auf die Zündkerze, deren Zentralelektrode 2 den Durchmesser A von 1,8 mm der fünf Arten von Zündkerzen aufweist, wurde die Zündfähigkeit weiterhin mit positiver Polarität in dem Fall gemessen, dass die Richtung der Erdungselektrode parallel oder vertikal zu einer Verwirbelung ist. Die Richtung A bedeutet eine Richtung vertikal zu der Verwirbelung, und die Richtung B bedeutet eine Richtung parallel zu der Verwirbelung. Das Kraftstoff/Luft-Gemisch (A/F), das zur Zündgrenze wird, ist ein Kraftstoff/Luft-Gemisch (A/F), bei dem das Fehlzündungsverhältnis 1% wird. Ein Zweiliter-Sechszylinder-Reihenmotor wurde verwendet, und die Messung wurde unter einer Motorbetriebsbedingung entsprechend 60 km/h durchgeführt.
Tabelle 3
Die Richtung A, in der die Erdungselektrode vertikal zu der Verwirbelung angeordnet ist, verbessert die Zündfähigkeit weiter. Dafür gibt es die folgenden Gründe. Ein Kraftstoff/Luft-Gemisch bildet die Verwirbelung in einem Verbrennungsraum aus. Der Zündsprung zwischen den Elektroden der Zündkerze kommt in Kontakt mit dem von der Verwirbelung bewegten Kraftstoff/Luft-Gemisch, so dass das Kraftstoff/Luft-Gemisch entzündet und verbrannt wird. Wenn zu diesem Zeitpunkt die Erdungselektrode parallel zu der Verwirbelung angeordnet ist, schirmen die Erdungselektroden gegen die Strömungsrichtung der Verwirbelung ab, so dass das Kraftstoff/Luft-Gemisch nur schwer mit dem Zündfunken in Kontakt kommt. Weiterhin stößt der in einem Zündspalt erzeugte Flammenkern an die Elektrode an. Somit behindert die Wärmeanziehung durch die Elektrode das Wachstum des Flammenkerns. Andererseits ist die Erdungselektrode vertikal zu der Verwirbelung, und die Erdungselektrode schirmt den Strom der Verwirbelung nicht ab, wodurch die Zündfähigkeit verbessert wird. Zusätzlich weist die Verwirbelungsrichtung in der Zündkerzenposition von niedriger bis hoher Drehzahl fast die gleiche Richtung auf. Wenn dementsprechend die Richtung der Erdungselektrode in gutem Zustand vertikal zu der Verwirbelung eingestellt wird, kann gute Zündfähigkeit von niedriger bis hoher Drehzahl aufgewiesen werden.
8 ist eine Schnittdarstellung und zeigt vergrößert den distalen Endabschnitt einer in dem Zündsystem gemäß des zweiten Ausführungsbeispieles der Erfindung verwendeten Zündkerze. Die beiden aus 95% Ni bestehenden Erdungselektroden 11 sind diametral zueinander angeordnet, und die Gegenfläche 11A einer jeden Erdungselektrode 11 befindet sich in Gegenüberlage zu der peripheren Seite der Zentralelektrode 2. Eine jede Erdungselektrode 11 ist so angeordnet, dass der hintere Rand der Endfläche 11A (in 8 nach unten gerichtet) in der Seite des distalen Endes (in 8 nach oben gerichtet) im Vergleich zu der Endfläche des Porzellanisolators 1 angeordnet ist. Zusätzlich wird der kürzeste Abstand L von der Endfläche 11A der Erdungselektrode 11 zu dem Porzellanisolator 1 kleiner eingestellt als der kürzeste Abstand G von der Endfläche 11A der Erdungselektrode 11 zu der peripheren Seite der Zentralelektrode 2.
Angaben zu den Abmessungen der distalen Endteile der Zündkerze werden unten angeführt. Die Zentralelektrode 2 hat einen Durchmesser A, der den Wert von 2,0 (in Millimetern, was auch für die Maße in der folgenden Beschreibung gilt) annimmt, und steht um die Länge H, die entweder 1,8 oder 2,2 beträgt, von dem Porzellanisolator 1 ab. Somit werden zwei Versuchsproben von Zündkerzen bereitgestellt. Die Endfläche des Porzellanisolators 1 hat einen Durchmesser K von 4,6. Der Abstand J von der Endfläche des Porzellanisolators 1 zu dem vorderen Rand (in 8 nach oben gerichtet) des distalen Endes 11A der Erdungselektrode 11 (J wird nachfolgend als Bezeichnung für den Betrag des Vorsprunges J der Erdungselektrode verwendet) wird auf 2,1 eingestellt. Die Dicke F der Erdungselektrode 11 (oder auch der Abstand von dem oberen Rand der Endfläche 11A zu ihrem unteren Rand) wird auf 1,6 eingestellt. Der Abstand L von dem unteren Rand der Endfläche 11A der Erdungselektrode 11 zu der Endfläche des Porzellanisolators 1 (L wird nachstehend als Bezeichnung für den Halbgleitfunkenentladungs-Luftspalt L verwendet) wird auf 0,5 eingestellt. Der Abstand G von der Endfläche 11A der Erdungselektrode 11 zu der peripheren Seite der Zentralelektrode 2 (wird nachfolgend der Seitenelektroden-Luftspalt G genannt) wird auf 1,3 eingestellt.
