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Die Erfindung geht aus von einer Zündeinrichtung mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen, wie sie aus der
DE 197 47 700 A1 bekannt ist. Derartige Zündeinrichtungen werden als Korona-Zündeinrichtungen oder HF-Zündeinrichtungen bezeichnet.
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Die
WO 2004/063560 A1 offenbart, wie ein Brennstoff-Luft-Gemisch in einer Brennkammer eines Verbrennungsmotors durch eine in der Brennkammer erzeugte Korona-Entladung gezündet werden kann. Zu diesem Zweck ist eine Zündelektrode elektrisch isoliert durch eine der auf Massepotential liegenden Wände der Brennkammer hindurchgeführt und ragt in die Brennkammer hinein, vorzugsweise einem in der Brennkammer vorgesehenen Hubkolben gegenüberliegend. Die Zündelektrode bildet zusammen mit den auf Massepotential liegenden Wänden der Brennkammer als Gegenelektrode eine Kapazität. Als Dielektrikum wirken der die Zündelektrode umgebende Isolator und der Brennraum mit seinem Inhalt. In ihm befindet sich je nach dem Takt, in welchem sich der Kolben befindet, Luft oder ein Brennstoff-Luft-Gemisch oder ein Abgas.
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Die Kapazität ist Bestandteil eines elektrischen Schwingkreises, welcher mit einer hochfrequenten Spannung erregt wird, die z. B. mit Hilfe eines Transformators mit Mittenabgriff erzeugt wird. Der Transformator arbeitet mit einem Schaltgerät zusammen, welches eine vorgebbare Gleichspannung abwechselnd an die beiden durch den Mittenabgriff getrennten Primärwicklungen des Transformators legt. Die Sekundärwicklung des Transformators speist einen Reihenschwingkreis, in welchem die aus der Zündelektrode und den Wänden der Brennkammer gebildete Kapazität liegt. Die Frequenz der den Schwingkreis erregenden Wechselspannung wird so geregelt, dass sie möglichst nahe bei der Resonanzfrequenz des Schwingkreises Liegt. Es kommt dadurch zu einer Spannungsüberhöhung zwischen der Zündelektrode und den Wänden der Brennkammer, in welcher die Zündelektrode angeordnet ist. Die Resonanzfrequenz liegt typisch zwischen 30 Kilohertz und 3 Megahertz und die Wechselspannung erreicht an der Zündelektrode Werte von z. B. 50 kV bis 500 kV. Damit kann in der Brennkammer eine Korona-Entladung erzeugt werden.
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Die Zündspitzen von Korona-Zündeinrichtungen sind empfindlich. Dies gilt insbesondere für Zündeinrichtung mit mehreren Zündspitzen. Um Beschädigungen beim Transport zu vermeiden werden üblicherweise Papphülsen verwendet, die auf den Kopf einer Zündeinrichtung aufgesteckt werden können und dann die Zündspitze oder die Zündspitzen umgeben.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Weg aufzuzeigen, wie die Zündspitzen von Korona-Zündeinrichtungen besser vor Beschädigung geschützt werden können.
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Diese Aufgabe wird durch eine Zündeinrichtung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie durch ein Verfahren zum Herstellen einer Zündeinrichtung gemäß Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Ein Schutz der Zündspitzen kann erfindungsgemäß erreicht werden, indem sich der Isolator in Längsrichtung über die Fußpunkte der Elektrodenzweige hinaus erstreckt, bevorzugt bis zu den freien Enden der Elektrodenzweige, d. h. den Zündspitzen. Die Zündspitzen können so durch den Isolator vor Beschädigung weitgehend geschützt werden. Vorteilhaft ist dabei insbesondere, dass der Isolator die Zündspitzen auch beim Einbau der Zündeinrichtung in einen Motor schützt.
