EP0913897A1 - Zündkerze für Plasmastrahl-Zündeinrichtung - Google Patents

Zündkerze für Plasmastrahl-Zündeinrichtung Download PDF

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EP0913897A1
EP0913897A1 EP98117582A EP98117582A EP0913897A1 EP 0913897 A1 EP0913897 A1 EP 0913897A1 EP 98117582 A EP98117582 A EP 98117582A EP 98117582 A EP98117582 A EP 98117582A EP 0913897 A1 EP0913897 A1 EP 0913897A1
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EP
European Patent Office
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spark plug
section
combustion chamber
plasma
field lines
Prior art date
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EP98117582A
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English (en)
French (fr)
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EP0913897B1 (de
Inventor
Jürgen Dipl.-Ing. Gloger
Waldemar Dipl.-Ing. Krain
Manfred Prof. Dr.-Ing. Weniger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Volkswagen AG
Original Assignee
Volkswagen AG
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Publication of EP0913897A1 publication Critical patent/EP0913897A1/de
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Publication of EP0913897B1 publication Critical patent/EP0913897B1/de
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T13/00—Sparking plugs
    • H01T13/50—Sparking plugs having means for ionisation of gap

Definitions

  • the present invention relates to a spark plug for a plasma jet ignition device according to the preamble of claim 1.
  • increasing Requirements for internal combustion engines due to environmental protection, such as reduced Pollutant emissions and better use of the fuel, above all, can be achieve that the engine is operated in the so-called lean area, that is in the area of a Reduction of the proportion of fuel in the air-fuel mixture.
  • the engine in stratified operation i.e. with an inhomogeneous mixture distribution.
  • One way of improving ignition behavior is to use a plurality of Arrange ignition electrodes in the combustion chamber at the same time and with the ignition voltage act upon.
  • Such ignition systems form several flame cores at the same time and reach an ignition zone of greater extension, which is a safe ignition also allow problematic mixture systems. This is particularly disadvantageous high design effort to provide suitable spark plugs as well as the required Installation space on the engine itself.
  • Ignition methods for the ignition of fuel-air mixtures are also included Internal combustion engines are known in which with the help of plasma discharges thermal energy is introduced into the combustion chamber and the mixture is thereby ignited.
  • plasma ignitions one protrudes into a combustion chamber Electrode ignited the mixture located in the combustion chamber in that the mixture through a high-frequency field of sufficient energy to a reactive temperature is brought in by the gas introduced into the combustion chamber by the electrode High-frequency field enters the electrically conductive plasma state.
  • This is done at known devices such a plasma in the combustion chamber of a narrow Internal combustion engine generated and by varying the energy supplied or Frequency of the high-frequency field applied to the electrode the required Ignition temperature for the mixture in a determinable by the electrode geometry Room volume provided.
  • All known plasma jet ignition devices are included common that the formation of the plasma is spatially limited near the electrode takes place and therefore the spread of the flame front is not fundamentally different than in conventional spark plugs and therefore not fast for all engine operating states enough is done.
  • DE 40 28 869 A1 describes a spark plug for such a plasma jet ignition system proposed to achieve a sufficiently high energy density of the plasma the plasma discharge only in one in the electrode body of the spark plug ignition chamber arranged in the back is generated, thereby acting on larger ones Area of the mixture and thus an increase in ignition reliability only indirectly Ejection of ionized particles from the ignition chamber into the combustion chamber is possible.
  • the design of the electrode shape can be varied, whereby the shape of the Ignition chamber should be optimized with regard to the ignition behavior.
  • Can also be on the electrodes are provided with a heat-resistant electrical insulating layer which but is only used to protect against sparking.
  • the spark plug according to the invention as claimed in claim 1 is used in particular a method for operating a plasma jet ignition device in Internal combustion engines, as in a parallel application by the same applicant is described, which is also fully the subject of this application becomes.
  • This plasma jet ignition device has at least one area inside a Combustion chamber of an internal combustion engine arranged spark plug with at least an electrode.
  • This electrode is electrical with a high frequency generator connected, being in a fuel-air mixture in the combustion chamber by one of a high-frequency field provided to the high-frequency generator is generated.
  • the high-frequency field is regulated to a high voltage so that the Electrode in the fuel-air mixture simultaneously a plurality of high-resistance Form plasma threads of short duration.
  • Plasma discharges are a number of short-term and intense plasma threads formed, which lead to short-term, intense discharges of the plasma and many Flame cores in the fuel-air mixture cause, which makes a special good ignition behavior of the fuel-air mixture can be achieved. It will High-frequency field operated such that the fuel-air mixture in the Combustion chamber-formed plasma is not thermally in equilibrium. It is due the high frequency achieved that short-term, local high-resistance plasma discharges in Form the form of plasma threads, the intense flame cores for igniting the fuel-air mixture cause.