Somit weist die Zündkerze des hier betrachteten Ausführungsbeispieles eine Vielzahl von Erdungselektroden 11 auf, wobei sich die Endfläche 11A einer jeden Erdungselektrode 11 in Gegenüberlage zu der peripheren Seite der Zentralelektrode 2 befindet. Der hintere Rand der Endfläche 11A einer jeden Erdungselektrode 11 ist in der Seite des distalen Endes der Zentralelektrode im Vergleich zu der Endfläche des Porzellanisolators 1 (L = 0,5) positioniert. Zusätzlich ist der kürzeste Abstand L (= 0,5) von der Endfläche 11A einer jeden Erdungselektrode 11 zu dem Porzellanisolator 1 kleiner als der kürzeste Abstand G (= 1,3) von der Endfläche 11A einer jeden Erdungselektrode 11 zu der peripheren Seite der Zentralelektrode 1. Weiterhin befindet sich die distale Endfläche der Zentralelektrode 2 zusätzlich zwischen dem vorderen und dem hinteren Rand der Endfläche 11A einer jeden Erdungselektrode 11, jedoch näher an dem vorderen Rand (J = 2,1 im Vergleich zu H = 1,8 bis 2,2). Zur Bewertung des Zündsprungverhaltens dieser Zündkerze wurde ein Versuch durchgeführt, bei dem positive oder negative Span nung an die Zentralelektrode 2 angelegt wurde. Die Ergebnisse werden in Tabelle 4 unten gezeigt.
Tabelle 4
Wie aus Tabelle 4 hervorgeht, traten lediglich 30% der bei Anlegen negativer Hochspannung an die Zentralelektrode 2 erzeugten Zündsprünge an ihrer Spitze auf. Bei Anlegen von positiver Hochspannung an die Zentralelektrode 2 traten jedoch 70% der erzeugten Zündsprünge an der Spitze der Zentralelektrode 2 auf, was mehr als das Doppelte des in dem ersten Fall erzielten Wertes ist. In der Versuchsprobe, bei der H auf 1,8 eingestellt wurde, so dass der vordere Rand der Zentralelektrode 2 nicht über den vorderen Rand der Endfläche 11A einer jeden Erdungselektrode 11 hinausgeht (J = 2,1), traten alle erzeugten Zündsprünge an der Spitze der Zentralelektrode auf. Somit kann das Verhältnis der an der Spitze der Zentralelektrode 2 auftretenden Zündsprünge durch Anlegen positiver Spannung an dieselbe beachtlich verbessert werden. Wenn das Verhältnis der an der Spitze der Zentralelektrode auftretenden Zündsprünge erhöht wird, verbessert sich der Wirkungsgrad der Zündkerzenzündung dementsprechend. Gleichzeitig wird das Auftreten von Halbgleitfunkenentladung (der Zündfunke verläuft entlang der Endfläche des Porzellanisolators 1) unterdrückt, um die Wahrscheinlichkeit, dass die Oberfläche des Porzellanisolators durch Kanalbildung geriffelt wird, zu reduzieren. Mit anderen Worten weist die Zündkerze eine hohe Beständigkeit gegen Kanalbildung auf.
Wenn die Zündkerze aufgrund von Verrußung andererseits „erstickte", traten alle Zündsprünge in dem Halbgleitfunkenentladungsmodus auf. Dies ist wahrscheinlich darauf zurückzuführen, dass der Halbgleitfunken-Entladungsluftspalt L (= 0,5) kleiner war als der Seitenelektroden-Luftspalt G (= 1,3). Das heißt, es entwickelte sich eine Zündreini gungswirkung, um die Kohlenstoffablagerungen auf der Oberfläche des Porzellanisolators 1 abzubrennen, wodurch die Zündkerze sehr beständig gegen Verrußung wird.
Es wurde ebenfalls ein Versuch durchgeführt, um das Selbstreinigungsvermögen der vorgeschlagenen Zündkerzenart in Abhängigkeit von dem Durchmesser A der Zentralelektrode 2, der wie in Tabelle 5 gezeigt von 0,6 mm bis auf 2,4 mm abgeändert wurde, zu untersuchen. Somit wurden acht Versuchsproben von Zündkerzen vorbereitet. Der Betrag des Vorsprunges H der Zentralelektrode 2 wurde auf 1,8 eingestellt, und der Durchmesser K der Endfläche des Porzellanisolators 1 wurde auf gleich A + 2,6 eingestellt, wobei 1,3 mm für die Wanddicke des Porzellanisolators 1 gesichert wurden. Der Halbgleitfunkenentladungs-Luftspalt L wurde auf 0,4 eingestellt, und die Dicke E einer jeden Erdungselektrode 11 wurde auf 1,6 eingestellt. Infolgedessen betrug der Betrag des Vorsprunges J einer jeden Erdungselektrode 2,0. Der Seitenelektroden-Luftspalt G wurde auf 1,3 eingestellt.