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Bei einer erfindungsgemäßen Zündeinrichtung kann beispielsweise der Isolator an seinem vorderen Ende einen erhöhten Rand aufweisen, der sich in Längsrichtung über die Fußpunkte und bevorzugt auch über die Zündspitzen hinaus erstreckt. Der Isolator hat dann an seinem vorderen Ende eine Vertiefung, in der die Elektrodenzweige über einer Stirnfläche des Isolators angeordnet sind. Die Vertiefung hat bevorzugt eine radial nach außen zu dem Rand hin ansteigende Fläche, da sich auf diese Weise ein mechanisch stabiler Isolator realisieren lässt. Möglich ist es aber auch, dass der Isolator in der Vertiefung eine ebene Stirnfläche, die von einem mauer- oder wulstartig erhöhten Rand des Isolators umgeben ist. Die Elektrodenzweige sind bevorzugt in den Isolatorkörper eingebettet. Beispielsweise kann die Stirnfläche des Isolatorkörpers rinnenartige Ausnehmungen haben, in denen die Elektrodenzweige liegen.
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Bevorzugt wird die Zündelektrode vor Beschädigung durch Umspritzen mit Isolatormaterial geschützt. Auf diese Weise können die Elektrodenzweige vor Verbiegen und somit vor Beschädigung wirksam geschützt werden, indem die Elektrodenzweige in Isolatormaterial eingebettet sind. Dabei ist es möglich, dass die Elektrodenzweige mit ihren freien, d. h. distalen, Enden etwas aus dem Isolationsmaterial herausragen. Die Elektrodenzweige können insbesondere seitlich, d. h. in radialer Richtung, aus dem Isolator herausragen. Möglich ist auch, dass die Elektrodenzweige in Längsrichtung aus dem Isolator herausragen, beispielsweise aus einer vorderen Endfläche des Isolators. Es ist nicht erforderlich, dass sich der Isolator in Längsrichtung über die Enden der Zündspitzen hinaus erstreckt, da sich ein kurzer Endabschnitt der Elektrodenzweige von beispielsweise weniger als 2 mm wegen seiner geringen Länge ohnehin nur schwer verbiegen Lässt. Bevorzugt sind die Elektrodenzweige aber auf ihrer gesamten Länge vollumfänglich in Isolatormaterial eingebettet.
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Wenn die Elektrodenzweige auf ihrer gesamten Länge vollumfänglich in Isolatormaterial eingebettet sind, kann deren Ende von einer dünnen Isolatorschicht, beispielsweise bis zu 10 μm Dicke, bedeckt sein, ohne dass dadurch eine Koronaentladung verhindert wird. Erfindungsgemäß ist aber, dass eine Endfläche der Elektrodenzweige unbedeckt ist, was sich durch Abschleifen des die Elektrodenzweige bedeckenden Isolators erreichen lässt.
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Wenn die Zündelektrode mit Isolatormaterial umspritzt wird, kann der Isolator der Zündeinrichtung vollständig beim Umspritzen der Zündelektrode ausgebildet werden. Bevorzugt besteht der Isolator aber aus einem keramischen Isolatorblock, in dem ein hinterer Abschnitt der Zündelektrode steckt, und angespritztem Isolatormaterial, in das die Elektrodenzweige eingebettet sind. Für das Umspritzen kann keramisches Material, insbesondere dasselbe Material wie für den Isolatorblock, beispielsweise Aluminiumoxid, verwendet werden. Bevorzugt wird aber ein anders Material verwendet, das sich leichter durch Spritzen, beispielsweise Flammspritzen oder ein Schlickerverfahren verarbeiten lässt. Auch ist es möglich für das Umspritzen ein Polymermaterial, beispielsweise Wachs oder Kunststoff, zu verwenden. Mit Polymermaterial kann die darin eingebettete Zündelektrode beim Einbau der Zündeinrichtung in den Motor geschützt werden. Nach dem Einbau verbrennt das Polymermaterial in der Brennkammer des Motors.
