DE2709303A1

DE2709303A1 - Zuendkerze

Info

Publication number: DE2709303A1
Application number: DE19772709303
Authority: DE
Inventors: Spaeter Genannt Werden Wird
Original assignee: Massachusetts Institute of Technology
Current assignee: Massachusetts Institute of Technology
Priority date: 1976-03-04
Filing date: 1977-03-03
Publication date: 1977-09-15
Also published as: US4087719A; GB1560812A; CA1095790A; JPS52122738A

Description

OR.HNG, Oll^rL.-INQ. M. SC- Olf-L -PiIVS- HU 4JIPt -PHYS.

HÖGER - STELLRECHT - GR1F.SSRACH - HAECKER

PATEMTAMWiLTE IN STUTIGATiT

A 42 247 b

k - 163

28. Februar 1977

Massachusetts Institute of Technology Cambridge, Mass. O2139 U.S.A.

Zündkerze

709837/0759

- 1t-

Die Erfindung betrifft eine Zündkerze mit einer ersten Zündelektrode, die angrenzend an eine erste freiliegende Zündfläche von einem Isolator bedeckt ist, mit einer zweiten Zündelektrode mit einer zweiten freiliegenden Zündfläche und mit einem Spalt zwischen den Zündflächen« in dem bei Anlegen einer Spannung zwischen den Zündelektroden ein Lichtbogen erzeugbar ist, dessen Fusspunkte auf den Zündflächen liegen.

Zündkerzen dieser Art sind bekannt und besitzen normalerweise eine mit Ausnahme ihrer Spitze in einen keramischen Isolator

709837/0759

A 42 247 b

28. Februar 1977 - *- ^£'^υ"^υο

eingebettete Mittelelektrode sowie eine leitend mit dem Zündkerzengehäuse verbundene Masseelektrode, deren freies Ende das freie Ende der Mittelelektrode übergreift, wobei zwischen den Elektroden bzw. den einander zugewandten Abbrand- bzw. Zündflächen derselben ein Abstand bzw. Spalt zwischen etwa 0,3 und maximal etwa 1,0 mm vorhanden ist.

Die Automobilindüstrie und die zuständigen Behörden widmen dem Problenk der Luftverschmutzung durch die Abgase von Brennkraftmaschinen seit langer Zeit ihre Aufmerksamkeit. Die Schadstoffe in den Abgasen sind dabei hauptsächlich unverbrannte Kohlenwasserstoffe sowie Stickoxide (NO ).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Zündkerze anzugeben, bei deren Verwendung in einer Brennkraftmaschine eine günstjUjere Abgaszusammensetzung, insbesondere eine Reduzierung des Anteils der Stickoxide erreichbar ist.

Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung dadurch gelöst, dass die Zündflächen derart geformt, angeordnet und ausgerichtet sind, dass ein zwischen ihnen brennender Lichtbogen durch das ihn umgebende elektrische Feld von der äusseren Oberfläche des Isolators abdrängbar ist.

Der entscheidende Vorteil der erfindungsgemässen Zündkerze besteht darin, dass der Lichtbogen unmittelbar nach seiner Zündung seitlich, insbesondere radial, abgedrängt werden kann und dann insgesamt oder bezüglich seiner Teilstücke einen bogenförmigen Verlauf aufweist, so dass sich gegenüber der

709837/07 59

A 42 247 b

Zündstrecke bei üblichen Zündkerzen ein beträchtlich längerer, zumindest abschnittsweise ausgewölbter Lichtbogen ergibt. Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht also darin, dass unter Verwendung üblicher Zündschaltungen ein Lichtbogen erreichbar ist, dessen Länge mindestens etwa 3 mm oder mehr beträgt.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemassen Zündkerze besteht darin, dass der Pfad, längs welchem der Lichtbogen schliesslich verläuft, sehr genau beherrschbar ist.

Es ist auch ein Vorteil der erfindungsgemassen Zündkerze, dass der von vornherein beträchtlich längere Lichtbogen seine Lage im Verlaufe eines Zündvorganges verändert und aufgrund dieser Bewegung eine bessere Verbrennung bzw. Zündwirkung herbeiführt.

Bei einer Zündkerze gemäss der Erfindung wird der Pfad des Lichtbogens nicht nur durch das ihn umgebende elektrische Feld beeinflusst, sondern auch durch Wechselwirkungen zwischen den Strömen im Lichtbogen einerseits und in mindestens einer der Elektroden andererseits.

Ferner kann bei einer erfindungsgemassen Zündkerze mit Hilfe des elektrischen Feldes eine Ionisierung von Partikeln des verbrannten bzw. brennenden Gemisches erzeugt werden, wodurch die Ausbreitung der Flammenfront günstig beeinflusst werden kann. Dabei hat es sich als günstig erwiesen, wenn die elektromagnetische Wechselwirkung zwischen den Strömen durch die Verwendung von magnetisierbaren Partikeln, insbesondere in der

709837/0759

Ά	42 247 b	1977	- 0
k	- 163		η
28	. Februar

die erste Elektrode umgebenden Isolation gefördert wird.

Als vorteilhaft hat es sich auch erwiesen, wenn für die Zündelektroden und/oder isolierende Teile Materialien mit niedriger Austrittsarbeit verwendet werden, aus denen Elektronen freigesetzt werden können, um die Koronabildung und die Lichtbogenentladung zu fördern.

Günstig ist es ferner, wenn die Zündkerze so ausgebildet ist, dass bei der Koronaentladung elektrisch aktive chemische Stoffe bzw. Radikale geschaffen werden und dass sekundär geladene Partikel im Lichtbogen erhalten werden, um die Verbrennung zu erleichtern und zu verstärken.

Die vorstehend angegebenen Vorteile werden insbesondere mit einer bevorzugten Ausführungsform einer Zündkerze gemäss der Erfindung erreicht, welche zwei Hauptelektroden aufweist, die eine erste bzw. eine zweite Zündfläche besitzen und welche ferner eine Zwischenelektrode bzw. eine schwimmende Elektrode zwischen den zwei Hauptelektroden aufweist, die kapazitiv mit einer der Hauptelektroden gekoppelt ist, so dass sich ein erster Spalt zwischen der ersten Zündfläche und einer Zündfläche der schwimmenden Elektrode ergibt sowie ein zweiter Spalt zwischen der Zündfläche der schwimmenden Elektrode und der zweiten Zündfläche an der zweiten Haupt- bzw. Zündelektrode. Die geometrische Form der ersten und zweiten Zündfläche ist dabei so gewählt, dass sich die Länge des Spalts zwischen verschiedenen Flächen der Zündflächen ändert, d.h. derart, dass sich zwischen den Zündflächen der ZUndelektroden ein Spalt

709837/0759

A 42 247 b

veränderlicher Länge ergibt. Die geometrische Form der Zündflächen ist ferner so gewählt, dass sich im Zusammenwirken mit der Wechselwirkung der elektrischen Ströme in einer der Zündelektroden und in dem Lichtbogen, der zwischen den Zündflächen brennt, wenn die Zündkerze angesteuert wird, eine bestimmte Führung des Lichtbogens und eine räumliche Verschiebung desselben ergibt. In einem bestimmten Bereich haben die beiden Zündelektroden ferner einen Abstand voneinander, der wesentlich kleiner ist als an der kürzesten Stelle des Spaltes zwischen der ersten und der zweiten Zündfläche. In diesem Bereich ist zwischen den Zündelektroden ein dielektrischer fester Stoff mit einem hohen Isolationswert vorgesehen, so dass sich in diesem Bereich bei Ansteuerung der Zündkerze eine Koronaentladung ergibt, welche die Lichtbogenbildung zwischen den Zündflächen einleitet. Die Form der Zündelektroden ist ferner so gewählt, dass bei dem Verbrennungsvorgang entstehende ionisierte Partikel einer grossen elektrischen Feldstärke ausgesetzt sind, und zwar in einem Zeitintervall, welches sich an den Beginn des Verbrennungsvorganges anschliesst.