Das Selbstreinigungsvermögen der Zündkerze wurde durch einen sogenannten „Verrußungsversuch vor Lieferung" bewertet. Während der Anlieferung von dem Montagewerk zu einem Händler wird ein Fahrzeug viele Male jeweils über eine sehr kurze Strecke gefahren, und die Temperatur der Zündkerze bleibt auf einem niedrigen Niveau. Daher "erstickt" die Zündkerze, und ihr Isolationswiderstand nimmt ab. Die Verfahrensweise für die Bewertung der Verrußung vor Lieferung wird ausführlich in JIS D 1606 „Smothering Fouling Test" beschrieben. Das Fahrzeug wird bei –10°C in einem Kälteprüfraum platziert und eine vorgegebene Anzahl von Zyklen gefahren. In jedem Zyklus wird das Fahrzeug mehrere Male jeweils mehrere Zehntel Sekunden lang bei niedriger Drehzahl langsam bewegt. Der Isolationswiderstand der Zündkerze wurde in der Mitte und am Ende eines jeden Zyklus gemessen, um das Selbstreinigungsvermögen der Zündkerze zu bewerten.
Die Ergebnisse des Verrußungsversuches vor Lieferung an einem Zündsystem, das positive Hochspannung an die Zentralelektrode 2 anlegt, werden in Tabelle 5 für verschiedene Werte ihres Durchmessers A gezeigt.
Tabelle 5
Die jeweiligen Kriterien für die in Tabelle 5 gezeigte Bewertung haben die folgenden Definitionen: ʘ = mehr als 20 Zyklen waren erforderlich, damit der Isolationswiderstand auf 10 MΩ sank; O = zehn bis 20 Zyklen waren erforderlich; Δ = fünf bis zehn Zyklen waren erforderlich; X = der Isolationswiderstand sank innerhalb weniger als fünf Zyklen unter 10 MΩ. Wie aus Tabelle 5 ersichtlich ist, nimmt das Selbstreinigungsvermögen der Zündkerze mit abnehmendem Durchmesser A der Zentralelektrode 2 zu. Der Durchmesser A der Zentralelektrode 2 ist vorzugsweise 2 mm oder weniger, stärker vorzugsweise 1,2 mm oder weniger.
9 ist eine Grafik und zeigt das Ergebnis eines Versuches, der durchgeführt wurde, um die Kanalbildungsbeständigkeit der vorgeschlagenen Zündkerze der Erfindung in Bezug auf das Verhältnis zwischen dem Halbgleitfunkenentladungs-Luftspalt L und dem Seitenelektroden-Luftspalt G zu untersuchen. Die horizontale Achse der Grafik stellt den Halbgleitfunkenentladungs-Luftspalt L dar und die vertikale Achse stellt den Seitenelektroden-Luftspalt G dar. Die Symbole (ʘ, O, Δ) in der Grafik stellen den Grad der Kanalbildung dar. Der Halbgleitfunkenentladungs-Luftspalt L wurde auf einen der folgenden drei Werte eingestellt: 0,3 mm, 0,45 mm und 0,6 mm. Der Seitenelektroden-Luftspalt G wurde auf einen von fünf Werten zwischen 1,0 mm und 1,4 mm eingestellt. Somit wurden insgesamt elf Zündkerzen-Versuchsproben vorbereitet. Da die Dicke E einer jeden Erdungselektrode 11 gleich 1,6 mm war, nahm der Betrag ihres Vorsprunges J in Abhängigkeit von der Größe des Halbgleitfunkenentladungs-Luftspaltes L den Wert von 1,9 mm, 2,05 mm bzw. 2,2 mm an. Der vordere Rand der Zentralelektrode 2 wurde so eingestellt, dass er in Position mit dem vorderen Rand der Endfläche 11A einer jeden Erdungselektrode 11 zusammenfiel.
Zur Bewertung der Kanalbildungsbeständigkeit wurde die Zentralelektrode 2 mit einem positiven Pol verbunden, und Hochspannung mit einer Spannungsspitze von etwa 20 kV wurde intermittierend 500 Stunden lang bei einer Frequenz von 60 Hz angelegt. Die Tiefe der Kanalbildungsrille in der Oberfläche des Porzellanisolators 1 wurde geprüft und mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM) gemessen. Bei diesem Versuch wurde das Ausmaß der Kanalbildung aufgrund der Zündsprünge entlang der Endfläche des Porzellanisolators gemessen, die keinen Beitrag zu der Zündreinigung von Verrußung leisteten.
