WO1987001876A1

WO1987001876A1 - Spark plug with surface discharge section

Info

Publication number: WO1987001876A1
Application number: PCT/DE1986/000353
Authority: WO
Inventors: Walter Benedikt; Werner Herden; Jürgen SCHMATZ; Siegbert Schwab
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 1985-09-17
Filing date: 1986-09-04
Publication date: 1987-03-26
Also published as: DE3533123A1; EP0236376A1

Description

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Zündkerze mit Gleitfunkenstrecke

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Zündkerze mit Gleit¬ funkenstrecke für Brennkraftmaschinen nach der Gattung des Anspruchs 1.

Solche Zündkerzen mit Gleitfunkenstrecke, die sich an der brennraumseitigen Oberfläche des Isolierkörpers zwischen der Mittel- und Masseelektrode ausbildet, zeichnen sich durch eine gegenüber einer Zündkerze mit Luftfunkenstrecke wesentlich niedrigere Zündspan¬ nung aus. Es hat sich dabei gezeigt, daß die Zündspan¬ nung um so niedriger ist, je größer die Dielektrizitäts¬ konstante des Isolierkörperwerkstoffes ist. Ein solcher Isolierkörper aus hochdielektrischem Material führt je- doch in einer Zündkerze zu einer relativ hohen Kapazi¬ tät, die an der Gleitfunkenstrecke eine Durchbruchentla- düng bewirkt. Infolge des bei der Durchbruchentladung entstehenden sehr heißen Funkens von einigen Zehntau¬ send Grad erodieren die Oberflächen der Elektroden und besonders die Gleitbahn der Gleitfunkenstrecke stark, wodurch wiederum die ordnungsgemäße Funktion der Zünd¬ kerze und deren Lebensdauer wesentlich beeinträchtigt werden.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Zündkerze mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß zur Ausbildung der Gleitfunkenstrecke keine größere Zündspannung erforderlich ist als bei den bekannten Zündkerzen, eine Durchbruchentladung und damit deren nachteiligen Folgewirkungen aber zuverlässig ausge- schaltet werden. Durch das hochdielektrische Isolier¬ körper-Unterteil wird beim Spannungsanstieg die Aus¬ bildung einer Oberflächenladung auf der Gleitbahn be¬ günstigt, deren Größe proportional der relativen Dielek¬ trizitätskonstantendes Gleitbahn-Werkstoffes ist, jedoch wird durch die Zweiteiligkeit des Isolierkörpers, von dem nur dessen volumenkleinerer Unterteil die hohe rela¬ tive Elektrizitätskonstante aufweist, die der Zündkerze anhaftende Kapazität relativ niedrig. Damit ist die in dieser Kapazität gespeicherte Energie, die verantwort- lieh für ein Durchbruchentladung und für den damit ver¬ bundenen heißen Funken ist, relativ niedrig. Anstelle einer Durchbruchentladung der Gleitfunkenstrecke kommt es zu einer relativ "kalten" Glimmentladung, deren ero¬ dierende Wirkung an Elektroden und Isolierkörper sehr gering ist. Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maß¬ nahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesse¬ rungen der im Anspruch 1 angegebenen Zündkerze möglich.

Eine vorteilhafte Ausführungsform ergibt sich dabei aus Anspruch 2. Durch diese Maßnahmen wird in Verbindung mit dem hochdielektrischen Werkstoff des Isolierkörpers beim Spannungsanstieg an den Elektroden die Ausbildung der Oberflächenladung auf der Gleitbahn wesentlich verbessert. Diese Oberflächenladung besteht aufgrund der Polarität der Elektroden aus Elektronen. Die Oberflächenladung ist auch zusätzlich proportional der Normalkomponente der elektrischen Feldstärke zwischen den Elektroden. Durch die Gestaltung der brennraumseitigen Oberfläche des Iso¬ lierkörpers wird bei gegebener elektrischer Feldstärke die Normalkomponente besonders groß.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich auch aus Anspruch 3, insbesondere in Verbindung mit Anspruch 4. Durch die hochisolierende Trennschicht aus Silikongummi, Epoxydharz oder Glas wird ein Durchschla- gen an der Trennstelle zwischen Ober- und Unterteil des Isolierkörpers verhindert.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich auch aus Anspruch 6, insbesondere in Verbindung mit Anspruch 7. Durch diese Maßnahme wird eine Bogen- entladung nach Zünden der Gleitfunkenstrecke vermieden. Als Widerstandswert wird etwa 1 kü ngestrebt.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich auch aus Anspruch 8. Durch diese Dickschicht wird ein Schutz der Oberfläche vor chemischen Einflüssen aus dem Brennraum erzielt. Die erfindungsgemäß Zündkerze überträgt infolge der relativ langen Gleitbahn von ca. 2 - 5 mm, die sich infolge der erfindungsgemäßen Ausbildung mit herkömm¬ lichen Zündspannungen erreichen -läßt, ein Mehrfaches an Zündenergie an das Kraftstoff-Luft-Gemisch als heute üblicherweise verwendete Zündkerzen. Dies ge¬ schieht bei niedrigerer Zündspannung, typischerweise 10 kV. Durch die niedrige Zündspannung sinkt der Auf¬ wand bei Verteiler, Zündspule und Entstör- und Isolier- mittein. Dadurch wiederum kann insbesondere bei der

Zündspule eine Gewichts- und Kostenreduzierung erzielt werden. Da nur ein Bruchteil der HF-Energie umgesetzt wird, ist die Entstörung der Zündkerze wesentlich ver¬ einfacht.