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Wenn die Elektrodenzweige in keramisches Isolatormaterial eingebettet sind, kann zwischen dem Isolatormaterial und den Elektrodenzweigen eine Ausgleichsschicht angeordnet sein, um mechanische Spannungen zu vermindern, die durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten des Materials der Elektrodenzweige und des Isolators entstehen können. Die Ausgleichsschicht kann aus Metall und/oder Keramik bestehen, insbesondere aus mehreren unterschiedlichen Materialschichten bestehen.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Zündelektrode mit Isolatormaterial umspritzt und so vor Beschädigung geschützt. Die Zündelektrode kann dabei im einfachsten Fall als ein Metallstift ausgebildet sein, der sich in dem Isolator erstreckt und einstückig sowohl eine Zündspitze als auch einen Innenleiter bildet. Erfindungsgemäß weist die umspritzte Zündelektrode aber mehrere Elektrodenzweige auf. Beispielsweise kann ein sich in Längsrichtung in dem Isolator erstreckenden Stift, der üblicherweise als Mittelelektrode bezeichnet wird, einen separat ausgebildeten Kopf mit mehreren Elektrodenzweigen tragen, beispielsweise mit dem Stift verschweißt sein.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Gleiche untereinander entsprechende Teile sind dabei mit übereinstimmenden Bezugszahlen bezeichnet. Es zeigen:
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1 ein Ausführungsbeispiel einer Zündelektrode in einer teilweise geschnittenen Ansicht;
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2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Zündeinrichtung in einer teilweise geschnittenen Ansicht vor dem Abschleifen des Isolatormaterials;
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3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Zündeinrichtung in einer teilweise geschnittenen Ansicht;
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4 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Zündeinrichtung in einer teilweise geschnittenen Ansicht;
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5 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Zündeinrichtung in einer teilweise geschnittenen Ansicht vor dem Abschleifen des Isolatormaterials;
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6 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Zündeinrichtung einer teilweise geschnittenen Ansicht vor dem Abschleifen des Isolatormaterials;
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7 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Zündeinrichtung in einer teilweise geschnittenen Ansicht vor dem Abschleifen des Isolatormaterials.
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Die in 1 dargestellte Zündeinrichtung 1 hat einen rohrförmigen Außenleiter 2, einen von dem Außenleiter 2 umgebenen Isolator 3 und eine Zündelektrode 4a, 4b. Die Zündelektrode besteht aus einem sich in Längsrichtung erstreckenden Stift 4a, der konzentrisch von dem Isolator 3 und dem Außenleiter 2 umgeben ist, und mehreren Elektrodenzweigen 4b, die jeweils von einem Fußpunkt ausgehen und in einer Zündspitze enden. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel gehen die Zündspitzen von einem Kopfteil aus, das auf dem Stift 4a der Zündelektrode 4b sitzt, beispielsweise aufgesteckt ist.
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Der Isolator 3 und die Zündelektrode 4a, 4b ragen aus einem vorderen, brennraumseitigen Ende des Außenleiters 2 heraus. Der Isolator 3 erstreckt sich in Längsrichtung über die Fußpunkte der Elektrodenzweige 4b hinaus und schützt so die Elektrodenzweige 4b vor Beschädigung. Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel hat der Isolator 3 an seinem vorderen Ende eine Vertiefung 6, in der die Elektrodenzweige 4b über einer vorderen Stirnfläche des Isolators angeordnet sind. Die Vertiefung kann beispielsweise zylinder- oder trichterförmig ausgebildet sein, wie diese in 1 dargestellt ist. Bevorzugt sind die Elektrodenzweige 4b in den Isolator eingebettet. Beispielsweise kann die vordere Endfläche des Isolators 3 rillenartige Vertiefungen aufweisen, in denen die Elektrodenzweige 4b liegen.
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Der Außenleiter 2 bildet zusammen mit der Zündelektrode, insbesondere dem Stift 4a, einen Kondensator. Der Kondensator ist zusammen mit einer im hinteren Teil der Zündeinrichtung 1 angeordneten Spule (nicht dargestellt) Teil eines Schwingkreises zur Hochfrequenzanregung der Zündelektrode.
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2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, das sich von dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel im Wesentlichen nur dadurch unterscheidet, dass die Elektrodenzweige 4b vollständig in den Isolator 3 eingebettet sind. Die Elektrodenzweige 4b sind auf ihrer gesamten Länge voll umfänglich von Isolatormaterial 3 umgeben. Die freien Enden der Elektrodenzweige 4b sind dabei von einer dünnen Schicht Isolatormaterials 3 bedeckt. Eine dünne Schicht von beispielsweise bis zu 10 μm Dicke, ist bei hohen Spannungen elektrisch hinreichend durchlässig, um eine Koronaentladung nicht zu verhindern.