Ganz speziell befasst sich die vorliegende Erfindung also mit Zündkerzen, bei denen sowohl eine Koronaentladung als auch eine Lichtbogenentladung auftritt und mit Systemen, in denen solche Zündkerzen eingesetzt werden. In diesem Zusammenhang

wird auf zwei frühere Anmeldungen (amtl. Aktenzeichen

US SN 506,381 vom 23. September 1974 und US SN 546,232 vom 3. Februar 1975) der Anmelderin verwiesen.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand einer Zeichnung noch näher erläutert und/oder

709837/0759

A 42 247 b

28. Februar 1977 -^- trvOOUO

sind Gegenstand der Schutzansprüche. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer Zündkerze gemäss der Erfindung, teilweise im Schnitt;

Fig. 2 eine stark schematisierte Darstellung der Brennkraftmaschine und des Zündsystems eines Kraftfahrzeugs mit einer Zündkerze gemäss Fig. 1;

Fig. 3 eine schematische Darstellung des zeitlichen Verlaufs einer Spannung, wie sie an eine Zündkerze gemäss Fig. 1 angelegt werden kann;

Fig. 4 eine Teil-Seitenansicht einer abgewandelten Ausführungsform einer Zündkerze gemäss der Erfindung, teilweise im Schnitt;

Fig. 5 eine perspektivische Teilansicht einer weiteren abgewandelten Zündkerze gemäss der Erfindung;

Fig. 6 ein schematlsches elektrisches Schaltbild eines Systems mit einer Zündkerze gemäss Fig. 1 und mit den zugehörigen Versorgungs- und Steuereinrichtungen;

Fig. 7 ein schematisches Schaltbild einer abgewandelten Schaltung zur Speisung einer Zündkerze gemäss der Erfindung;

Fig. 8 ein schematisches Ersatzschaltbild einer Zündkerze gemäss der Erfindung mit zugehörigen Versorgungseinrichtungen und

709837/0759

Λ 42 247 b

k - 163

28. Februar 1977 - / -

Fig. 9 einen Teilschnitt durch eine weitere abgewandelte Ausführungsform einer Zündkerze gemäss der Erfindung.

Ehe auf den genauen Aufbau einer erfindungsgemässen Zündkerze im einzelnen eingegangen wird, sei zunächst eine allgemeine Betrachtung vorausgeschickt. Der Zweck der erfindungsgemässen Zündvorrichtung bzw. Zündkerze besteht darin, eine Bogenentladung bzw. einen Lichtbogen zu ermöglichen, dessen Länge wesentlich grosser ist als dies normalerweise erreichbar ist und dessen Länge und Lage ausserdem elektronisch gesteuert werden kann. Versuchsergebnisse zeigen, dass vor dem Lichtbogen eine Koronaentladung auftritt, welche verschiedene Vorteile bietet. Zunächst kann die Koronaentladung dazu dienen, Kraftstofftröpfchen, wie sie beispielsweise bei Brennkraftmaschinen mit Kraftstoffeinspritzung vorhanden sein können, elektrisch aufzuladen und die aufgeladenen Tröpfchen zu konzentrieren, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis so zu beeinflussen, dass Zünd- und Verbrennungsvorgang verbessert werden. Zweitens bewirkt die Koronaentladung die Entstehung von aktiven Radikalen (der Kohlenwasserstoffe im Kraftstoff), welche den Verbrennungsvorgang fördern. Drittens kann durch die Koronaentladung ein Pfad vorgegeben werden, längs welchem der Lichtbogen geführt bzw. vorzugsweise erzeugt wird. Dieser bevorzugte Pfad für den Lichtbogen ist dann aber beträchtlich länger als dies normalerweise erreichbar ist. So konnte beispielsweise beobachtet werden, dass es wiederholt möglich war, bei einer normalen Brennkraftmaschine (Typ 360 CID der Firma Chrysler, USA) unter Verwendung der üblichen zugehörigen Zündanlage mit einem kompletten Satz von Zündkerzen mit einem der Fig. 5 der Zeichnung entsprechenden Aufbau einen Lichtbogen

- 8 709837/0759

A 42 247 b

^k - ¹⁶³

28. Februar 1977 -Jf

A*

mit einer Länge von etwa 3,2 nun zu erzeugen. Dabei zeigte es sich, dass der Pfad des Lichtbogens nur schwach von dem Druck abhängig ist, wenn eine gewisse Schwellwertspannung erreicht wird. Versuche haben gezeigt, dass bei einer Spaltbreite von 5,7 nun zwischen den Zündelektroden bei Vorhandensein einer schwimmenden Elektrode in der Mitte zwischen denselben, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist, bei der genannten Brennkraftmaschine unter Verwendung der Standardausrüstung und in einem breiten Bereich von Betriebsbedingungen ein Zündfunke bzw. Lichtbogen erzeugt werden kann. Bei geeigneter Gestaltung der Elektrodenanordnung und der Elektroden selbst ist es ferner möglich, den Pfad für den Lichtbogen und dementsprechend die Länge der Bogenentladung zu beherrschen. Wie weiter unten noch näher erläutert wird, erfolgt die Steuerung der Länge des Lichtbogens teilweise und unter den geeigneten Umständen aufgrund der Tatsache, dass sich zwei in entgegengesetzter Richtung fliessende elektrische Ströme gegenseitig beeinflussen sowie teilweise durch geeignete Formgebung für die Fusspunkte der Funkenstrecke der Zündkerze. Die Dauer der Phase, in der bei einem Zündvorgang eine Koronaentladung vorliegt, ist ebenfalls beherrschbar und kann bis in den Sub-Mikrosekundenbereich hinabreichen. Die Zündkerze besitzt eine Reihe von weiteren Vorteilen in einer Zündanlage, wie dies nachstehend erläutert wird.

Der Zündvorgang hängt bei einer Brennkraftmaschine von der Wechselwirkung mehrerer Faktoren ab. Die Zündkerze bildet einen Teil des elektrischen Schaltkreises des ZUndsystems. Dieser Schaltkreis ist durch ohmsche, induktive und kapazitive Elemente bestimmt, deren Grössc geändert werden kann, um die