  • plasma threads only work for a short time, but they do due to their number in the area adjacent to the electrode at high Potential differences are particularly intense.
  • a generic spark plug according to claim 1, preferably for use with a Such plasma jet ignition device is characterized in that the inner electrode its combustion chamber end an electrically conductive, the field lines of Has high-frequency field bundling section, which is opposite to the combustion chamber an insulator layer is covered.
  • the design of the electrode end by a the electrically conductive section that bundles the field lines of the high-frequency field calls the high-resistance plasma discharges, which reliably ignite fuel-air mixtures even further away from the electrode end within the combustion chamber favored.
  • this is subject to the field lines of the high-frequency field Section and in particular its fuel-air mixture tapered end normally a high load due to the high impedance Plasma discharges and combustion.
  • the field lines of the high-frequency field bundling section of the inner electrode the shape of at least one to the Bennraum tapered tip area.
  • this top area are formed by the connected field line density from high local field strengths, which the electrical discharge enable and initiate the formation of flame nuclei.
  • leads advantageous taper not to disturb the field lines or the high-frequency field due to arcing, for example, due to interference radiation negatively on electronic Devices in the vicinity of the internal combustion engine could act.
  • the one that bundles the field lines of the high-frequency field Section of the inner electrode several, tapering to the combustion chamber, diverging have tip regions arranged to each other. This is due to the Radio frequency field is not just a single starting point for the emergence of a provided high-resistance plasma, but according to the number of such peaks can form a larger volume area with high-resistance plasma, which leads to a large-volume and thus improved ignition and combustion of the fuel-air mixture contributes.
  • At least the insulator layer in the area of the Field lines of the high-frequency field bundling section of the inner electrode from one material resistant to erosion and electrical erosion. This will make the Covering the section very resistant to stresses arising from operation the internal combustion engine and the formation of the plasma and the combustion in the combustion chamber.
  • Typical insulator materials can be used as the insulator material Find use that is used in spark plug construction or in electrical insulation construction become.
  • the covering insulator layer consists of a thin layer exists, which is easily enforceable by the field lines. This will create the Plasmas not hindered by the field lines of the radio frequency field, so that by the Covering this section does not affect the ignition properties of the Spark plug is caused.
  • the isolator and the covering can Insulator layer made of an aluminum oxide, in another embodiment made of quartz glass (fused silica) exist.
  • the spark plug can be designed as a lifetime Internal combustion engine functional spark plug to be designed, whereby especially cost-intensive change and maintenance processes during the service life the internal combustion engine can be avoided.
  • spark plug according to claim 1 in lean-burn engines Stratified charge engines or diesel engines are used, as this causes the mixture to ignite these ignition-problematic engines can be significantly improved.
  • FIG Drawing A particularly advantageous embodiment of the spark plug according to the invention is shown in FIG Drawing.
  • FIG. 1 is a schematic representation of an inventive Spark plug shown in a partial view in section.
  • the spark plug is only shown with its section facing the combustion chamber 7 since it otherwise the known spark plugs can correspond essentially and only that Design of the combustion chamber side section is important in the context of this invention.
  • the spark plug consists of one arranged here along the screw axis Inner conductor 1, which consists of an electrically conductive material and on the connection side the spark plug with a connection to an ignition cable or the like. in electrical connection stands.
  • the inner conductor 1 is surrounded by an insulator 2 made of a preferably ceramic material in the form of a thick-walled, essentially tubular component, in the Inner bore of the inner conductor 1 is used.
  • a ground-leading housing electrode 4 which is on its outside carries a thread 11 with which the spark plug in a manner not known in principle illustrated threaded hole z. B. an internal combustion engine and can be set.
  • the ground-leading housing electrode 4 and the inner electrode 1 form a pair of electrodes, as is also known in conventional spark plugs.
  • the thick-walled insulator 2 the two electrodes 1, 4 are separated from each other, so that maintain the electrical potential difference between the two electrodes 1, 4 remains.
  • the insulator 2 also has a profile 5 as protection against Leakage currents, which is also provided on conventional spark plugs.
  • the design of the spark plug according to the invention can be seen in the section here furthest into the combustion chamber 7 of the internal combustion engine.
  • the inner electrode 1 here forms an arrangement of z. B. three diverging and pointing in different directions of the combustion chamber 7 tips 3 that each from the node at which they are connected to the inner electrode 1 stand, taper towards the combustion chamber 7.
  • the inner electrode 1 three at the same electrical potential 3 peaks, at which this is in the Can generate fuel-air mixture plasma 6.