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Zur Herstellung der dargestellten Zündeinrichtung wird bevorzugt die Zündelektrode mit Isolatormaterial umspritzt. Beispielsweise kann der Stift 4a der Zündelektrode in einen keramischen Isolatorblock gesteckt und anschließend der aus dem Isolatorblock herausragende Abschnitt der Zündelektrode mit den Elektrodenzweigen 4b durch Umspritzen in Isolatormaterial 3 eingebettet werden. Nach dem Umspritzen kann ein Sinterschritt erfolgen, insbesondere bei einem Umspritzen der Zündelektrode mit keramischem Isolatormaterial, beispielsweise mit einem Schlickerverfahren.
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Die Dicke der die freien Enden der Elektrodenzweige 4b bedeckenden Isolatorschicht kann durch Nachbearbeiten, beispielsweise schleifen, auf einen gewünschten Wert eingestellt werden. Besonders vorteilhaft ist es, die Dicke auf Null zu reduzieren, wie dies bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel der Fall ist. Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel wurde das die Elektrodenzweige 4b bedeckende Isolatormaterial 3 so weit abgeschliffen, bis Endflächen der Elektrodenzweige 4b frei liegen.
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4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Zündeinrichtung 1. Der wesentliche Unterschied zu den vorstehend erläuterten Ausführungsbeispielen besteht darin, dass ein aus dem Außenleiter 2 herausragender Abschnitt des Isolators 3 umlaufende Rillen 7 aufweist. Die Rillen 7 vergrößern den Gleitabstand und tragen deshalb zur Verminderung von Gleitentladungen bei. Derartige Rillen 7 können vorteilhaft auch bei den Ausführungsbeispielen der 1 und 2 in einer Mantelfläche des Isolators 3 vorgesehen sein. Die Rillen 7 bilden zudem einen Hinterschnitt des Isolators 3 und verringern somit das in den Brennraum hineinragende Volumen.
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5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Zündeinrichtung 1. Bei diesem Ausführungsbeispiel hat der aus dem Außenleiter 2 herausragende Abschnitt des Isolators 3 einen Hinterschnitt 8. Auf diese Weise wird das in den Brennraum hineinragende Isolatorvolumen verringert.
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6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Zündeinrichtung 1. Bei diesem Ausführungsbeispiel hat der Isolator 3 an seinem vorderen Ende eine Rundung 9, die bevorzugt halbkugelförmig ist. Eine solche Form des Isolators 3 ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Elektrodenzweige 4b nicht nur als ein einziger Kranz angeordnet sind, sondern auch ein oder mehrere stärker nach vorn gerichtete Elektrodenzweige vorhanden sind. Die in 6 dargestellte Form des Isolators 3 bietet in einem solchen Fall den Vorteil, dass die Koronaausrichtung an den einzelnen Zündspitzen immer im Wesentlichen senkrecht zur Isolatoroberfläche ist.
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Bei einer kranzförmigen Anordnung der Elektrodenzweige 4b, wie die beispielsweise in 2 dargestellt ist, kann dies beispielsweise auch mit einer Fase oder Abrundung an dem Isolator 3 erreicht werden, die in einem solchen Winkel ausgeführt wird, dass die Oberfläche senkrecht zur Achse des Elektrodenzweiges 4b steht. Durch eine Abweichung dieses Austrittswinkels aus der Oberfläche kann jedoch auch die Koronaentladung bewusst in eine Richtung gelenkt werden, so dass je nach Einzelfall auch ein anderer Winkel optimal sein kann.
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In 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Zündeinrichtung 1 dargestellt, bei dem der Isolator 3 eine dünne Schutzschicht 10 bildet, welche die Elektrodenzweige 4b umhüllt.
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In dem die Elektrodenzweige 4b in keramisches Isolatormaterial eingebettet sind, kann vorteilhaft deren thermische Belastung im Brennraum reduziert werden. Durch eine vollständige Umhüllung der Elektrodenzweige 4b kann die Zündelektrode zu dem auch vor chemischen Angriffen im Brennraum geschützt werden. Der Verschleiß der Zündspitzen kann dadurch vorteilhaft verringert werden. Insbesondere ist es auch möglich, die Elektrodenzweige aus einem chemisch weniger resistenten und dadurch billigeren und besser verarbeitbaren Werkstoff herzustellen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zündeinrichtung
- 2
- Außenleiter
- 3
- Isolator
- 4a
- Stift
- 4b
- Elektrodenzweige
- 6
- Vertiefung
- 7
- Rillen
- 8
- Hinterschnitt
- 9
- Rundung
- 10
- Schutzschicht
