WO2000007270A1 - Zündkerze für eine brennkraftmaschine - Google Patents

Zündkerze für eine brennkraftmaschine Download PDF

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spark
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Rudolf Pollner
Thomas Brinz
Ulrich Eisele
Andreas Niegel
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Robert Bosch Gmbh
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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
    • H01T13/40—Sparking plugs structurally combined with other devices

Definitions

  • the invention is based on a spark plug as it is already known from DE 196 23 989 AI. Here is one
  • Spark plug described which has a tubular metallic housing in which an insulator is embedded, in which a rod-shaped inner conductor arrangement is arranged.
  • the inner conductor arrangement shown and described here consists of a connecting bolt, a current-limiting resistor, a coated contact pin and a nail-shaped platinum center electrode.
  • the erosion resistance consists of a conductive material, which is usually introduced into the insulator as a potting compound.
  • at least two, preferably four, ground electrodes are attached to the housing and are bent toward the center electrode.
  • the spark plug according to the invention has the advantage over the known spark plugs that the cylinder capacity is reduced by changing the combustion resistance in such a way that electrically conductive windings form the combustion resistance on an insulating ceramic carrier. With a lower cylinder capacity, the risk of digging into the isolator is reduced because of the Reducing the spark plug capacity reduced the energy conversion at the moment of the breakthrough phase of the spark.
  • FIG. 1 shows the end of the spark plug according to the invention with a resistance package in a sectional view
  • FIG. 2 shows a second exemplary embodiment of the spark plug on the combustion chamber in a sectional view
  • FIG. 3 shows the wound wire resistance
  • FIG. 4 shows a coiled one
  • spark plug The basic structure of a spark plug is already sufficiently known from DE 196 23 989 or, for example, from DE-OS 44 31 143, so that it will not be explained again here.
  • FIG. 1 shows the end of a first exemplary embodiment with improved spark plug capacity on the combustion chamber side.
  • a metallic tubular housing 10 is a metallic tubular housing 10
  • Insulator 11 arranged, wherein the rotationally symmetrical axes of the housing 10 and the insulator 11 are congruent.
  • a contact pin 12, a burn-up resistor 13, a conductive contact panate 14 and a center electrode 15 are embedded in the insulator 11.
  • the erosion resistance 13 is a high-temperature resistant resistor, the structure of which can be seen in FIG. 3.
  • the center electrode is formed by a platinum pin, which absorbs relatively little heat from the combustion chamber due to its small end face. The consequence of this is that no appreciable amounts of heat have to be dissipated via the inner conductor arrangement, so that with this type of candle the good heat-conducting metallic contact pin can be replaced by a poorly heat-conducting advanced burn-up resistor.
  • FIG. 3 shows the temperature-resistant resistor as a wound wire resistor 30, a resistor wire 32 being wound on a ceramic carrier 31, which has an essentially cylindrical shape, which is then insulated by a glass cover 33.
  • Metal caps 34 are arranged at the two ends of the cylindrical ceramic carrier 31, which enable electrical contact to be made with the erosion resistance.
  • the glass cover 33 is applied to avoid oxidation processes at high temperatures and to fix the windings.
  • the glass is baked under protective gas or in a vacuum.
  • FIG. 2 also shows a section of a spark plug on the combustion chamber side with the same design
  • the erosion resistor 13 is designed here as a coiled thin-film resistor on a ceramic carrier.
  • the structure and mode of operation of this resistor as a coiled thin-film resistor will be explained in connection with FIG. 4.
  • the center electrode in this second exemplary embodiment consists of a cold-mounted, thick center electrode.
  • such a central electrode takes a lot of heat from the combustion chamber from FIG. 1 and can dissipate the absorbed heat via a heat-conducting axial connection into the candle interior. To this end, care must be taken to ensure that the advanced burn-up resistance has sufficient thermal conductivity. This requirement can be met by using aluminum nitrate (ALN) as the ceramic carrier of the resistor.
  • APN aluminum nitrate
  • FIG. 4 shows a possible design of the temperature-resistant resistor designed as a thin-film resistor.
  • the cylindrical ceramic carrier 31 is first coated, for example by sputtering in a vacuum. The structuring then takes place by evaporation of the thin layer using a laser. This embodiment is also covered with a temperature-resistant glass layer 33 for protection against oxidation. Likewise, the end faces of the cylindrical ceramic carrier are provided with a temperature-resistant metal cap 34, which ensure contact.
  • FIG. 5 shows an embodiment of the thin-film resistor, which can alternatively also be manufactured using planar technology.
  • a ceramic substrate plate is first coated over the entire surface, for example by vapor deposition or sputtering.
  • the meandering structures are then advantageously realized using photolithographic technology.
  • the required glass covering and contact metallization can be done using thick-film technology, so that in the end it is possible to separate the resistors without great effort.
  • the spark plug end sections shown in Figures 1 and 2 show the built-in high-temperature-resistant burn-up resistors.
  • the externally manufactured high-temperature-resistant erosion resistor 13 is after the Sintering the center electrode into the candle stone from behind in the insulator and contacting and sealing by means of glass panate 14 with the connecting bolt 12.
  • This energy comes from the part of the plug capacity that cannot be discharged via an interference suppressor and can be described in today's spark plugs approximately by the cylinder capacity C, which is formed between the inner conductor and the outer conductor, but is only effective along length 1 from the end of the erosion resistance to to the center electrode. This distance 1 is shown in FIGS. 1 and 2.
  • the energy E stored in the cylinder capacity C z is:
  • the relevant cylinder capacity is reduced, since the decisive length 1 can be significantly shortened due to the new design of the erosion resistance.
  • the solution according to the invention of reducing energy means that the critical threshold can no longer be exceeded that none Burying of spark in the slideway more occur.
  • wound wire resistors or wound metal thin-film resistors have a clearly inductive resistance component, which has an advantageous effect on suppressing the burn-off resistor. Therefore, suppression resistors in the spark plug connector can advantageously be dispensed with when using such advanced burn-up resistors in the spark plugs.
  • the cylinder capacity is usually calculated using the following formula:

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Abstract

Es wird eine Zündkerze mit einem rohrförmigen metallischen Gehäuse vorgeschlagen, die eine Innenleiteranordnung aufweist, welche einen temperaturfesten Abbrandwiderstand erhält, wobei dieser temperaturfeste Abbrandwiderstand entweder als gewickelter Drahtwiderstand oder als gewendelter Dünnschichtwiderstand ausgebildet ist.

Description

Zündkerze für eine Brennkraftmaschine
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Zündkerze wie sie bereits aus der DE 196 23 989 AI bekannt ist. Hier wird eine
Zündkerze beschrieben, die ein rohrförmiges metallisches Gehäuse aufweist, in welchem ein Isolator eingebettet ist, in dem eine stabförmige Innenleiteranordnung angeordnet ist. Die hier gezeigte und beschriebene Innenleiteranordnung besteht aus einem Anschlußbolzen, einem strombegrenzenden Widerstand, einem beschichteten Kontaktstift und einer nageiförmigen Platinmittelelektrode. Der Abbrandwiderstand besteht aus einem leitfähigien Material, welches in der Regel als Vergußmasse in den Isolator eingebracht ist. Am Gehäuse sind weiterhin mindestens zwei vorzugsweise vier Masseelektroden befestigt, die zur Mittelelektrode hin abgebogen sind.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Zündkerze hat gegenüber den bekannten Zündkerzen den Vorteil, daß durch die Veränderung des Abbrandwiderstandes in der Art, daß auf einem isolierenden Keramikträger elektrisch leitende Wicklungen den Abbrandwiderstand bilden, die Zylinderkapazität verringert wird. Bei einer geringeren Zylinderkapazität wird die Gefahr für Eingrabungen in den Isolator verringert, da durch die Verringerung der Zündkerzenkapazität die Energieumsetzung im Moment der Durchbruchphase des Funkens herabgesetzt.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind weitere vorteilhafte Ausführungen der erfindungsgemäßen Zündkerze möglich.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert . Es zeigen Figur 1 das brennraumseitige Ende der erfindungsgemäßen Zündkerze mit Widerstandspaket in geschnittener Darstellung, Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der brennraumseitigen Zündkerze in geschnittener Darstellung, Figur 3 den gewickelten Drahtwiderstand, Figur 4 einen gewendelten
Dünnschichtwiderstand und Figur 5 den Abbrandwiderstand in Planartechnik hergestellt.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Der prinzipielle Aufbau einer Zündkerze ist bereits aus der DE 196 23 989 oder beispielsweise aus der DE-OS 44 31 143 hinreichend bekannt, so daß dieser hier nicht nochmals erläutert werden soll.
Die Figur 1 zeigt das brennraumseitige Ende eines ersten Ausführungsbeispiels mit verbesserter Zündkerzenkapazität. In einem metallischen rohrförmigen Gehäuse 10 ist ein
Isolator 11 angeordnet, wobei die rotationssymetrischen Achsen des Gehäuses 10 und des Isolators 11 deckungsgleich liegen. In den Isolator 11 sind ein Kontaktbolzen 12, ein Abbrandwiderstand 13 , ein leitfähiges Kontaktpanat 14 und eine Mittelelektrode 15 eingebettet. Der Abbrandwiderstand 13 ist ein hochtemperaturfester Widerstand, dessen Aufbau der Figur 3 zu entnehmen ist. Die Mittelelektrode wird hier von einem Platin-Stift gebildet, der durch seine kleine Stirnfläche relativ wenig Wärme aus dem Brennraum aufnimmt. Dies hat zur Folge, daß über die Innenleiteranordnung keine nennenswerten Wärmemengen abzuführen sind, so daß bei diesem Kerzentyp der gut wärmeleitende metallische Kontaktstift durch einen schlecht wärmeleitenden vorgezogenen Abbrandwiderstand ersetzt werden kann.