709837/0759

A 42 247 b

k - 163

28. Februar 1977 -/- 2709303

At

Grosse und den zeitlichen Verlauf der Spannung zwischen den Zündkerzenelektroden und des über diese fliessenden Stromes zu beeinflussen. Insbesondere sind die Anstiegszaiten für Strom und Spannung sowie die Dauer und die Änderung der Polarität von Bedeutung sowie auch die Art des Energieverbrauchs bzw. der Energieverteilung bei jedem Zündvorgang. Ein weiterer wesentlicher Faktor ist die Wärmeleitfähigkeit der Zündkerze. Bei geeigneter Ausgestaltung können die Zündelektroden dazu dienen, die Temperatur des zunächst gezündeten Volumens zu regeln, was insofern wichtig ist, als während der Anfangsphase des Verbrennungsvorgangs die Tendenz besteht, dass die höchsten Temperaturen erreicht werden und dass ein grosser Anteil von Stickoxiden (NO ) erzeugt wird, die zur Umweltverschmutzung beitragen. Wenn man die Zündelektroden in der richtigen Weise gestaltet, so dass sie für ein möglichst grosses Volumen des zuerst gezündeten Teils des Gemisches eine Wärmeableitung gewährleisten, wie dies bei der erfindungsgemässen Zündkerze der Fall ist, dann kann eine Reduzierung der Stickoxide im Abgas erreicht werden. Ein weiterer wesentlicher Faktor bei der Beherrschung der Ausbreitung der Zündfront und der Wärmeübertragung von dem brennenden Gemisch auf die Zündkerze besteht in der Natur des elektrischen Feldes, welchem die brennende Luft-Kraftstoff-Mischung durch die Ansteuerung der Zündkerze unterworfen wird. Die Zeit, in der zwischen den Zündelektroden eine Spannung anliegt, schwankt dabei zwischen einer und mehreren hundert Mikrosekunden. Die Flammenfront bewegt sich mit einer Geschwindigkeit von etwa 1 bis 2 mm pro 150 MikroSekunden. Während dieser Zeit wird durch den Verbrennungsvorgang selbst eine beträchtliche Anzahl von geladenen Partikeln erzeugt. Diese Partikel sind dem Einfluss des elektrischen

- 10 -

709837/0759

A 42 247 b

λ*

Feldes unterworfen, welches von der angesteuerten Zündkerze ausgeht, so dass folglich auf die Flamme bzw. die Flammenfront beträchtliche Kräfte wirken. Bei der erfindungsgemässen Zündkerze kann das Volumen des vom elektrischen Feld beeinflussten Verbrennungsraumes in der Grössenordnung von 200 mm liegen, während das Volumen des brennenden Gemisches, welches in der Umgebung einer üblichen Zündkerze einem hohen elektrischen Feld unterworfen wird, lediglich einige mm ausmacht, d.h. etwa 1/100 des Volumens, welches von der erfindungsgemässen Zündkerze beeinflusst wird. Während der ersten paar 100 Mikrosekunden kann die Spannung über der Zündkerze in ihrer Polarität oszillieren und eine entsprechende oszillierende bzw. wechselnde Kraft auf die sich ausbreitende Flammenfront ausüben. Die an dem brennenden Gemisch wirksamwerdende Kraft hat die Tendenz, dieses zu den Zündelektroden zu drängen, wo die Wärme abgeleitet wird. Man erkennt ferner, dass bei der erfindungsgemässen Zündkerze die Bogenentladung in Verbindung mit den elektromagnetischen Kräften, welche auf die geladenen Partikel wirken, die an dem Verbrennungsvorgang teilnehmen, zur Erzeugung von Turbulenzen in dem brennenden Gemisch führt. Eine weitere Einflussgrösse bei dem Zündvorgang besteht darin, dass an der positiven Zündelektrode Sekundärelektronen entstehen, wobei grosse Flächen der Zündelektroden und deren Form und Ausrichtung wieder dazu führen, den erwünschten Effekt zu optimieren. In der nachfolgenden Beschreibung wird der Versuch unternommen, diejenigen Elemente, welche die gleiche oder ähnliche Funktionen haben, jeweils mit den gleichen Bezugszeichen zu bezeichnen.

Im einzelnen zeigt Fig. 2 ein Verbrennungssystem 101 mit einer

- 11 709837/0759

Λ 42 247 b

ao

Zündkerze 10 und einer Hochspannungsquelle 16, die miteinander verbunden sind sowie einen Zylinder 21 und einen Kolben 22 einer Brennkraftmaschine. Wie Fig. 1 zeigt, besitzt die Zündkerze 10 einen Grundkörper 4, welcher wie bei einer üblichen Zündkerze aus Metall besteht und mit einem Gewinde versehen ist, welches in den Zylinderblock der Brennkraftmaschine eines Automobils einschraubbar ist. Eine axiale Hochspannungselektrode bzw. eine zentrale Zündelektrode 1 reicht von einem Anschluss 11 an dem einen Ende der Zündkerze 10 durch den Grundkörper 4 hindurch zur anderen Seite desselben bzw. zum zweiten Ende der Zündkerze, welches in axialer Richtung einen Abstand von deren erstem Ende aufweist. Die zentrale Zündelektrode 1 ist von einem Isolator 9 umgeben, der die Zündelektrode 1 gegenüber dem leitfähigen Grundkörper 4 isoliert. Ein Teilstück 1B der Zündelektrode 1, welches über den Grundkörper 4 vorsteht, ist von einer Isolationshülse 3 umgeben, welche einfach eine Verlängerung des Isolators 9 darstellt. Das freie Ende der Zündelektrode 1 auf der dem Anschluss 11 abgewandten Seite wird durch eine elektrisch leitfähige Kappe 1A in Form eines Kegelstumpfes gebildet. Eine zweite Zündelektrode 2 ist mit Bezugspotential verbunden und an dem Grundkörper 4 befestigt. Die zweite Zündelektrode ist ebenfalls kegelstumpfförmig ausgebildet und reicht ausgehend von dem Grundkörper 4 bis in die Nähe der ersten Zündelektrode 1. Die Funken- oder Zündflachen der beiden Zündelektroden 1,2 sind mit den Bezugszeichen 1A. bzw. 2A₁ bezeichnet. Versuchsergebnisse zeigen, dass die Elektroden 1 und 2 in Verbindung mit der Hochspannungsquelle 16 geeignet sind, zunächst eine Koronaentladung und dann eine Bogenentladung durch die Korona zu erzeugen, wie dies nachstehend anhand der Fig. 5 erläutert wird.

- 12 -

709837/0759

A 42 247 b

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 5 ist die erste Elektrode 1 eine axiale langgestreckte Hochspannungselektrode, welche, wie oben erwähnt, nach aussen über den Grundkörper 4 der Zündkerze 1OA vorsteht. Der über den Grundkörper 4 vorstehende Teil der ersten Zündelektrode 1 ist von einer dünnen (ca. 1 mm) Isolationshülse 3 umgeben, und zwar mit Ausnahme der Kappe 1A an ihrem freien Ende. (Genau genommen sollte lediglich das Teilstück bzw. die Kappe 1A als "Elektrode" bezeichnet werden. In der vorliegenden Beschreibung bezeichnet der Begriff "Elektrode" jedoch durchgehend den elektrischen Leiter zwischen dem Anschluss 11 und die am freien Ende des elektrischen Leiters freiliegende Kappe 1A.) Die zweite Elektrode 2 (welche beim Ausführungsbeispiel eine geerdete Elektrode ist und von der für die nachstehende Beschreibung angenommen werden soll, dass sie gegenüber der ersten Elektrode 1 negativ ist) ist angrenzend an die erste Elektrode 1 in einem Bereich 5 angeordnet, der von der Kappe 1Λ durch einen beträchtlichen Spalt getrennt ist (der Spalt ist in Fig. 5 mit dem Bezugszeichen 6 bezeichnet) , wobei die zweite Elektrode von der ersten Elektrode in dem Bereich 5 durch die Isolationshülse 3 getrennt ist und wobei der Abstand zwischen der ersten und der zweiten Elektrode im Bereich 5 weit geringer ist als der Abstand zwischen der geerdeten zweiten Elektrode 2 und der Kappe 1A über den Spalt 6, d.h. der Abstand zwischen den Zündflächen 1Λ. und 2A₁. Bei einem im Betrieb befindlichen System kann die Koronaentladung (welche gelegentlich auch als Ionisation vor dem Auftreten des Zündfunkens bezeichnet wird (pre-strike-ionization)) zwischen der Hochspannungselektrode und der geerdeten Elektrode erzeugt werden. Die Koronaentladung beginnt in dem hohen elektrischen Feld im Bereich 5, wo die beiden Elektroden 1,2