  • Spark plug according to the invention is that the electrode tips 3 of a thin layer 10 are coated from an insulator material, which the electrode tips 3 of the in Combustion chamber 7 located plasma 6 and the fuel-air mixture separates.
  • the layer thickness of the the electrode tips 3 covering insulator 10 are chosen so that the formation of the Plasma 6 is not due to the high-frequency field that passes through the insulator layer 10 is hindered.
  • the inner electrode 1 will also operate after a long period of operation unchanged covered with the insulator 10 and thus protected against wear. Also is through the covering insulator layer 10 on which the field lines of the radio frequency field bundling section 9 prevents arcing in the thermally not in Form equilibrium plasma 6.
  • the insulator layer 10 covering the electrode tips 3 can, for example, consist of one Alumina or quartz glass exist.

Landscapes

  • Ignition Installations For Internal Combustion Engines (AREA)
  • Spark Plugs (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Zündkerze für eine Plasmastrahl-Zündeinrichtung, die an ihrem in einem Brennraum (7) einer Verbrennungskraftmaschine angeordneten Abschnitt (8) zumindest teilweise eine Isolatorschicht (2) aufweist, die eine elektrisch leitfähige Innenelektrode (1) von einer masseführenden Gehäuseelektrode (4) trennt, wobei an die Zündkerze ein Hochfrequenzfeld hoher Spannung anlegbar ist, das in dem Brennraum (9) ein Plasma (6) bildet und ein in dem Brennraum (7) befindliches Kraftstoff-Luft-Gemisches zündet. Diese gattungsgemäße Zündkerze wird dadurch weiterentwickelt, daß die Innenelektrode (1) an ihrem brennraumseitigen Ende mindestens einen elektrisch leitenden, die Feldlinien des Hochfrequenzfeldes bündelnden Abschnitt (9) aufweist, der gegenüber dem Brennraum (7) durch eine Isolatorschicht (10) abgedeckt ist. <IMAGE>

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zündkerze für eine Plasmastrahl-Zündeinrichtung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
Zur Entzündung von Kraftstoff-Luft-Gemischen in Verbrennungskraftmaschinen werden in Ottomotoren fast ausschließlich Zündanlagen mit konventionellen Spulenzündungen und Zündkerzen verwandt. Bei derartigen Systemen erzeugt die von der Zündspule bereitgestellte Zündenergie, die im Brennraum des Motors freigesetzt wird, eine Funkenentladung zwischen eng benachbarten Elektroden der Zündkerzen, bei der als Nachteil relativ hohe Wärmeverluste an den Zündkerzenelektroden auftreten. Die Übertragung der Zündenergie auf das Kraftstoff-Luft-Gemisch erfolgt durch direkten Kontakt des Zündfunkens mit dem Kraftstoff-Luft-Gemisch, wodurch eine Ausbildung von Flammenkernen nur in direkter Umgebung der Funkenstrecke der Zündkerzen stattfindet. Zudem kann durch den Kontakt mit den relativ kalten Zündkerzenelektroden eine partielle Auslöschung des Flammenkernes erfolgen. Derartige als Quenchverluste bezeichnete Verluste lassen sich bei den konventionellen Zündsystemen nicht vermeiden. Von besonderem Nachteil an den konventionellen Spulenzündsystemen ist es, daß die freiliegenden elektrisch leitfähigen Elektrodenabschnitte der Zündkerzen einem hohen Verschleiß durch Abbrand infolge der Funkenüberschlage zwischen ihnen unterliegen, wodurch nur geringe Standzeiten hervorgerufen werden und kurze Wartungsintervalle einzuhalten sind.
Reicht die trotz Quenchverlusten verbleibende Zündenergie bei konventionellen Zündanlagen unter normalen Betriebszuständen des Motors für eine sichere Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches aus, so können in bestimmten Betriebsbereichen oder Betriebsarten des Motors Gemischzusammensetzungen auftreten, die mit derartigen Zündverfahren nicht mehr sicher gezündet werden können. Insbesondere zunehmende Anforderungen an Verbrennungskraftmaschinen durch den Umweltschutz, wie verringertem Schadstoffausstoß und besserer Ausnutzung des Kraftstoffes, lassen sich vor allem dadurch erreichen, daß der Motor im sog. Magerbereich betrieben wird, also im Bereich einer Verringerung des Kraftstoffanteils am Kraftstoff-Luft-Gemisch. Ebenso kann der Motor in geschichtetem Betrieb, also mit einer inhomogenen Gemischverteilung, betrieben werden. Derartige Gemische sind generell aber schwieriger zu zünden als fettere Gemische, da die Geschwindigkeit der sich nach der Zündung im Gemisch ausbreitenden Flammenfront bei einem mageren Gemisch geringer als bei einem fetten Gemisch ist. Es kommt somit bei konventionellen Zündsystemen zu unvollständiger Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches oder sogar komplettem Ausbleiben der Zündung und damit zu Verlusten eines Arbeitstaktes. Somit wird die Grenze der Abmagerung des Gemisches mit zunehmender Abmagerung durch einen rauhen Lauf des Motors infolge von Zündaussetzern bestimmt. Um auch bei aus Umweltschutzgründen erwünschten Magergemischen eine sichere Zündung des Gemisches zu erreichen, müssen die konventionellen Zündanlagen verbessert oder ersetzt werden.