Figur 3 zeigt den temperaturfesten Widerstand als gewickelten Drahtwiderstand 30, wobei auf einem Keramikträger 31, der im wesentlichen zylindrische Form aufweist ein Widerstandsdraht 32 aufgewickelt ist, der anschließend durch eine Glasabdeckung 33 isoliert ist. An den beiden Enden des zylindrischen Keramikträgers 31 sind Metallkappen 34 angeordnet, die eine elektrische Kontaktierung des Abbrandwiderstandes ermöglichen. Die Glasabdeckung 33 ist zur Vermeidung von Oxydationsprozessen bei hohen Temperaturen sowie zur Fixierung der Wicklungen aufgebracht . Das Einbrennen des Glases erfolgt unter Schutzgas oder im Vakuum.
Figur 2 zeigt ebenfalls einen brennraumseitigen Abschnitt einer Zündkerze mit den gleichen konstruktiven
Grundmerkmalen wie Figur 1, so daß gleiche Bauteile hier mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Im Unterschied zu Figur 1 ist der Abbrandwiderstand 13 hier als gewendelter Dünnschichtwiderstand auf einem Keramikträger ausgebildet. Aufbau und Funktionsweise dieses Widerstandes als gewendelter Dünnschichtwiderstand soll im Zusammenhang mit Figur 4 erläutert werden. Die Mittelektrode in diesem zweiten Ausführungsbeispiel besteht aus einer kalt montierten dicken Mittelelektroden. Eine solche Mittelelektrode nimmt im Gegensatz zu der Mittelelektrode aus Figur 1 viel Wärme aus dem Brennraum auf und kann die aufgenommene Wärme über eine gut wärmeleitende axiale Anbindung ins Kerzeninnere abführen. Hierzu ist auf eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit des vorgezogenen Abbrandwiderstandes zu achten. Diese Forderung kann erfüllt werden, indem als Keramikträger des Widerstands Aluminiumnitrat (ALN) verwendet wird.
Figur 4 zeigt eine mögliche Gestaltung des ausgebildeten temperaturfesten Widerstandes als Dünnschichtwiderstand. Der zylindrische Keramikträger 31 wird zunächst beispielsweise durch Sputtern im Vakuum beschichtet. Anschließend erfolgt die Strukturierung durch Verdampfen der Dünnschicht mittels Laser. Auch diese Ausführungsform wird mit einer temperaturfesten GlasSchicht 33 zum Schutz vor Oxydation überzogen. Ebenso sind die Stirnflächen de zylindrischen Keramikträgers mit einer temperaturfesten Metallkappe 34 versehen, die die Kontaktierung gewährleisten.
Figur 5 zeigt eine Ausführung des Dünnschichtwiderstandes, der alternativ auch im Planartechnik hergestellt werden kann. Bei dieser Ausführung in Planartechnik wird zunächst eine keramische Substratplatte vollflächig beispielsweise durch Bedampfen oder Besputtern beschichtet. Anschließend werden die Mäanderstrukturen vorteilhafterweise in fotolitographischer Technik realisiert. Die erforderliche Glasabdeckung und Kontaktmetallisierung kann in Dickschichttechnik erfolgen, so daß zum Schluß eine Vereinzelung der Widerstände ohne größeren Aufwand möglich ist.
Die in Figuren 1 und 2 dargestellten Zundkerzenendabschnitte zeigen die eingebauten hochtemperaturfesten Abbrandwiderstände . Der extern gefertigte hochtemperaturfeste Abbrandwiderstand 13 wird nach dem Einsintern der Mittelelektrode in den Kerzenstein von hinten in den Isolator eingelegt und mittels Glaspanat 14 mit dem Anschlußbolzen 12 kontaktiert und abgedichtet.
Bei den beschriebenen Zündkerzen handelt es sich um