- 13 -709837/0759

A 42 247 b

k ~ 163

28. Februar 1977 - yg - 2709303

einander am nächsten benachbart sind und breitet sich aufgrund einer axialen Komponente des elektrischen Feldes im wesentlichen längs der Isolationshülse 3 in Richtung auf die Zündfläche 1A₁ aus. Wenn die Koronaentladung die Nähe der freiliegenden Kappe 1A erreicht, dann ergibt sich durch die Korona ein Lichtbogen 30 zwischen der Zündfläche 1Λ. der ersten Elektrode 1 und der Zündfläche 2A₁ der zweiten Elektrode 2 in dem Luftspalt 6, welcher die Isolationshülse 3 umgibt, wobei eine Komponente des Lichtbogens im wesentlichen parallel zur Oberfläche der Isolationshülse 3 verläuft. Der Lichtbogen 30 ist lang im Vergleich zu den Lichtbogen bei üblichen Zündkerzen, wo die Lichtbogenlänge zwischen etwa 0,3 und 1,0 mm beträgt, während sie bei der erfindungsgemässen Zündkerze etwa 2,54 mm und mehr beträgt. Der Lichtbogen 30 brennt längs einer Strecke oder eines Pfades, dessen Form und Lage teilweise durch die Koronaentladung bestimmt sind und damit durch die Form und Lage der aktiven Teile der Elektroden 1 und 2. Der Lichtbogen 30 besitzt die Tendenz, zunächst dicht bei der ersten Elektrode 1 aufzutreten und somit in Kontakt mit der Oberfläche der Isolationshülse 3 zu gelangen. Bei der Zündkerze 1OA gemäss Fig. 5 besitzen nun die aktiven Teile der Elektroden 1 und 2 eine solche Form und Lage, dass der zunächst als Oberflächenentladung vorliegende Lichtbogen durch die elektromagnetische Wechselwirkung zwischen dem elektrischen Strom des Lichtbogens und dem elektrischen Strom in den Elektroden derart beeinflusst wird, dass die Tendenz besteht, dass der Lichtbogen aufgrund dieser elektromagnetischen Wechselwirkung von der Oberfläche der Isolationshülse 3 abgehoben wird. Im einzelnen ergibt sich eine elektromagnetische Wechselwirkung zwischen dem beispielsweise nach oben fliessenden Strom in dem Teilstück 1B der ersten

- 14 -709837/0759

A 42 247 b

k - 163

28. Februar 1977 -⁴X-

Elektrode 1 und dem als Lichtbogen 30 abwärts fliessenden Strom, so dass der Lichtbogen 30 veranlasst wird, sich radial nach aussen von dem TeilstUck 1B der Elektrode 1 wegzubewegen, wobei bei der erfindungsgemässen Zündkerze jedoch noch weitere Effekte wirksam sind, die auf den Lichtbogen einwirken, wie dies nachstehend weiter anhand der Fig. 5 erläutert wird.

Die Zündfläche 1A₁ der ersten Zündelektrode 1 besitzt die Form eines Kegelstumpfes ebenso wie die Zündfläche 2A₁ der Zündelektrode 2. Die Kegelstumpfflächen sind zur Längsachse der ersten Zündelektrode 1 konzentrisch. Die Scheitel der beiden Kegelstumpfflächen sind einander zugewandt. Die öffnungswinkel der entsprechenden Kegel sind so gewählt, dass die elektrischen Feldlinien, welche in die Oberflächen der elektrisch leitfähigen Zündflächen 1A₁ bzw. 2A₁ eintreten bzw. aus diesen austreten, eine solche Richtung besitzen, dass die elektrische Entladung, d.h. der Lichtbogen, der angesteuerten Zündkerze 1OA von der Achse derselben radial nach aussen weggedrückt wird, wie dies nachstehend erläutert wird.

Die Wirkungsweise der kegelstumpfförmigen Zündflächen 1A₁ und 2A₁ versteht man am besten, wenn man die Grenzbedingungen für das elektrische Feld betrachtet, durch welches der Lichtbogen hervorgerufen wird. Dieses elektrische Feld kann an einer metallischen Oberfläche hoher Leitfähigkeit, d.h. an den Zündflächen, keine tangentiale Komponente haben, sondern nur senkrecht ein- bzw. austreten. Durch geeignete Orientierung der ZUndflachen 1A₁ und 2A₁ ist es also möglich, auf die geladenen Teilchen im Lichtbogen mit einer solchen Feldlinienverteilung einzuwirken, dass der Lichtbogen nach aussen von der Zündkerzen-

- 15 -

709837/0759

A 42 247 b

k - 163 ?7np?m

28. Februar 1977 - vf - //U30U0

achse weggedrängt wird. Die Richtung der elektromagnetischen Kraft steht, wie oben erläutert, jeweils senkrecht auf den Ziindflächen und ist unabhängig von der Grosse des elektrischen Stromes im Lichtbogen und nur von der Potentialdifferenz zwischen den Ziindflächen 1A₁ und 2A₁ abhängig. Durch konische Ausgestaltung der Ziindflächen in der beschriebenen Weise ergibt sich also allein aufgrund dieser Tatsache eine starke nach aussen gerichtete Kraft am Lichtbogen, durch die dessen Form selbst bei niedrigen Stromwerten im Lichtbogen beeinflusst wird.

Zum besseren Verständnis sei darauf hingewiesen, dass der elektrische Strom durch die erste Zündelektrode 1 und damit über den Lichtbogen 30 zunächst in der Grössenordnung von einigen 10 A oder darüber liegen kann. Dieser hohe Strom wird teilweise durch die externe Beschaltung der Zündkerze bestimmt. Durch geeignete Gestaltung der elektrischen Beschaltung lässt sich eine gewisse Kontrolle der Impulse hoher Stromstärke im Verlaufe der Lichtbogenentladung erreichen. Bei einem Zündsystem mit kapazitiver Entladung ohne einen Serienwiderstand zur Strombegrenzung konnten Stromimpulse in beiden Richtungen beobachtet werden, bei denen eine Stromamplitude von etwa 60 A

— 8

erreicht wurde und die eine Dauer von etwa 10 Sekunden aufwiesen. Die Amplitude der Stromimpulse wird geringer, wenn ein Serienwiderstand vorgesehen ist. Hohe Stromamplituden ergeben

-4

sich intermittierend für ein Zeitintervall von etwa 10 Sekunden. Danach fällt der Strompegel auf Werte von etwa 50 mA ab. Die Phase, während welcher nur ein niedriger elektrischer Strom fliesst, ist die Hauptentladungsphase der Zündkerze, und in dieser Phase ist die Wechselwirkung zwischen dem Strom im

- 16 709837/0 7 59

A 42 247 b

28. Februar 1977 - V^-

Lichtbogen 30 und dem Strom durch die erste Zündelektrode 1 gegenüber der Anfangsphase, in der ein sehr hoher Strom fliesst, stark abgesunken. Die am Lichtbogen angreifende Kraft verändert sich quadratisch in Abhängigkeit von den Strömen und kann