Eine Möglichkeit der Verbesserung des Zündverhaltens besteht darin, eine Mehrzahl von Zündelektroden gleichzeitig im Brennraum anzuordnen und mit der Zündspannung zu beaufschlagen. Derartige Zündsysteme bilden dabei mehrere Flammenkerne gleichzeitig aus und erreichen damit eine Zündzone größerer Erstreckung, die eine sichere Zündung auch problematischer Gemischsysteme erlauben soll. Nachteilig hieran ist insbesondere der hohe konstruktive Aufwand zur Bereitstellung geeigneter Zündkerzen sowie der benötigte Bauraum am Motor selbst.
Es sind weiterhin Zündverfahren für die Zündung von Kraftstoff-Luft-Gemischen bei Verbrennungskraftmaschinen bekannt, bei denen mit Hilfe von Plasmaentladungen thermische Energie in den Brennraum eingebracht und dadurch das Gemisch gezündet wird. Bei derartigen Plasmazündungen wird durch eine in einen Brennraum hineinragende Elektrode das in dem Brennraum befindliche Gemisch dadurch gezündet, daß das Gemisch durch ein Hochfrequenzfeld ausreichender Energie auf eine reaktionsfähige Temperatur gebracht wird, indem das Gas durch das von der Elektrode in den Brennraum eingebrachte Hochfrequenzfeld in den elektrisch leitfähigen Plasmazustand gelangt. Hierzu wird bei bekannten Einrichtungen ein solches Plasma eng begrenzt in dem Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine erzeugt und durch Variation der zugeführten Energie bzw. Frequenz des an der Elektrode anliegenden Hochfrequenzfeldes die benötigte Zündtemperatur für das Gemisch in einem durch die Elektrodengeometrie bestimmbaren Raumvolumen bereitgestellt. Allen bekannten Plasmastrahl-Zündeinrichtungen ist dabei gemeinsam, daß die Bildung des Plasmas räumlich begrenzt in der Nähe der Elektrode erfolgt und daher die Ausbreitung der Flammenfront nicht grundsätzlich anders als bei herkömmlichen Zündkerzen und damit nicht für alle Betriebszustände des Motors schnell genug erfolgt.
In der DE 40 28 869 A1 wird eine Zündkerze für ein derartiges Plasmastrahl-Zündsystem vorgeschlagen bei der zur Erzielung einer ausreichend hohen Energiedichte des Plasmas die Plasmaentladung ausschließlich in einer in dem Elektrodenkörper der Zündkerze zurückliegend angeordneten Zündkammer erzeugt wird, wodurch ein Einwirken auf größere Bereiches des Gemisches und damit eine Erhöhung der Zündsicherheit nur indirekt durch Ausschleudern von ionisierten Teilchen aus der Zündkammer in den Brennraum möglich ist. Die Ausgestaltung der Elektrodenform kann variiert werden, wobei hierdurch die Form der Zündkammer im Hinblick auf das Zündverhalten optimiert werden soll. Ebenfalls kann an den Elektroden eine wärmebeständige elektrische Isolierschicht vorgesehen werden, die jedoch nur zum Schutz gegen Funkenbildung eingesetzt wird. Nachteilig an dieser vorgeschlagenen Lösung ist es vor allem, daß das zu entzündende Kraftstoff-Luft-Gemisch nur in einem kleinen Teilvolumen von dem Plasma gezündet werden kann und darüberhinaus durch die thermische Belastung und Druckbelastung aufgrund expandierender Gase die Elektroden der Zündkammer hohem Verschleiß unterliegen.
Es ist daher Aufgabe der folgenden Erfindung, eine Zündkerze für eine Plasmastrahl-Zündeinrichtung einer Verbrennungskraftmaschine vorzuschlagen, mit der der Verschleiß an der Zündkerze bei gleichzeitiger Verbesserung der Zündeignung für das Kraftstoff-Luft-Gemisch verringert werden kann.
Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 in Zusammenwirken mit den Merkmalen des Oberbegriff. Die Unteransprüche beschreiben jeweils bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Zündkerze.
Die erfindungsgemäße Zündkerze nach Anspruch 1 findet insbesondere Anwendung bei einem Verfahren zum Betreiben einer Plasmastrahl-Zündeinrichtung in Verbrennungskraftmaschinen, wie es in einer parallelen Anmeldung derselben Anmelderin beschrieben ist, die hier vollumfänglich auch zum Gegenstand dieser Anmeldung gemacht wird.
Diese Plasmastrahl-Zündeinrichtung weist mindestens eine bereichsweise im Inneren eines Brennraumes einer Verbrennungskraftmaschine angeordnete Zündkerze mit zumindest einer Elektrode auf. Diese Elektrode ist mit einem Hochfrequenzerzeuger elektrisch verbunden, wobei in einem im Brennraum befindlichen Kraftstoff-Luft-Gemisch durch ein von dem Hochfrequenzerzeuger bereitgestelltes Hochfrequenzfeld ein Plasma erzeugt wird. Hierbei wird das Hochfrequenzfeld derart auf eine hohe Spannung geregelt, daß sich an der Elektrode in dem Kraftstoff-Luft-Gemisch gleichzeitig eine Mehrzahl hochohmiger Plasmafäden kurzer Dauer ausbilden. Im Gegensatz zu den bekannten Verfahren zur Zündung mittels Plasmen, die im wesentlichen durch längerbrennende, stationäre Plasmen erzeugt werden, wird durch die hochfrequenten und von hoher Spannung hervorgerufenen Plasmaentladungen eine Anzahl sich kurzzeitig und intensiv ausbildender Plasmafäden gebildet, die zu kurzzeitigen, intensiven Entladungen des Plasmas führen und viele Flammenkerne in dem Kraftstoff-Luft-Gemisch hervorrufen, wodurch sich ein besonders gutes Zündverhalten des Kraftstoff-Luft-Gemisches erreichen Iäßt. Dabei wird das Hochfrequenzfeld derart betrieben, daß sich das in dem Kraftstoff-Luft-Gemisch im Brennraum gebildete Plasma thermisch nicht im Gleichgewicht befindet. Es wird aufgrund der hohen Frequenz erreicht, daß sich kurzzeitige, lokale hochohmige Plasmaentladungen in Form von Plasmafäden ausbilden, die intensive Flammenkerne zur Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches hervorrufen. Zwar wirken diese Plasmafäden nur kurzzeitig, dafür aber aufgrund ihrer Anzahl in dem der Elektrode benachbarten Bereich bei der hohen Potentialdifferenzen besonders intensiv. Hierbei können sich die Plasmafäden von der Elektrode büschelförmig divergierend in das Kraftstoff-Luft-Gemisch ausbreiten. Dies ruft eine großvolumige Ausbreitung von Flammenkernen hervor, durch die das Kraftstoff-Luft-Gemisch ebenfalls großvolumig gezündet wird. Hierdurch werden auch von der mindestens einen Elektrode weiter entfernte Volumina des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Brennraum sicher gezündet, wodurch zum einen eine unvollständige Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches vermieden und gleichzeitig die Zündsicherheit auch bei zündungünstigen, inhomogenen Gemischen erhöht wird.
Eine gattungsgemäße Zündkerze gemäß Anspruch 1 vorzugsweise für den Einsatz mit einer solchen Plasmastrahl-Zündeinrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß die Innenelektrode an ihrem brennraumseitigen Ende einen elektrisch leitenden, die Feldlinien des Hochfrequenzfeldes bündelnden Abschnitt aufweist, der gegenüber dem Brennraum durch eine Isolatorschicht abgedeckt ist. Die Gestaltung des Elektrodenendes durch einen elektrisch leitenden, die Feldlinien des Hochfrequenzfeldes bündelnden Abschnitt ruft die hochohmigen Plasmaentladungen hervor, die ein sicheres Zünden von Kraftstoff-Luft-Gemischen auch noch weiter entfernt von dem Elektrodenende innerhalb des Brennraumes begünstigt. Hierbei unterliegt jedoch dieser die Feldlinien des Hochfrequenzfeldes bündelnde Abschnitt und dabei insbesondere sein dem Kraftstoff-Luft-Gemisch zugewandtes verjüngendes Ende normalerweise einer hohen Belastung durch die hochohmigen Plasmaentladungen und die Verbrennung. Zwar bilden sich keine Bogenentladungen wie bei herkömmlichen Zündkerzen aus, doch verschleißt ein ungeschützter derartiger Abschnitt durch Elektroerosion auch durch die Plasmaentladungen und die Korrosion der Verbrennung relativ schnell. Daher wird dieser Abschnitt gegenüber dem Brennraum durch eine Isolatorschicht abgedeckt, die eine unmittelbare Einwirkung des Plasmas bzw. der Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches auf die elektrisch leitfähigen Teile des die Feldlinien des Hochfrequenzfeldes bündelnden Abschnittes verhindert. Hierdurch wird die Belastung dieser Bereiche deutlich vermindert und dadurch die Lebensdauer der Zündkerze insgesamt deutlich erhöht.