Gleitentladungskerzen, bei welchen der Zündfunke teilweise über den Isolator gleitet. Hierbei können Eingrabungen des elektrischen Funkens auf der Gleitbahn entstehen, die zu Zündaussetzern führen können, weil die Energieabgabe ans brennbare Gemisch eingeschränkt wird, wenn der Funke tief in einem Graben brennt. Da solche tiefen Eingrabungen zur Zerstörung der Zündkerze führen können ist es das Ziel, diese Eingrabungen zu vermeiden. Die kritische Phase zur Entstehung von Eingrabungen ist die Durchbruchphase des Funkens. In diesem Bereich, der nur wenige Nanosekunden umfaßt, ist die gesamte umgesetzte Energie auf der Keramikoberfläche vorhanden. Diese Energie stammt aus dem Teil der Kerzenkapazität, die sich nicht über einen Entstörwiderstand entladen kann und ist bei heutigen Zündkerzen annähernd durch die Zylinderkapazität C beschreibbar, die sich zwischen Innenleiter und Außenleiter bildet, jedoch nur wirksam ist auf der Länge 1 vom Ende des Abbrandwiderstandes bis zur Mittelelektrode. In Figur 1 und 2 ist dieser Abstand 1 eingezeichnet.
Die in der Zylinderkapazität Cz gespeicherte Energie E beträgt :
E = 1/2 x Cz. x Uz 2, wobei Uz die Zündspannung der Kerze ist. Hieraus ergibt sich, daß die Gefahr für Eingrabungen umso größer ist, je höher die Zündspannungen sind. Zur Vermeidung von Eingrabungen ist es bereits bekannt, die Energie der Durchbruchphase zu reduzieren, in dem die relevante Kapazität Cz reduziert wird. Dies ist bisher üblicherweise durch eine Verringerung der Länge 1, des Abstandes vom Ende der Abbrandwiderstandes bis zur Mittelelektrode, erfolgt. Weiterhin ist eine Reduzierung des Durchmessers des Innenleiters möglich, um die Zylinderkapazität zu verringern .
Mit den erfindungsgemäßen Ausführungen verringert sich die relevante Zylinderkapazität, da aufgrund der konstruktiv neuen Gestaltung des Abbrandwiderstandes die maßgebene Länge 1 wesentlich verkürzt werden kann.
Da die Erosion erst auftritt, wenn die keramische Gleitbahn durch den Funken nicht nur aufgeheizt ist sondern auch aufgeschmolzen ist, also bezüglich der Energie eine Schwelle überschritten wurde, bedeutet die erfindungsgemäße Lösung der Energiereduzierung, da die kritische Schwelle nicht mehr überschritten werden kann, daß keine Eingrabungen des Funkens in der Gleitbahn mehr auftreten.
Im Vergleich zu konventionellen Abbrandwiderständen aus Glaspanat weisen gewickelte Drahtwiderstände oder gewendelte Metall -Dünnschichtwiderstände eine deutlich induktive Widerstandskomponente auf, die sich vorteilhaft auf die Entstörung des Abbrandwiderstands auswirkt. Daher kann vorteilhafterweise beim Einsatz derartig vorgezogener Abbrandwiderstände in den Zündkerzen auf Entstörwiderstände im Kerzenstecker verzichtet werden.
Die Berechnung der Zylinderkapazität erfolgt in der Regel nach folgender Formel :
2πε„ ε„
CZ =
In0 /0. - Dielektrizitätskonstante, - relative Dielektrizitätskonstante, - die Länge des Zylinders, a - der Außendurchmesser -L _ der Innendurchmesser.

Claims

Ansprüche
1. Zündkerze mit einem rohrförmigen metallischen Gehäuse mit einem darin eingebetteten Isolator, in welchem eine stabförmige Innenleiteranordnung angeordnet ist, die einen Kontaktbolzen mit einer Mittelelektrode verbindet, dadurch gekennzeichnet, daß zur elektrischen Kontaktierung zwischen Mittelelektrode und Kontaktbolzen ein leitfähiges Kontaktpanat und ein temperaturfester Abbrandwiderstand mit mäanderförmig angeordneten leitfähigen Wicklungen vorgesehen ist .
2. Zündkerzen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der temperaturfeste Abbrandwiderstand ein gewickelter Drahtwiderstand ist.
3. Zündkerzen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der temperaturfeste Abbrandwiderstand ein gewendelter Dünnschichtwiderstand auf einem Keramikträger ist.
4. Zündkerzen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der gewendelte Dünnschichtwiderstand in der Planartechnik hergestellt ist.
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