4 somit beispielsweise um einen Faktor 4 χ 10 abnehmen. Die aufgrund der besonderen Form der Zündflächen 1A₁ und 2A. am Lichtbogen 30 angreifenden Kräfte bleiben jedoch selbst bei niedrigen Stromstärken wirksam und drücken den Lichtbogen weiterhin nach aussen. Wesentlich ist es jedoch, dass während der Anfangsphase, in der in dem System ein Strom von mehreren A fliesst, beide Effekte zusammenwirken, um einen nach aussen ausgewölbten Lichtbogen 30 zu erzeugen, wie er in Fig. 5 gezeigt ist. Während der Anfangsphase, in der ein hoher Strom fliesst, kann eine grosse Energiemenge für den Zündvorgang freigesetzt warden, so dass die Anfangsphase ein wesentlicher Teil des Zündvorganges ist, in dessen Verlauf elektrische Energie in Wärme umgesetzt und dem Kraftstoff-Luft-Gemisch zugeführt wird. Die Tatsache, dass der Lichtbogen 30 nach aussen abgedrängt wird, hat eine Reihe von vorteilhaften Folgen: Der Lichtbogen wird ausser Kontakt mit der Oberfläche der Isolationshülse gebracht, so dass eine Beschädigung und Verschmutzung derselben vermieden wird; es ergibt sich ein Lichtbogen grösserer Länge, so dass das Volumen des unmittelbar gezündeten Teils des Kraftstoff-Luft-Gemisches in dem System erhöht wird; die Lage des Lichtbogens ändert sich kontinuierlich, wodurch das Volumen des unmittelbar gezündeten Kraftstoff-Luft-Gemisches noch grosser wird. Ausserdem gehört der Lichtbogen, der bei der erfindungsgemässen Zündkerze entsteht, zu einem neuartigen Entladungstyp. Es ist bekannt, dass der Streuquerschnitt entsprechend dem Näherungsverfahren von Dorn mit dem Betrag der

- 17 709837/0759

A 42 247 b

28. Februar 1977 - Vl -

Geschwindigkeit der auftreffenden Partikel abnimmt. Folglich nimmt die Wahrscheinlichkeit, dass durch den Lichtbogen eine chemische Reaktion ausgelöst wird, ab, wenn die Geschwindigkeiten der geladenen Partikel in dem Lichtbogen zu hoch werden. Bei der neuartigen erfindungsgemässen Entladung ergibt sich jedoch eine breite Verteilung der Energien, wodurch die Wahrscheinlichkeit verbessert wird, dass die Energie zumindest eines Teils der Entladung genau an den chemischen Prozess angepasst ist, der damit verknüpft ist. Ausserdem kann der Lichtbogen in Anbetracht der Tatsache, dass erfindungsgemäss zwei weitere regelbare Parameter vorhanden sind, mit hoher Genauigkeit verändert werden. Mit anderen Worten ergibt sich also im Hinblick auf die jüngsten Entwicklungen bei den verbesserten Möglichkeiten der Analyse und bei der Ausgestaltung von Mikroprozessoren und dergleichen (vgl. US-PS 3,897,766) die Möglichkeit, den Lichtbogen und die durch diesen erzeugte Energie durch eine geeignete elektrische Speisequelle zu regeln, um diese Bedingungen für eine Optimierung zu optimieren. Ausserdem wird, wie oben erwähnt, nach Einleitung des Zündvorganges ein grosses Volumen des brennenden Kraftstoffes einem starken elektrischen Feld unterworfen. Die elektrische Energie wird also in die brennenden Gase eingekoppelt und beeinflusst den Ablauf der Flammenausbreitung.

Betrachtet man nun wieder die Fig. 1, so erkennt man, dass die Zündkerze 10 mindestens eine schwimmende Elektrode 7 mit Zündflächen 7A und 7B aufweist. Die Koronaentladung geht, wie oben beschrieben, von dem Bereich 5 aus und schreitet nach oben in Richtung auf die Zündfläche 1A₁ in Fig. 1 fort. Es bildet sich ein Lichtbogen 3OA zwischen der Zündfläche 2A.. und der Zünd-

- 18 -

709837/0759

28. Februar 1977 ~ &

fläche 7A. Die schwimmende Elektrode 7 ist über die dünne Isolationshülse 3 kapazitiv mit dem Teilstück 1B der ersten Zündelektrode 1 gekoppelt, so dass für eine kurze Verzögerungszeit, in deren Verlauf sich diese Kapazität auflädt, nur der Lichtbogen 3OA vorhanden ist. Nach der genannten kurzen Verzögerung zündet ein zweiter Lichtbogen 3OB zwischen der konischen Zündfläche 7B und der konischen Zündfläche 1A... Es hat sich gezeigt, dass die Zwischenelektrode bzw. die schwimmende Elektrode 7 einen grösseren Spalt (zwischen den Zündelektroden) ermöglicht, als dies sonst bei dem hohen Druck bei Brennkraftmaschinen möglich wäre. Durch den grösseren Spalt werden aber die oben beschriebenen Vorteile erreicht. Bei einem üblichen Zündsystem kann bei Verwendung einer schwimmenden Elektrode zur Unterteilung des Spalts ein Spalt mit einer Gesamtlänge von etwa 5,7 mm erfolgreich überbrückt werden.

Anstelle eines einzigen Spalts 6 gemäss Fig. 5 sind bei der Zündkerze 10 gemäss Fig. 1 zwei in Serie liegende Spalte vorgesehen, von denen einer zwischen der konischen Zündfläche 2A^ und der konischen Zündfläche 7Λ und der andere zwischen der konischen Zündfläche 7B und der konischen Zündfläche 1A₁ liegt. In jedem Fall steigt die Länge des Lichtbogens mit zunehmendem radialem Abstand von der Isolationshülse 3. Die schwimmende Elektrode 7 ist ein Band oder ein Ring, welcher die Isolationshülse 3 umgibt, so dass der Fusspunkt eines Lichtbogens an jeder Stelle ihres Umfangs liegen kann.

Vorstehend wurde erwähnt, dass bei der Zündkerze 1OA gemäss Fig. 5 der Pfad des Lichtbogens teilweise durch die Form der

- 19 -

709837/0759

A 42 247 b

k - 163

28. Februar 1977 - yS -

it

Zündflächen 1A.. und 2A- bestimmt wird. In entsprechender Weise wird auch der Pfad des Lichtbogens 30B zwischen der schwimmenden Elektrode 7 und der ersten Zündelektrode 1 in Fig. 1 teilweise durch die Form der Zündflächen bestimmt. Ausserdem hat sich aber gezeigt, dass sich auch bei der Zündkerze 1O gemäss Fig. 1 ein Lichtbogen ergeben kann, der direkt zwischen den Zündflächen 1A₁ und 2A₁ brennt. Weiterhin wurde beobachtet, dass bei geeigneter Orientierung der schwimmenden Elektrode ein Lichtbogen 30Aauf der einen Seite der Isolationshülse 3 und ein Lichtbogen 30B auf der anderen Seite derselben erzeugt werden kann. Wenn dies eintritt, dann wird die Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemisches im wesentlichen auf gegenüberliegenden Seiten der Isolationshülse 3 der Zündkerze 10 eingeleitet. Bei einer mikroskopischen Untersuchung der Elektrodenoberflächen bzw. Zündflächen von Zündkerzen des in Fig. 1 und 5 gezeigten Typs nach deren Einsatz in einer Brennkraftmaschine ergab sich ferner, dass die Lichtbogenbildung längs des gesamten Umfangs der ringförmigen Zündflächen aufzutreten pflegt. Weiter zeigte es sich, dass die Fusspunkte des Lichtbogens vorzugsweise am äussersten Umfang der Zündflächen lagen. Bei den Arbeiten, welche zu der Erfindung führten, erwiesen sich Speziallegierungen, wie sie beispielsweise unter dem Handelsnamcn "Udimet 500" vertrieben werden, als sehr dauerhafte Materialien für die Zündflächen 1A₁ und 2A₁ sowie für die schwimmende Elektrode 7. Im allgemeinen ist es erforderlich, für diese Elektroden bzw. Elektrodenteile Metalle zu verwenden, die hochtemperaturfest sind und die unter der Einwirkung der verschiedenen elektrischen und elektrochemischen Kräfte gegen eine Grubenbildung widerstandsfähig sind.