In einer bevorzugten Weiterbildung weist der die Feldlinien des Hochfrequenzfeldes bündelnde Abschnitt der Innenelektrode die Form mindestens eines sich zum Bennraum verjüngenden Spitzenbereiches auf. In diesem Spitzenbereich bilden sich durch die damit verbundene Feldliniendichte hohe lokale Feldstärken aus, welche die elektrische Entladung ermöglichen und die Flammenkembildung einleiten. Darüberhinaus führt eine solche vorteilhafte Verjüngung nicht zu einer Störung der Feldlinien bzw. des Hochfrequenzfeldes durch Überschläge, die beispielsweise durch Störstrahlungen negativ auf elektronische Geräte in der Nähe der Verbrennungskraftmaschine einwirken könnte.
In einer anderen Ausgestaltung kann der die Feldlinien des Hochfrequenzfeldes bündelnde Abschnitt der Innenelektrode mehrere sich zum Brennraum venüngende, divergierend zueinander angeordnete Spitzenbereiche aufweisen. Hierdurch wird aufgrund des Hochfrequenzfeldes nicht nur ein einzelner Ausgangspunkt für die Entstehung eines hochohmigen Plasmas bereitgestellt, sondern entsprechend der Anzahl derartiger Spitzen kann sich ein volumenmäßig größerer Bereich mit hochohmigem Plasma bilden, der zu einer großvolumigeren und damit verbesserten Zündung und Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches beiträgt.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn zumindest die Isolatorschicht im Bereich des die Feldlinien des Hochfrequenzfeldes bündelnden Abschnittes der Innenelektrode aus einem gegen Abbrand und Elektroerosion widerstandsfähigem Material besteht. Hierdurch wird die Abdeckung des Abschnittes sehr resistent gegenüber Belastungen, die sich aus dem Betrieb der Verbrennungskraftmaschine sowie der Bildung des Plasmas und der Verbrennung in dem Brennraum ergeben. Als Isolatormaterial können typische Isolatormaterialien Verwendung finden, die im Zündkerzenbau oder auch im Elektroisolationsbau benutzt werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die abdeckende Isolatorschicht aus einer dünnen Schicht besteht, die von den Feldlinien leicht durchsetzbar ist. Hierdurch wird die Entstehung des Plasmas durch die Feldlinien des Hochfrequenzfeldes nicht behindert, so daß durch die Abdeckung dieses Abschnittes keine Beeinträchtigung der Zündeigenschaften der Zündkerze hervorgerufen wird. In einer Weiterbildung kann der isolator und die abdeckende Isolatorschicht aus einem Aluminiumoxid, in einer anderen Ausgestaltung aus Quarzglas (fused silica) bestehen.
Durch Wahl der entsprechenden Materialien für die Abdeckung und sonstige beschriebene Gestaltung kann die Zündkerze als eine über die ganze Lebensdauer der Verbrennungskraftmaschine funktionsfähige Zündkerze ausgelegt sein, wodurch insbesondere kostenintensive Wechsel- und Wartungsvorgänge während der Lebensdauer der Verbrennungskraftmaschine vermieden werden.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn die Zündkerze gemäß Anspruch 1 in Magermotoren, Schichtlademotoren oder Dieselmotoren verwendet wird, da hierdurch die Gemischzündung dieser zündmäßig nicht unproblematischen Motoren deutlich verbessert werden kann.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Zündkerze geben die weiteren Unteransprüche an.
Eine besonders vorteilhafte Ausbildung der erfindungsgemäßen Zündkerze zeigt die Zeichnung.
Es zeigt:
Figur 1
einen Schnitt durch den Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine mit darin angeordneter erfindungsgemäßer Zündkerze
In der einzigen Figur 1 ist in einer schematischen Darstellung eine erfindungsgemäße Zündkerze in einer Teilansicht im Schnitt dargestellt.