Zeichnung

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung darge¬ stellten Ausführungsbeispiels in der nachfolgenden Be¬ schreibung näher erläutert. Dabei zeigt die Zeichnung eine teilweise längsgeschnittene Zündkerze.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

D3..e in der- Zeichnung teilweise geschnitten dargestell¬ te Zündkerze für eine Brennkraftmaschine weist einen Isolierkörper 10 auf, der auf einem Längsabschnitt von einem Metallgehäuse 11 umfaßt ist. Das Metallgehäuse 11 trägt auf einem im Durchmesser reduzierten Endabschnitt 12 ein Außengewinde 13, mittels dessen die Zündkerze in einen nicht dargestellten Zylinderkopf der Brennkraft¬ maschine eingeschraubt wird. Zum Einschrauben dient in bekannter Weise ein Schlüsselsechskant 14. Ein Dicht- ring 15 sorgt für den gasdichten Einbau der Zündkerze. Der Endabschnitt 12 trägt auf seiner in dem Brennraum der Brennkraftmaschine hineinragenden Stirnseite eine ringförmige Masseelektrode 16.

Der rotationssymmetrische Isolierkörper 10 ragt auf der von dem Endabschnitt 12 abgekehrten Stirnseite des Metall¬ gehäuses 11 aus diesem heraus. Er trägt in bekannter Wei¬ se auf seiner Oberfläche ein Anzahl von Ringnuten 17 als sog. Kriechstrombarriere und ist mit einer zentralen axi¬ alen Durchgangsbohrung 18 versehen. Innerhalb dieser Durch- gangsbohrung 18 ist ein metallischer Anschlußbolzen 19 angeordnet, der an seinem brennraumfernen Endabschnitt ein Anschlußstück 20 trägt, das aus dem Isolierkörper 10 herausragt. Im unteren Bereich der Durchgangsbohrung be¬ findet sich eine Mittelelektrode 21, die an der brenn- raumseitigen Oberfläche 22 des Isolierkörpers 10 gering¬ fügig vorsteht. Der Anschlußbolzen 19 und die Mittelelek¬ trode 21 sind durch eine Glasschmelzflußmasse elektrisch leitend miteinander verbunden. Die Glasschmelzflußmasse ist hier als Widerstandspanat 27 mit einem Widerstands- wert von etwa 1 k-Ω.ausgebildet.

Der Isolierkörper 10 ist in seinem vom Endabschnitt 12 des Metallgehäuses 11 umgebenen brennraumseitigen End¬ abschnitt mit Abstand von der Oberfläche 22 des Isolier¬ körpers 10 in ein anschlußseitiges Oberteil 23 und ein brennraumseitiges Unterteil 24 zweigeteilt. Das Ober¬ teil besteht aus Aluminiumoxid (Al-O..) mit einer rela¬ tiven Dielektrizitätskonstanten, auch Dielektrizitäts- zahl genannt, von £_r<15, während das Unterteil 24 aus einem Werkstoff besteht, der eine sehr viel höhere Di- elektrizitätskonstante aufweist. Die relative Dielektri¬ zitätskonstante dieses Werkstoffes wird zwischen 50 und 5000 gewählt und beträgt vorzugsweise 50 - 500. Oberteil 23 und Unterteil 24 sind elektrisch durchschlag st mit- einander verbunden. Hierzu dient die Trennschicht 25 aus Silikongummi, Epoxydharz oder Glas. Diese Trenn¬ schicht 25 kann als fertige Scheibe eingelegt werden.

Die Mittelelektrode 21 steht in Längs- oder Achsrichtung

5. über die Masselektrode16 vor undstellt die Katode der Zündkerze dar. Die Oberfläche 22 des Isolierkörpers 10 erstreckt sich von der freien Stirnseite der Masse¬ elektrode 16 bis dicht an die freie Stirnseite der Mit- telelektrode 21. Längs dieser Oberfläche 22 bildet sich

10 bei Anlegen einer Zündspannung zwischen der Mittelelek¬ trode 21 und der die Mittelelektrode 21 mit Abstand ringförmig umgebenden Masseelektrode 16 die Gleitfunken¬ strecke längs einer Gleitbahn aus. Die Oberfläche 22 des Isolierkörpers 10 ist dabei so geformt, daß die Gleit-

15 bahnen in ihrem überwiegenden Teil schräg zur Achse der Zündkerze verlaufen. Auch ein etwa paralleler Verlauf zur Zündkerzenachse ist von Vorteil. Eine Mischform von schrägem und parallelem Verlauf kann ebenfalls gewählt werden. Durch diese Ausbildung der Oberfläche 22 des