- 20 -

709837/0759

A 42 247 b

Bei einer abgewandelten Zündkerze 1OB, wie sie Fig. 4 zeigt, sind viele Elemente ebenso ausgebildet wie bei der Zündkerze 10 gemäss Fig. 1. Die schwimmende Elektrode 7' in Fig. 4 unterscheidet sich jedoch in ihrer Form von der schwimmenden Elektrode 7. Die schwimmende Elektrode 7' hat ähnlich wie die Elektrode 7 vorzugsweise die Form eines Bandes oder Ringes, welcher die Isolationshülse 3 umgibt; die mit dem Bezugszeichen 7A¹ und 7B¹ bezeichneten Zündflächen sind jedoch mit Hilfe eines Trägers 18 bzw. einer Tragkonstruktion in radialer Richtung relativ weit nach aussen verlagert, so dass die mit den Bezugszeichen 3OA' und 30B¹ bezeichneten Lichtbögen im Abstand von der Isolationshülse 3 entstehen. Die Lichtbögen 30A' und 30B¹ werden auch bei der Zündkerze gemäss Fig. 4 wieder durch die Wechselwirkung zwisehen den elektrischen Strömen in den beiden Lichtbögen einerseits und dem elektrischen Strom in dem Teilstück 1B der ersten Zündelektrode 1 nach aussen abgedrängt. Eine Kondensatorplatte 15 am Fusse des Trägers 18, welche in das Isolationsmaterial der Isolationshülse 3 eingebettet ist, sorgt wieder für eine kapazitive Kopplung der schwimmenden Elektrode 7' mit dem Teilstück 1B der Zündelektrode 1.

Die kapazitive Ankopplung der Zwischenelektroden bzw. der schwimmenden Elektroden wird schematisch anhand der Fig. 8 erläutert, wo eine Zündkerze 1OC angedeutet ist, bei der mehrere schwimmende Elektroden 7" und 7"' (oder mehr) über Kapazitäten 34 und 35 mit der an der Hochspannungsquelle 16* liegenden ersten Zündelektrode 1 gekoppelt sind. Parallelwiderstände R₁, R₂ und R₃ (ru 1 MOhm) entsprechen den Oberflächenwiderständen längs der verschiedenen Elektroden.

- 21 -

709837/0759

A 42 247 b

Der Spalt für den Lichtbogen zwischen der ersten Zündelektrode 1 und der ersten schwimmenden Elektrode 7" ist mit dem Bezugszeichen 6* bezeichnet. Der Spalt zwischen den schwimmenden Elektroden 7" und 7"' ist mit 6" bezeichnet und der Spalt zwischen der schwimmenden Elektrode 7"' und der zweiten Zündelektrode 2 ist mit 6"' bezeichnet. Bei dem insgesamt mit dem Bezugszeichen 1O1C bezeichneten System gemäss Fig. 8 besitzt die Zündkerze 1OC mit mehreren Spalte bzw. Zündstrecken, wie oben erläutert, Einrichtungen zur Erzeugung einer Koronaentladung (in Fig. 8 nicht dargestellt) sowie eine Spannungsquelle 16', welche über einen Schalter S₁ mit der Zündkerze bzw. deren erster Zündelektrode verbindbar ist. Der Schalter S. wird seinerseits durch einen Regler-Verteiler 17 gesteuert.

Nachstehend soll zunächst kurz noch auf einige Punkte von allgemeinem Interesse eingegangen werden. Es hat sich gezeigt, dass es vorteilhaft ist, wenn die Zündfläche 1A₁ so geformt ist, dass sich ein freiliegender Rand 23 ergibt, wie er in Fig. 1 und 2 zu erkennen ist, indem man beispielsweise den Durchmesser der Kappe 1A an ihrem der Zündelektrode 1 zugewandten Ende etwas grosser wählt als den Aussendurchmesser der Isolationshülse 3. Dieser Rand 23 sorgt für eine Feldverstärkung, welche die Entstehung eines Lichtbogens bei einer niedrigeren Spannung ermöglicht als dies andernfalls möglich wäre. Bei den Versuchen zeigte es sich, dass die Oberfläche der Isolationshülse bei Vorhandensein eines solchen Randes zur Feldverstärkung angrenzend an die Zündfläche 1A₁ extrem sauber blieb. Ein entsprechender Bereich zur Feldverstärkung ist auch bei der zweiten Zündelektrode 2 vorgesehen und in Fig. 4 mit dem Bezugszeichen 200 bezeichnet. Das

- 22 -

709837/0759

A 42 247 b

k - 163

28. Februar 1977 - & - 2709303

Material der Elektroden 1 und 2 und in gewissem Umfang auch dasjenige der schwimmenden Elektroden trägt zur Abkühlung der brennenden Gase bei. Ausserdem bewirkt der Einfluss des elektrischen Feldes auf das brennende Gas, dass dieses gegen die eine oder andere Zündfläche getrieben wird. Somit wird eine teilweise elektromagnetisch hervorgerufene Eingrenzung der Flamme erreicht. Folglich ergibt sich auch eine gewisse Abkühlung der Flamme aufgrund der Wechselwirkung mit den Elektroden. Dies führt insgesamt dazu, dass die Entstehung von Stickoxiden (NO ) unterdrückt wird. Es ist daher wesentlieh, dass die Wärmeleitfähigkeit der Zündflächen, der Elektroden und des Grundkörpers sorgfältig ausgewählt wird und dass die an die Zündkerze angelegte Spannung so geregelt wird, dass kein vollständiges Auslöschen der Flamme eintritt, sondern nur eine erwünschte und kontrollierte Abkühlung derselben, um die Entstehung von NO zu verringern. Aufgrund der stark verschiedenen Natur der verschiedenen Lichtbögen, die bei einer erfindungsgemässen Zündkerze brennen und aufgrund der Wirkungen derselben auf das brennende Gemisch ist es sehr wichtig, dass der Zeitpunkt, zu dem der Zündfunke auftritt, sorgfältig eingestellt wird.

Die Isolationshülse 3 kann aus üblichem keramischen Isolationsmaterial bestehen, wie es für Zündkerzen verwendet wird (Zündkerzenkeramik) . Die vorstehend diskutierte elektromagnetische Wechselwirkung kann jedoch verstärkt werden, indem man in dem Isolationsmaterial vor dem Ausformen desselben eine kleine Menge von Fe-O. oder andere magnetisierbare Partikel verteilt; die Isolationshülse 3 kann beispielsweise ein Ferrit sein. Die magnet!sierbaren Partikel erhöhen die Stärke des Magnet-

- 23 -709837/0759

Λ 42 247 b

k "" 163

28. Februar 1977 - ^f- 2709303

it

feldes bei einem Strom durch die Zündelektrode 1, ohne dass sie die Isolationseigenschaften der Isolationshülse 3 verschlechtern würden. In dem betrachteten Zusammenhang haben sich besonders kleine magnetische Partikel mit einer Grosse zwischen 100 und 1000 AE bewährt.