Die Zündkerze ist nur mit ihrem dem Brennraum 7 zugewandten Abschnitt dargestellt, da sie ansonsten den bekannten Zündkerzen im wesentlichen entsprechen kann und nur die Gestaltung des brennraumseitigen Abschnittes im Rahmen dieser Erfindung von Belang ist. Die Zündkerze besteht aus einem hier entlang der Einschraubachse angeordneten Innenleiter 1, der aus einem elektrisch leitenden Material besteht und an der Anschlußseite der Zündkerze mit einem Anschluß an ein Zündkabel oder dgl. in elektrischer Verbindung steht. Den Innenleiter 1 umgibt ein Isolator 2 aus einem vorzugsweise keramischen Material in Form eines dickwandigen, im wesentlichen rohrförmigen Bauteils, in dessen Innenbohrung der Innenleiter 1 eingesetzt ist. Auf der Außenseite des Isolators 2 ist in einem Teilabschnitt eine masseführende Gehäuseelektrode 4 dargestellt, die auf ihrer Außenseite ein Gewinde 11 trägt, mit dem die Zündkerze in grundsätzlich bekannter Weise in einer nicht dargestellten Gewindebohrung z. B. einer Verbrennungskraftmaschine angeordnet und festgelegt werden kann. Die masseführende Gehäuseelektrode 4 und die Innenelektrode 1 bilden ein Elektrodenpaar, wie dies bei konventionellen Zündkerzen auch bekannt ist. Durch den dickwandigen Isolator 2 sind die beiden Elektroden 1, 4 voneinander getrennt, so daß die elektrische Potentialdifferenz zwischen den beiden Elektroden 1, 4 aufrechterhalten bleibt. Außenseitig trägt der Isolator 2 noch eine Profilierung 5 als Schutz gegen Kriechströme, der auch an konventionellen Zündkerzen vorgesehen ist.
Die erfindungsgemäße Gestaltung der Zündkerze ist in dem Abschnitt zu erkennen, der hier am weitesten in den Brennraum 7 der Verbrennungskraftmaschine hineinragt. Die Innenelektrode 1 bildet hierbei an ihren brennraumseitigen Ende eine Anordnung von z. B. drei divergierend und in verschiedene Richtungen des Brennraumes 7 zeigenden Spitzen 3, die sich jeweils von dem Knotenpunkt, an dem sie mit der Innenelektrode 1 in Verbindung stehen, in Richtung des Brennraumes 7 hin verjüngen. Hierdurch bildet die Innenelektrode 1 drei auf gleichem elektrischen Potential liegende Spitzen 3 aus, an denen sich das in dem Kraftstoff-Luft-Gemisch hervorzurufende Plasma 6 bilden kann.
Durch die Ausbildung der brennraumseitigen Spitzen 3 der Innenelektrode 1 wird weiterhin erreicht, daß sich an jeder der Spitzen 3 eine starke Felderhöhung des an der Innenelektrode 1 im Betrieb angelegten Hochfrequenzfeldes ausbildet, die die Wirkung des Hochfrequenzfeldes auf das Kraftstoff-Luft-Gemisch verstärkt. Hierdurch bilden sich an der Zündkerze, wenn diese an der Plasmastrahl-Zündeinrichtung betrieben wird, an dem die Feldlinien des Hochfrequenzfeldes bündelnden Abschnitt 9 Büschelentladungen eines thermisch nicht im Gleichgewicht befindlichen Plasmas 6 aus, die von Korona- und/oder Streamer-Entladungen an dem die Feldlinien des Hochfrequenzfeldes bündelnden Abschnitt 9 hervorgerufen werden. Diese Büschelentladungen durchsetzen das Plasma 6 in dem Kraftstoff-Luft-Gemisch auch in weiter von der Innenelektrode 1 entfernten Volumina und bilden dadurch großvolumig Flammenkerne aus, die das Kraftstoff-Luft-Gemisch ebenfalls großvolumig zünden.
Von besonderem Vorteil der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zündkerze ist es, daß die Elektrodenspitzen 3 von einer dünnen Schicht 10 aus einem Isolatormaterial überzogen sind, das die Elektrodenspitzen 3 von dem im Brennraum 7 befindlichen Plasma 6 und dem Kraftstoff-Luft-Gemisch trennt. Hierdurch erhöht sich die Lebensdauer der Innenelektrode 1 und damit der gesamten Zündkerze deutlich, so daß die Zündkerze sogar während der gesamten Lebensdauer der Verbrennungskraftmaschine funktionsfähig bleiben kann. Hierbei sollte die Schichtdicke des die Elektrodenspitzen 3 bedeckenden Isolators 10 so gewählt werden, daß die Bildung des Plasmas 6 aufgrund des Hochfrequenzfeldes, das die Isolatorschicht 10 durchsetzt, nicht behindert wird. Wird eine Isolatorschicht 10 gewählt, die zudem besonders resistent gegen Elektroerosion und Abbrand ist, so wird die Innenelektrode 1 auch nach langer Betriebszeit unverändert mit dem Isolator 10 bedeckt und damit gegen Verschleiß geschützt sein. Auch wird durch die abdeckende Isolatorschicht 10 an dem die Feldlinien des Hochfrequenzfeldes bündelnden Abschnitt 9 verhindert, daß sich Bogenentladungen in dem thermisch nicht im Gleichgewicht befindlichen Plasmas 6 bilden.