Die Ergebnisse des Versuches werden in 9 in Form von Bewertungen nach den folgenden Kriterien angegeben: ʘ = leichte Kanalbildung mit einer Kanalbildungsrillentiefe von weniger als 0,2 mm; O = mittlere Kanalbildung mit einer Rillentiefe von 0,2 mm bis 0,4 mm; Δ = starke Kanalbildung mit einer Rillentiefe von mehr als 0,4 mm. Wie aus 9 ersichtlich ist, war die Kanalbildungsbeständigkeit unter der geraden Linie 101 zufriedenstellend. Da die gerade Linie 101 durch die Gleichung G = (2/3)L + 1,0 ausgedrückt werden kann, erfüllen der Halbgleitfunkenentladungs-Luftspalt L und der Seitenelektroden-Luftspalt G vorzugsweise das Verhältnis G ≤ (2/3)L + 1,0 (in Millimetern), um die gewünschte Kanalbildungsbeständigkeits-Eigenschaft sicherzustellen.
10 zeigt im Schnitt den distalen Endabschnitt einer Zündkerze des dritten Ausführungsbeispieles, die in dem erfindungsgemäßen Zündsystem verwendet wird. Ein zündverschleißbeständiges Element 21 in der Form einer Platinscheibe (Pt) wird an die Spitze der aus Inconel (Warenzeichen) bestehenden Zentralelektrode widerstandsgeschweißt. Der Durchmesser A der Zentralelektrode 2 beträgt 2,0. Der Durchmesser K der Endfläche des Porzellanisolators 1 beträgt 4,6. Die Dicke F einer jeden Erdungselektrode 11, die zu 95 Gewichtsprozent aus Nickel (Ni) besteht, beträgt 1,6. Der Halbgleitfunkenentladungs-Luftspalt L beträgt 0,5. Der Seitenelektroden-Luftspalt G beträgt 1,3. Der Betrag des Vorsprunges H der Zentralelektrode 2 ist kleiner als der Wert, der in dem zweiten Ausführungsbeispiel angenommen wird, und nimmt den Wert von 0,3, 0,5 oder 1,0 an. Somit werden drei Versuchsproben von Zündkerzen für die Versuchsdurchführung vorbereitet.
11 ist eine Grafik und zeigt die Ergebnisse einer Onboard-Dauerprüfung an den drei Zündkerzen-Versuchsproben. Die horizontale Achse der Grafik zeigt die Zeit und die vertikale Achse zeigt den Spaltverschleiß bzw. die Zunahme des Seitenelektroden-Luftspaltes G. In dem Versuch wurde ein Zweiliter-Sechszylinder-Reihenmotor bei 5000 U/min. und bei Vollgasstellung (in Vollgasfahrt) betrieben. Das Symbol Δ in der Grafik zeigt die Probe mit H = 0,3; das Symbol ☐ zeigt die Probe mit H = 0,5, und das Symbol O zeigt die Probe mit H = 1,0.
Wie aus 11 ersichtlich ist, war die Probe mit H = 0,3 (Δ), bei der die Spitze der Zentralelektrode 11 unterhalb des unteren Randes der Endfläche 11A (in 11 nach unten gerichtet) eines jeden Erdungselektrode 11 war, am wenigsten dauerhaft und wies den größten Betrag an Spaltverschleiß auf. Dauerhafter war die Probe mit H = 0,5 (☐). Die Probe mit H = 1,0 (O), bei der sich die Spitze der Zentralelektrode 2 zwischen dem vorderen und dem hinteren Rand befand (in 11 nach oben und nach unten gerichtet), erwies sich als am dauerhaftesten und wies den geringsten Betrag an Spaltverschleiß auf. Diese Versuchsergebnisse zeigen, dass es von dem Gesichtspunkt der Lebensdauer zu bevorzugen ist, dass die Spitzenfläche der Zentralelektrode 2 in der Seite des distalen Endes im Vergleich zu dem hinteren Rand der Endfläche einer jeden Erdungselektrode 11 angeordnet ist.
12 zeigt im Schnitt den distalen Endabschnitt einer Zündkerze des vierten Ausführungsbeispieles, die in dem erfindungsgemäßen Zündsystem verwendet wurde. Im Gegensatz zu dem Fall, bei dem das zündverschleißbeständige Element 22 an der gesamten peripheren Seite des Abschnittes der Zentralelektrode 2 mit dem kleinen Durchmesser befestigt ist, wird ein Plättchen des zündverschleißbeständigen Elementes 22 in Form einer Platinscheibe (Pt) an zwei Bereiche des Abschnittes kleinen Durchmessers, die in Gegenüberlage zu den Endflächen 11A der Erdungselektroden 11 liegen, an denen die meisten der Zündsprünge mit Wahrscheinlichkeit auftreten, lasergeschweißt werden. Dieses vierte Ausführungsbeispiel hat den Vorteil, dass eine kleinere Menge des kostspieligen zündverschleißbeständigen Elementes verwendet wird.