Wie oben ausgeführt, wird angenommen, dass die Koronaentladung in dem Bereich 5 beginnt und sich dann längs der Isolationshülse ausbreitet. Während dies geschieht, ist die Koronaentladung den Einflüssen des elektrischen Feldes zwischen der geerdeten zweiten Zündelektrode 2 und der freiliegenden Kappe 1A der mit der Hochspannungsquelle verbundenen ersten Zündelektrode 1 ausgesetzt, wie dies bei dem System 101 gemäss Fig. 2 der Fall ist, so dass schliesslich ein Lichtbogen entsteht. Der auf diese Weise entstandene Lichtbogen bewegt sich längs eines Pfades, der im wesentlichen parallel zu dem Teilstück 1B der ersten Zündelektrode 1 verläuft, die von der Isolationshülse bedeckt ist. Die Lage'des Lichtbogens ist also teilweise durch die vorangegangene Koronaentladung bestimmt, während die Form der Koronaentladung ihrerseits in grossem Masse von der Form der Elektrode 1 beeinflusst wird. Die von einer Isolationshülse umgebene Zündelektrode für die Hochspannung dient also als Führung für die Koronaentladung und damit für den Lichtbogen. Es ist auch möglich, die Koronaentladung längs einer gekrümmten isolierenden Oberfläche zu führen, welche eine gekrümmte Hochspannungselektrode bedeckt.

Die Zündkerze 10 besitzt einen üblichen Grundkörper 4, der in einen Motorblock einschraubbar ist, welcher auf Bezugspotential liegt. In Fig. 2 sind der Zylinder 21 und der KoI-

- 24 -

709837/0759

A 42 247 b

28. Februar 1977 - 2< -

ben 22 einer solchen Brennkraftmaschine angedeutet. Das Bezugszeichen 20 bezeichnet eine begrenzte zylindrische Kammer, welche teilweise von Wänden des Motorblocks begrenzt wird, die dazu dienen können, eine Abkühlung der Kammerwandung bzw. der Kammer herbeizuführen. Die erfindungsgemässe Zündkerze kann auch bei Drehkolbcnmotoren verwendet werden bzw. ganz allgemein bei Brennkraftmaschinen und Verbrennungssystemen, bei denen mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines Zündfunkens gearbeitet wird. Die Hochspannungsquelle kann eine Kondensatorbatterie enthalten oder eine Zündspule, wie sie bei Kraftfahrzeugen üblich ist, sowie solche Einrichtungen, die eine geeignete Spannungsform erzeugen, die sowohl für die zeitliche Steuerung der Koronaentladung als auch des Lichtbogens geeignet ist. Im Betrieb befindet sich ferner in unmittelbarer Nachbarrchaft der Zündkerze 10 ein Kraftstoff-Luft-Gemisch und die Dauer der Koronaentladung kann die' Zusammensetzung des Gemisches beeinflussen. Da ferner die Menge der elektrischen Energie, die von dem Lichtbogen abgegeben werden kann, eine Funktion der Lichtbogenlänge ist, führt die Erfindung bei allen Verbrennungssystemen zu grossen Vorteilen, insbesondere bei Brennkraftmaschinen, die mit einem mageren Gemisch betrieben werden, bei dem ein hohes Verhältnis von Luft zu Kraftstoff vorliegt. Wie aus der vorstehenden Beschreibung deutlich wird, kann die in das Luft-Kraftstoff-Gemisch eingeleitete Energie vergrössert werden, wenn der Lichtbogen nach aussen ausgelenkt wird, was bei dem erfindungsgemässen System anders als bei den vorbekannten Systemen möglich ist, wo nur ein kurzer Lichtbogen vorhanden ist, der nicht verlängert werden kann.

- 25 -

709837/0759

A 42 247 b

k - 163

28. Februar 1977 -&-

Nachstehend soll noch etwas näher auf verschiedene Punkte eingegangen werden, die bereits vorher kurz angesprochen wurden.

Die bisher durchgeführten Arbeiten haben gezeigt, dass die Koronaentladung zwischen der geerdeten Zündelektrode 2 und der an Hochspannung liegenden Zündelektrode 1 zunächst durch die Isolationshülse 3 hindurch erfolgt. Die geladenen Partikel im Bereich der Koronaentladung werden der Wirkung eines elektrischen Feldes unterworfen, welches eine radiale Komponente E besitzt, die senkrecht zur Längsachse der ersten Zündelektrode 1 verläuft sowie eine axiale Komponente E , die parallel zur Achse der ersten Zündelektrode 1 verläuft. Die Feldkomponenten E und E sind in Fig. 5 eingezeichnet. Weiter-

ί Z

hin ergibt sich ein in radialer Richtung fliessender Strom J sowie in axialer Richtung fliessender Strom J . Für diese Ströme gelten die Gleichungen:

^Jz ^{= ri}z ^Ez'

wobei ό die Leitfähigkeit in radialer Richtung durch die Isolationshülse 3 hindurch ist und wobei <i die Leitfähig

längs der Oberfläche der Isolationshülse 3 ist.

Obwohl E >^ E , da hinsichtlich der Leitfähigkeiten der

Γ Z

Isolationshülse gilt: (S _ »rt kann in axialer Richtung ein

Z L

Lichtbogen erzeugt werden, wobei für die Ströme gilt: J >> J . Der Strom im Lichtbogen 30 ist in Fig. 5 in seiner

Z Γ

- 26 -

709837/0759

Λ 42 247 b

k - 163

28. Februar 1977

Vi

Amplitude et v/a gleich und in seiner Richtung entgegengesetzt zu dem Strom, der durch das Teilstück 1B der ersten Zündelektrode 1 fliesst. Die beiden Ströme üben eine Kraft aufeinander aus, die die Tendenz hat, die Ströme in radialer Richtung voneinander wegzudrängen. Da sich der Lichtbogen im Raum bewegen kann, hebt er folglich von der Oberfläche der Isolationshälse 3 ab, wie dies oben erwähnt wurde. Für die in radialer Richtung wirkende Kraft F pro Längeneinheit 1, die am Lichtbogen angreift, gilt:

I - ² * ¹⁰~⁷ ^arc)² 1 a

wobei F in Newton angegeben ist, wobei 1 und a in m angegeben sind und wobei der Lichtbogenstrom I in A angegeben ist.

arc

Ferner ist a gleich dem Abstand zwischen dem Lichtbogenstrom und dem Strom durch die Zündelektrode 1. Der Lichtbogenstrom I„__ ist nicht konstant, wenn die Lichtbogenentladung auftritt. Unmittelbar nach Zündung des Lichtbogens kann der Lichtbogenstrom I___ ziemlich gross sein, wenn nämlich die Eigenkapazitat der Zündkerze entladen wird. Bei Verwendung von Entstör-Bauteilen können Stromwerte bis zu 10 A erreicht werden, und

— 8
zwar für eine Zeit von 10 Sekunden. Dieser hohe Strom fällt dann auf einen Wert von etwa 50 mA ab, wenn die magnetische Energie in der Zündspule eines üblichen Zündsystems abgebaut wird. Die Eigenkapazität der Zündkerze kann zur Beeinflussung des Lichtbogenstromes I__„ in der gewünschten Weise eingestellt werden. Die Dauer der Entladung der Eigenkapazität kann durch Einstellung der RC-Zeitkonstanten für diese Entladung eingestellt werden. Wenn man beispielsweise annimmt,

- 27 -

709837/0759

A 42 247 b

k - 163

28. Februar 1977 -2*- 2709303

dass der Lichtbogenstrom I 10 A beträgt und dass der Licht·

arc

bogen 30 sich bis auf einen Abstand a von 0,1 cm von der ersten Zündelektrode 1 entfernt hat, dann gilt

F	2	X	10 χ	1O²	= 2	X	ίο"²	N
1		1	χ 1O"³					m

Die Kraft, die an einem einzigen Elektron bzw. an einem positiven Ion im Lichtbogen angreift, würde etwa in der Grössenordnung von

2,0 χ 10~² χ 1O"¹⁰ = 2,0 χ 10"² N

liegen.