20 Isolierkörpers 10 wird die Ausbildung einer aus Elektro¬ nen bestehenden Oberflächenladung auf der Gleitbahn er¬ heblich gefördert. Diese Oberlfächenladung ist proportio¬ nal der Normalkomponente E der Feldstärke zwischen Mit¬ telelektrode 21 und Masseelektrode 16 und proportional

25 der relativen Dielektrizitätskonstante £ des Werkstoffs des Isolierkörpers 10 längs der Oberfläche 22. Da das Unte teil 24 eine sehr hohe Dielektrizitätskonstante aufweist - und der schräge oder parallele Verlauf der Oberfläche 22 bei gegebener Feldstärke eine große Normalkomponente der

30 Feldstärke sicherstellt, ist die bei Spannungsanstieg sich ausbildende Oberflächenladung relativ groß, so daß eine Glimmentladung bereits bei relativ niedriger Zündspannung einsetzt. Die Oberfläche 22 des Isolierkörper-Unterteils 24 ist noch mit einer Deckschicht 26 aus Aluminiumoxid oder Glas überzogen, die vorzugsweise in Dickschichttech¬ nik aufgebracht. Diese Deckschicht 26 dient zum Schutz gegen chemische Einflüsse aus dem Brennraum.

Claims

Ansprüche

1. Zündkerze mit Gleitfunkenstrecke für Brennkraft¬ maschinen mit einem Isolierkörper, *der in seinem brennraumseitigen Endabschnitt eine zentrale Mit- telelektrode trägt, die mit einem an dem von der Mittelelektrode abgekehrten anschlußsei igen Ende des Isolierkörpers vorstehenden Anschlußbolzen elektrisch leitend verbunden ist, und mit einem den Isolierkörper auf einem Längsabschnitt umfas- senden Metallgehäuse, das an seinem brennraumsei¬ tigen Ende eine die Mittelelektrode mit Abstand ringförmig umgebenden Masseelektrode trägt, wobei die Gleitfunkenstrecke sich zwischen den Elektroden längs einer Gleitbahn auf der Oberfläche des Isolier- körpers ausbildet, d a d u r c h g e k e n n ¬ z e i c h n e , daß der Isolierkörper (10) querge¬ teilt ist und ein anschlußseitiges Oberteil (23) aus einem Werkstoff mit relativ niedriger Dielektrizitäts¬ konstanten und ein brennrau seitiges Unterteil (24) aus einem Werkstoff mit einer sehr viel höheren Di¬ elektrizitätskonstanten aufweist.

2. Zündkerze nach Anspruch 1, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t, daß eine der beiden Elek¬ troden (21) in Längsrichtung über die andere Elek¬ trode (16) vorsteht, daß die Oberfläche (22) des Isolierkörpers (10) zwischen den Elektroden (16,21) derart geformt ist, daß Gleitbahnen der Gleitfunken¬ strecke in ihrem überwiegenden Teil schräg und/oder parallel zur Zündkerzenachse verlaufen, und daß die Polarität der Elektroden (16,21)" derart gewählt ist, daß die vorstehende Elektrode (21) die Katode bildet.

3. Zündkerze nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß Ober- und Unter¬ teil (23,24) elektrisch durchschlagfest miteinander verbunden sind.

_.

4. Zündkerze nach Anspruch 3, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t, daß zwischen dem Ober¬ teil (23) und dem Unterteil (24) eine Trennschicht (25) aus Glas, Silikongummi oder Epoxydharz ange¬ ordnet ist.

5. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 - 4, d ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die relative Dielektrizitätskonstante im Oberteil (23) kleiner als 15 und im Unterteil (24) größer als 50 aber kleiner als 5000, vorzugsweise 50 - 500, be- trägt.

6. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 - 5, d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Trennebene von Oberteil (23) und Unterteil (24) im brennraumseitigen Endabschnitt mit Abstand von der Oberfläche (22) des Isolierkörpers (10) liegt.

7. Zündkerze nach einem Ansprüche 1 - 6, d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die elektrische Verbindung zwischen Mittelelek¬ trode (21) und Anschlußbolzen (19) hochohmig mit einem Widerstandswert im Kiloohm-Bereich ausge¬ führt ist.

8. Zündkerze nach Anspruch 7, bei welcher die Mittel¬ elektrode und der Anschlußbolzen in einer Durch¬ gangsbohrung des Isolierkörpers hintereinanderge- reiht einliegen und mittels einer Glasschmelzfluß¬ masse verbunden sind, d a d u r c h g e k e n n ¬ z e i c h n e t, daß die Glasschmelzflußmasse als Widerstandspanat (27) mit einem Widerstandswert von etwa 1 kii. ausgebildet ist.

9. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 - 8, d ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die brennraumseitige Oberfläche (22) am Unterteil (24) des Isolierkörpers (10) mit einer Deckschicht (26) aus Aluminiumoxid (Al-O-) oder Glas überzogen ist, die vorzugsweise in Dickschichttechnik ausgeführt ist.