13 zeigt im Schnitt den distalen Endabschnitt einer Zündkerze des fünften Ausführungsbeispieles, die in dem erfindungsgemäßen Zündsystem verwendet wird. Ein Plättchen aus dem zündverschleißbeständigen Element 23 in Form eines Platinzylinders (Pt) wird an das distale Ende des Abschnittes kleineren Durchmessers eines aus Inconel bestehenden Zentralelektrodenkörpers 2 lasergeschweißt, wodurch die Zentralelektrode hergestellt wird. Das am meisten distale Ende des Plättchens 23 ist zwischen dem vorderen und dem hinteren Rand der Endfläche 11A einer jeden Erdungselektrode 11 angeordnet. Dieses fünfte Ausführungsbeispiel der Erfindung hat den Vorteil, dass nicht nur der Verschleiß der Zentralelektrode verzögert wird, sondern dass auch der Abschnitt kleineren Durchmessers 23 der Zentralelektrode noch dünner gehalten wird, um eine weitere Verringerung der Entladungsspannung zu erzielen. Als ein weiterer Vorteil wird die Wirksamkeit des Zündsprunges an der Spitze der Zentralelektrode verbessert, um wirksameres Zünden bereitzustellen.
14 zeigt im Schnitt den distalen Endabschnitt einer Zündkerze des sechsten Ausführungsbeispieles, die in dem erfindungsgemäßen Zündsystem verwendet wird. Ein Plättchen aus zündverschleißbeständigem Element 24 in Platin, das aus einem oberen Zylinder kleineren Durchmessers und aus einem unteren Zylinder größeren Durchmessers besteht, wird an die Spitze eines aus Inconel bestehenden Zentralelektrodenkörpers, der einen noch größeren Durchmesser aufweist, widerstandsgeschweißt, wodurch die Zentralelektrode hergestellt wird. Der Abschnitt kleineren Durchmessers des Plättchens 24 stellt eine Zündsprungspitze bereit. Das am meisten distale Ende des Plättchens 24 befindet sich zwischen dem vorderen und dem hinteren Rand der Endfläche 11A einer jeden Erdungselektrode 11. Dieses sechste Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung hat den Vorteil problemloser Fertigung, da keine Notwendigkeit besteht, den Durchmesser eines ausgewählten Bereiches des Zentralelektrodenkörpers 2 zu reduzieren.
15 zeigt im Schnitt den distalen Endabschnitt einer Zündkerze, die für das Zündsystem gemäß dem siebenten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Ein Plättchen aus verschleißbeständigem Element 25 in Form eines Platin-Zylinders (Pt) wird an das distale Ende des Abschnittes kleineren Durchmessers eines aus Inconel bestehenden Zentralelektrodenkörpers lasergeschweißt, wodurch die Zentralelektrode hergestellt wird. Das am meisten distale Ende des Plättchens 25 befindet sich zwischen dem vorderen und dem hinteren Rand der Endfläche 11A einer jeden Erdungselektrode 11. Eine rechteckige Folie aus dem verschleißbeständigen Element 26 wird an die Gegenflächen der Erdungselektroden 11 widerstandsgeschweißt. Dieses siebente Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung hat den Vorteil, dass nicht nur die Zentralelektrode, sondern auch die Erdungselektroden 11, so langsam verschleißen, dass die Lebensdauer der Zündkerze weiter verbessert wird.
16 zeigt im Schnitt den distalen Endabschnitt einer Zündkerze, die für das Zündsystem gemäß dem achten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet wird, wobei der Erfindungsgedanke auf Zündkerzen kleinen Durchmessers, wie zum Beispiel M10S und M8S, angewendet wird. Ein Plättchen aus verschleißbeständigem Element 27 in Form eines Platin-Zylinders (Pt) wird an das distale Ende des Abschnittes kleineren Durchmessers eines aus Inconel bestehenden Zentralelektrodenkörpers 2 lasergeschweißt, wodurch die Zentralelektrode hergestellt wird. Der Durchmesser A des Plättchens beträgt 0,8 mm. Die Dicke E der Endfläche 11A einer jeden Erdungselektrode 11 beträgt 1,1 mm und ihre Breite W (nicht gezeigt) beträgt 2,2 mm. Bei solchen Zündkerzen kleinen Durchmessers können die äußeren Erdungselektroden 11 keine geeignete Querschnittsfläche aufweisen. Dennoch kann gemäß dem achten Ausführungsbeispiel der Erfindung der Durchmesser des distalen Endabschnittes der Zentralelektrode 2 und demzufolge ihr Vorsprung von dem Porzellanisolator 1 reduziert werden. Infolgedessen wird der Vorsprung der Erdungselektroden 11 von dem Hauptmetallgehäuse 5 hinreichend reduziert, um sicherzustellen, dass sie für praktische Anwendungszwecke eine geeignete Festigkeit aufweisen.