Die die Elektrodenspitzen 3 bedeckende Isolatorschicht 10 kann beispielsweise aus einem Aluminiumoxid oder Quarzglas bestehen.
BEZUGSZEICHENLISTE
1
Innenelektrode
2
Isolator
3
Elektrodenspitzen
4
masseführende Gehäuseelektrode
5
Kriechstromschutz
6
büschelförmige Entladungen
7
Brennraum
8
brennraumseitiger Abschnitt
9
feldlinienbündelnder Abschnitt
10
abdeckende Isolatorschicht
11
Gewinde

Claims (12)

  1. Zündkerze für eine Plasmastrahl-Zündeinrichtung, die an ihrem in einem Brennraum (7) einer Verbrennungskraftmaschine angeordneten Abschnitt (8) zumindest teilweise eine Isolatorschicht (2) aufweist, die eine elektrisch leitfähige Innenelektrode (1) von einer masseführenden Gehäuseelektrode (4) trennt, wobei an die Zündkerze ein Hochfrequenzfeld hoher Spannung anlegbar ist, das in dem Brennraum (9) ein Plasma (6) bildet und ein in dem Brennraum (7) befindliches Kraftstoff-Luft-Gemisches zündet,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Innenelektrode (1) an ihrem brennraumseitigen Ende mindestens einen elektrisch leitenden, die Feldlinien des Hochfrequenzfeldes bündelnden Abschnitt (9) aufweist, der gegenüber dem Brennraum (7) durch eine Isolatorschicht (10) abgedeckt ist.
  2. Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der die Feldlinien des Hochfrequenzfeldes bündelnde Abschnitt (9) der Innenelektrode (1) die Form mindestens eines sich zum Brennraum (7) verjüngenden Spitzenbereiches (3) aufweist.
  3. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der die Feldlinien des Hochfrequenzfeldes bündelnde Abschnitt (9) der Innenelektrode (1) mehrere sich zum Brennraum (7) verjüngende, divergierend zueinander angeordnete Spitzenbereiche (3) aufweist.
  4. Zündkerze nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die abdeckende Isolatorschicht (10) im Bereich des die Feldlinien des Hochfrequenzfeldes bündelnden Abschnittes (9) der Innenelektrode (1) aus einem gegen Abbrand und Elektroerosion widerstandsfähigem Material besteht.
  5. Zündkerze nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die abdeckende Isolatorschicht (10) zumindest im Bereich des die Feldlinien des Hochfrequenzfeldes bündelnden Abschnittes (9) aus einer dünnen Schicht besteht, die von den Feldlinien leicht durchsetzbar ist.
  6. Zündkerze nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die abdeckende Isolatorschicht (10) zumindest im Bereich des die Feldlinien des Hochfrequenzfeldes bündelnden Abschnittes (9) aus einem Aluminiumoxid besteht.
  7. Zündkerze nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die abdeckende Isolatorschicht (10) zumindest im Bereich des die Feldlinien des Hochfrequenzfeldes bündelnden Abschnittes (9) aus Quarzglas (fused silica) besteht.
  8. Zündkerze nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündkerze als eine über die ganze Lebensdauer der Verbrennungskraftmaschine funktionsfähige Zündkerze ausgelegt ist.
  9. Zündkerze nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündkerze in der Plasmastrahl-Zündeinrichtung an dem die Feldlinien des Hochfrequenzfeldes bündelnden Abschnitt (9) Büschelentladungen eines thermisch nicht im Gleichgewicht befindlichen Plasmas (6) ausbildet.
  10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasma (6) aus Korona- und/oder Streamer-Entladungen an dem die Feldlinien des Hochfrequenzfeldes bündelnden Abschnitt (9) gebildet ist.
  11. Zündkerze nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die abdeckende Isolatorschicht (10) an dem die Feldlinien des Hochfrequenzfeldes bündelnden Abschnitt (9) Bogenentladungen in dem thermisch nicht im Gleichgewicht befindlichen Plasmas (6) verhindert.
  12. Verwendung der Zündkerze gemäß Anspruch 1 in Magermotoren, Schichtlademotoren oder Dieselmotoren.
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