17 zeigt im Schnitt den distalen Endabschnitt einer Zündkerze, die für ein Zündsystem gemäß dem neunten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet wird, wobei der Erfindungsgedanke auf Zündkerzen einer intermittierenden Halbgleitfunkenentladungsart angewendet wird. Ein Plättchen aus zündverschleißbeständigem Element 28 in Form eines Platin-Zylinders (Pt) wird an das distale Ende des Abschnittes kleineren Durchmessers eines aus Inconel bestehenden Zentralelektrodenkörpers 2 lasergeschweißt, wodurch die Zentralelektrode hergestellt wird. Zwei aus 95 Gewichtsprozent Nickel (Ni) bestehende äußere Erdungselektroden 11 werden so bereitgestellt, dass sich ihre Gegenflächen 11A in Gegenüberlage zu der peripheren Seite des Plättchens 28 befinden, wobei der Rand des hinteren Endes (in 17 nach unten gerich tet) einer jeden Endfläche 11A geeignet nahe an der Endfläche des Porzellanisolators 1 angeordnet ist. Diese Ausführung hat den Vorteil, dass wenn die Oberfläche des Porzellanisolators 1 verrußt ist, ein Zündfunke von dem hinteren Rand der Endfläche 11A einer jeden äußeren Erdungselektrode 11 zu der Endfläche des Porzellanisolators 1 springt, so dass dabei ihre Oberfläche „zündgereinigt" wird. Mit anderen Worten weist die Zündkerze gemäß dem neunten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wirksames Selbstreinigungsvermögen auf. Sie behält auch die wesentlichen Merkmale der Erfindung bei, das heißt kleiner Durchmesser des distalen Endes 28 der Zentralelektrode, wirksames Zünden und lange Lebensdauer.
18 zeigt im Schnitt den distalen Endabschnitt einer Zündkerze, die in dem Zündsystem gemäß dem zehnten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Bei dieser intermittierenden Halbgleitfunkenentladungs-Zündkerze wird ein zündverschleißbeständiges Element 29 in Form einer Platinscheibe (Pt) nicht an die Spitzenfläche, sondern an die periphere Seite der aus 95 Gewichtsprozent Nickel (Ni) bestehenden Zentralelektrode 2 lasergeschweißt. Das zündverschleißbeständige Element 29 erstreckt sich zu dem vorderen Ende der Zentralelektrode 2. Die in 18 gezeigten Abmessungen der jeweiligen Teile sind normalerweise die gleichen wie in dem ersten Ausführungsbeispiel. Selbst in dem zehnten Ausführungsbeispiel weist die bei positiver Polarität verwendete Zündkerze ein verbessertes Verhältnis von Zündsprüngen in dem distalen Endabschnitt der Zentralelektrode 2 auf, wodurch diese praktisch geeignet für Verwendung als intermittierende Halbgleitfunkenentladungs-Zündkerze mit hoher Beständigkeit gegen Kanalbildung wird. Zusätzlich erhöht das in dem distalen Endabschnitt der Zentralelektrode 2 eingebaute zündverschleißbeständige Element 29 die Lebensdauer der Zündkerze.
19 zeigt im Schnitt den distalen Endabschnitt einer für das Zündsystem gemäß dem elften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendeten Zündkerze. Bei dieser intermittierenden Halbgleitfunkenentladungs-Zündkerze wird der Durchmesser des aus Inconel bestehenden Zentralelektrodenkörpers 2 in dem Abschnitt, der von dem Porzellanisolator 1 vorsteht, reduziert. Ein Plättchen aus zündverschleißbeständigem Element 201 in Form eines Platin-Zylinders (Pt) wird an den distalen Endabschnitt des Abschnittes reduzierten Durchmessers des Zentralelektrodenkörpers 2 widerstandsgeschweißt, wodurch die Zentralelektrode aus dem Plättchen 201 und dem Zent ralelektrodenkörper 2 hergestellt wird. Das vordere Ende der Zentralelektrode (des distalen Endes des Plättchens 201) wird zwischen dem vorderen und dem hinteren Bereich der Endfläche 11A einer jeden Erdungselektrode 11 angeordnet. Gemäß dem elften Ausführungsbeispiel kann der distale Endabschnitt der Zentralelektrode im Durchmesser reduziert werden, ohne dass die Gesamtstärke der Zentralelektrode beeinträchtigt wird, und der reduzierte Durchmesser trägt zu der Verbesserung des Selbstreinigungsvermögens der Zündkerze bei, indem der Wirkungsgrad der Zündreinigung während der Gleitfunkenentladung erhöht wird. Als ein weiterer Vorteil trägt das in dem distalen Endabschnitt der Zentralelektrode eingebaute Plättchen 201 zur Reduzierung des Zündverschleißes bei.
20 zeigt im Schnitt den distalen Endabschnitt der Zündkerze, die für das Zündsystem gemäß dem zwölften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Bei dieser Zündkerze befindet sich die Endfläche 11A der Erdungselektrode 11 schräg in Gegenüberlage zu der peripheren Seitenfläche der Zentralelektrode 2, die kein zündverschleißbeständiges Element aufweist. Der kürzeste Abstand G von der Endkante 11B an der Unterseite der Zeichnung der Endfläche 11A der Erdungselektrode 11 zu der peripheren Seitenfläche der Zentralelektrode 2 wird auf das 1,5-fache oder mehr als der kürzeste Abstand L von der Erdungselektrode 11 zu dem Porzellanisolator 1 ausgebildet. Weiterhin beträgt der Durchmesser K der Endfläche des Porzellanisolators 1 gleich 4,6. Die Dicke E der aus 95 Gewichtsprozent Nickel (Ni) bestehenden Erdungselektrode 11 beträgt 1,6. Der Halbgleitfunkenentladungs-Luftspalt L beträgt 0,5 und der Seitenelektroden-Luftspalt G beträgt 1,5. Im übrigen wird die Zentralelektrode 2 aus 95 Gewichtsprozent Nickel (Ni) ausgebildet. Andere Elemente sind ähnlich denen des dritten Ausführungsbeispieles.
21 zeigt im Schnitt den distalen Endabschnitt einer für das Zündsystem gemäß dem dreizehnten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendeten Zündkerze.
Wie dargestellt, wird ein aus Inconel (Warenzeichen) bestehender Zentralelektrodenkörper 2 in einen Porzellanisolator 1 versenkt. Ein zündverschleißbeständiges Element 202 in Form eines Platin-Zylinders (Pt) wird an die Spitzenfläche des versenkten Zentralelektrodenkörpers 2 widerstandsgeschweißt. Das zylindrische Element 202 besteht aus einem oberen Abschnitt kleinen Durchmessers und aus einem unteren Abschnitt großen Durchmessers. Die Spitzenfläche des Abschnittes kleinen Durchmessers des zylindrischen Elementes 202 wird zwischen dem vorderen und dem hinteren Rand der Endfläche 11A einer jeden Erdungselektrode 11, die aus 95 Gewichtsprozent Nickel (Ni) besteht, widerstandsgeschweißt. Der Zentralelektrodenkörper 2 und das zündverschleißbeständige Element 202 werden kombiniert, um die Zentralelektrode auszubilden. Diese Ausführung stellt relativ einfache Fertigung einer Zentralelektrode bereit, die einen dünnen Zündsprung-Abschnitt und dennoch einen hohen Funkenwiderstand aufweist.
22 zeigt im Schnitt den distalen Endabschnitt einer für das Zündsystem gemäß dem vierzehnten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendeten Zündkerze. Wie dargestellt, wird ein aus Inconel (Warenzeichen) gefertigter Zentralelektrodenkörper 2 in einen Porzellanisolator 1 versenkt. Ein zündverschleißbeständiges Element 25 in Form eines Platin-Zylinders (Pt) wird an die Spitzenfläche des versenkten Zentralelktrodenkörpers 2 widerstandsgeschweißt. Das zylindrische Element 25 besteht aus einem oberen Abschnitt kleinen Durchmessers und aus einem unteren Abschnitt großen Durchmessers. Der Endflächenabschnitt des Porzellanisolators 1 ist so ausgebildet, dass er den Zentralelektrodenkörper 2 und den unteren Abschnitt großen Durchmessers des zylindrischen zündverschleißbeständigen Elementes 25 verdeckt. Der am meisten distale Endabschnitt kleinen Durchmessers des zündverschleißbeständigen Elementes 25 steht von der Endfläche des Porzellanisolators 1 so hervor, dass seine Spitzenfläche zwischen dem vorderen und dem hinteren Rand der Endfläche einer jeden aus Inconel (Warenzeichen) gefertigten Erdungselektrode angeordnet ist. Der Zentralelektrodenkörper 2 wird mit dem zündverschleißbeständigen Element 25 kombiniert, um die Zentralelektrode auszubilden.
23 ist eine Draufsicht des distalen Endabschnittes der Zündkerze, die für das Zündsystem gemäß dem in 22 gezeigten vierzehnten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Der distale Endabschnitt einer jeden Erdungselektrode 11 ist wie ein Keil verjüngt, und ein prismenförmiges zündverschleißbeständiges Element 26 aus Platin (Pt) ist an der Spitze befestigt. Das zündverschleißbeständige Element 26 an einer jeden Erdungselektrode befindet sich in Gegenüberlage zu der peripheren Seite des zündverschleißbeständigen Elementes 25, das als Teil der Zentralelektrode dient. In dem vierzehnten Ausführungsbeispiel weisen die Zentralelektrode und eine jede Erdungselektrode jeweils in dem Zündsprungabschnitt zündverschleißbeständige Elemente 25 bzw. 26 auf. Somit weisen der Zündsprungabschnitt 25 der Zentralelektrode und der Zündsprungabschnitt 26 einer jeden Erdungselektrode eine ausreichende Zündverschleißbeständigkeit auf, um die Lebensdauer der Zündkerze zu erhöhen. Zusätzlich weist die Endfläche des Porzellanisolators 1 eine größere Fläche als die Zündkerze gemäß dem in 21 gezeigten dreizehnten Ausführungsbeispiel auf, und somit hat die Zündkerze des vierzehnten Ausführungsbeispieles ein höheres Selbstreinigungsvermögen.

Claims

Zündsystem, umfassend: eine Mehrzahl von Zündkerzen (20), von denen jede eine Zentralelektrode (2), einen Isolator (1) zum Halten der Zentralelektrode (2), ein Hauptmetallgehäuse (5) zum Halten des Isolators (1) und eine mit dem Hauptmetallgehäuse (5) elektrisch verbundene Erdungselektrode (11) umfasst; und eine Spannungsanlegeeinheit (31, 32, 33, 34) zum Anlegen einer Zündhochspannung zwischen der Zentralelektrode (2) und der Erdungselektrode (11) von jeder der Zündkerzen; wobei für jede Zündkerze ein Zündentladungsspalt zwischen der Erdungselektrode (11) und einem distalen Endabschnitt der Zentralelektrode (2) ausgebildet ist; und die Erdungselektrode (11) derart angeordnet ist, dass ein hinterer Rand einer Fläche (11A) in Gegenüberlage zu einer peripheren Seite der Zentralelektrode (2) mehr an der Seite des distalen Endabschnittes der Zentralelektrode als einem Endabschnitt des Isolators (1) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsanlegeeinheit eine Positivspannungsanlegeeinheit ist, bei der bei einer Zündentladung der jeweiligen Zündkerze nur eine gegenüber der Erdungselektrode (11) positive Spannung an der Zentralelektrode (2) von jeder der Zündkerzen (20) anliegt.
Zündsystem nach Anspruch 1, bei dem der distale Endabschnitt der Zentralelektrode (2) an derjenigen Stelle, an der die periphere Seite der Zentralelektrode (2) der Erdungselektrode (11) gegenüberliegt, einen Durchmesser von 2,0 mm oder weniger aufweist.
Zündsystem nach Anspruch 2, bei dem der Durchmesser des distalen Endabschnittes der Zentralelektrode (2) in einem Bereich von 0,6 mm bis 1,8 mm liegt.
Zündsystem nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem der kürzeste Abstand (G) zwischen der Fläche (11A) der Erdungselektrode (11) und der Zentralelektrode (2) nigstens dem 1,5-fachen des kürzesten Abstandes (L) zwischen der Erdungselektrode (11) und dem Isolator (1) entspricht (1,5L ≤ G).
Zündsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die distale Endfläche der Zentralelektrode (2) zwischen den vorderen und hinteren Rändern der Fläche (11A) der Erdungselektrode (11) angeordnet ist.
Zündsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der kürzeste Abstand (L) zwischen der Erdungselektrode (11) und dem Isolator (1) zwischen 0,3 mm und 0,6 mm (0,3 ≤ L ≤ 0,6) und der kürzeste Abstand (G) zwischen der Oberfläche (11A) der Erdungselektrode (11) und der peripheren Seite der Zentralelektrode (2) bei G ≤ (2/3)L + 1,0 (in Millimetern) liegt.
Zündsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Zentralelektrode (2) in wenigstens einem Teil ihres distalen Endabschnittes ein zündverschleißbeständiges Element (21, 22, 23, 24, 25, 27, 28, 29, 201, 202, 203) aufweist.
Zündsystem nach Anspruch 7, bei dem sich das zündverschleißbeständige Element (21, 23, 24, 25, 27, 28, 29, 201, 202, 203) an der Zentralelektrode (2) in eine Position hinter den hinteren Rand der Fläche (11A) der Erdungselektrode (11) erstreckt.
Zündsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Erdungselektrode (11) in wenigstens einem Teil ihrer Fläche (11A) ein zündverschleißbeständiges Element (26) aufweist.
Zündsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Positivspannungsanlegeeinheit eine Zündspule (34) mit einer Primärspule und einer Sekundärspule in einer derartigen Anordnung aufweist, dass ein in der Primärspule der Zündspule (34) fließender Primärstrom in einer vorbestimmten Zündzeitspanne angehalten werden kann, damit die Zündhochspannung zwischen der Zentralelektrode (2) und der Erdungselektrode (11) der Zündkerze anliegt.
Zündsystem nach Anspruch 10, bei dem die Positivspannungsanlegeeinheit des Weiteren eine mit der Primärspule der Zündspule (34) verbundene elektrische Energiequelle (31) und eine Steuereinheit (32, 33) zum Steuern der Zündzeitspanne des Primärstromes aufweist.