Diese Kraft ist mit der Kraft F₁ zu vergleichen, die an dem Elektron bzw. dem positiven Ion aufgrund des elektrischen Feldes wirksam ist, welches die Ursache für die Entstehung des Lichtbogens darstellt. Wenn das elektrische Feld in dem Spalt 6 in Fig. 5 eine Feldstärke von 30000 V/cm besitzt, dann ergibt sich:

F₁ - 1,6 χ 10~¹⁹ χ 3 x 10⁶ = 4,8 χ 1θ"¹³ N.

Die Kraft F, welche in dem Sinne wirksam ist, dass sie den Lichtbogen von der Oberfläche der Isolationshülse wegdrückt, kann also bei hohen Stromstärken grosser sein als die elektrische Kraft aus F₁, welche den Lichtbogen selbst erzeugt. Diese Tendenz, den Lichtbogen von der Oberfläche der Isolationshülse

- 28 -

709837/0759

A 42 247 b

abzuheben, ist wichtig, da sie dazu ausgenutzt werden kann, den Lichtbogen im Abstand von der Oberfläche zu halten, welche anderernfalls zu einer Löschung des Verbrennungsvorganges führen könnte. Ausserdem ermöglicht die genannte Tendenz eine bessere Ausbreitung des Verbrennungsvorganges in alle Richtungen, und zwar von dem Lichtbogen weg,und verringert eine Beschmutzung bzw. Beschädigung der Zündkerze, da der zunächst als Oberflächenstrom fliessende Strom kräftig von der Oberfläche der Isolationshülse weggedrängt wird. Die Tendenz, dass der Lichtbogen von der Oberfläche abgedrängt wird, ist auch insofern von Bedeutung, als es hierdurch möglich ist, die Länge des Lichtbogens zu steuern. Der Vorgang des Abhebens des Lichtbogens kann dadurch wirksam unterstützt werden, dass mai\ die Zündflächen 1A- und 2A₁ sowie die Zündflächen der schwimmenden Elektrode(n) in der vorstehend beschriebenen Weise ausbildet, d.h. so, dass ein beträchtlicher Bereich vorhanden ist, wo eine Senkrechte auf der Zündfläche so orientiert ist, dass dort ein Lichtbogen beginnen oder enden kann, welcher nach aussen und von einer Zündkerzenelektrode weggedrückt werden kann, durch die im wesentlichen der gesamte Zündstrom fliesst.

Wie oben ausgeführt, ist der elektrische Strom, der durch die Zündelektrode 1 fliesst und damit der Lichtbogenstrom, von der Ausgestaltung der Zündschaltung und von der Art der Entladung abhängig. Bei einem kapazitiven Zündsystem zeigte es sich, dass während der ersten 500 /us grosse Stromschwingungen auftraten mit Spitzenamplituden von bis zu 50 A. Während eines Zeitintervalls von 140 ^s wurden bei Versuchen ein grosser Strom und Spannungsübergänge beider Polaritäten beobachtet. Diese Uber-

- 29 709837/0759

Ά 42 247 b

k - 163

28. Februar 1977 - &- 2709303

gänge waren bei der erfindungsgemässen Zündkerze mit mindestens einer schwimmenden Elektrode wesentlich ausgeprägter als bei einer konventionellen Zündkerze (beispielsweise der Zündkerze NY-13 der Firma Champion) und auch ausgeprägter als diejenigen übergänge, die bei einer Zündkerze gemäss Fig. 1 und 2, jedoch ohne schwimmende Elektrode 7, beobachtet werden konnten. Der sehr grosse Strom und die SpannungsübergSnge, welche während

-9
der ersten 500 χ 10 Sekunden auftreten, führen zur Einleitung einer beträchtlichen Energiemenge in das Luft-Kraftstoff-Gemisch, dessen Flammenfront, die sich mit 800cm/s ausbreitet, sich während des genannten Zeitintervalls nur um etwa 4 (um fortbewegen kann. In dem genannten Zeitraum ist also eine intensive lokale Erhitzung zu erwarten. Hierdurch wird auf begrenztem Raum ein Plasma erzeugt, in welches die Energie des elektrischen Feldes eingeleitet werden kann, welches über die Zündelektroden erzeugt wird. Die Entstehung dieses Plasmas wird noch durch die Verbrennungsreaktion selbst unterstützt.

Die Verwendung von Material mit niedriger Austrittsarbeit in den Elektroden, beispielsweise in dem Material der Zündflächen sowie in der Isolationshülse 3 gemäss Fig. 1 kann ebenfalls nützlich sein, um die Entstehung der Koronaentladung und des Lichtbogens selbst zu erleichtern. Materialien, wie z.B. LaBg, haben eine sehr niedrige Austrittsarbeit und erzeugen bei erhöhter Temperatur und bei Vorliegen eines elektrischen Feldes eine grosse Menge von Elektronen. Die Freisetzung dieser Elektronen beruht auf einer Kombination von thermischer Emission und von Feldemission. Die in dem hohen elektrischen Feld freigesetzten Elektronen führen zur Entstehung der Koronaentladung und des Lichtbogens bzw. fördern diese Phänomene.

- 30 -

709837/0759

A 42 247 b

28. Februar 1977 - 34f Z/U30UJ

Die genannten Entladungen können bei höheren Drücken und niedrigeren Spannungen eingeleitet und aufrechterhalten werden, wenn die Zufuhr von freien Elektronen in das Gasgemisch erhöht wird. Dies liegt teilweise daran, dass die Elektronen von den elektrischen Feldern beschleunigt werden können, die sich aufgrund der angelegten Hochspannung ergeben und dann zu einer Ionisation des Gasgemisches führen. Es versteht sich, dass die Isolationswirkung der Isolationshülse 3 insoweit aufrechterhalten werden muss, dass sich kein Durchbruch bzw. Kurzschluss ergeben kann.

Die Hochspannungsquelle, welche zunächst die Koronaentladung einleitet und dann zur Bildung des Lichtbogens führt, kann so ausgebildet werden, dass mehrere Funktionen erreicht werden können. Beispielsweise kann die Hochspannungsquelle zunächst eine Spannung erzeugen, die zur Entstehung einer Koronaentladung führt, gleichzeitig jedoch den Strom soweit begrenzen, dass kein Lichtbogen entsteht, bis dies erwünscht ist. Beispielsweise kann, wie dies Fig. 3 zeigt, ausgehend von der "Koronaspannung", bei der sich eine Koronaentladung ergibt und die bei etwa 5 kV liegt, ein steil ansteigender Spannungsimpuls erzeugt werden, um die Entstehung eines Lichtbogens auszulösen. Ferner besteht die Möglichkeit, mehrere steil ansteigende Impulse zu erzeugen, die jeweils zur Bildung eines Lichtbogens führen, um auf diese Weise eine Folge von Lichtbogenentladungen zu erreichen. Weiterhin besteht die Möglichkeit, diese Folge von Lichtbogenentladungen zur Zündung einer einzigen Luft-Kraftstoff-Charge zu verwenden. Die Koronaentladung kann einfach dadurch ausgelöst werden, dass die Spannung ansteigt, wenn ein Spannungsimpuls erzeugt wird, der zur

- 31 -

709837/0759

A 42 247 b

k - 163

28. Februar 1977 - }* -

<fO

Bildung eines Lichtbogens führt. In diesem Fall kann die Dauer der Koronaentladung sehr kurz sein. Nachstehend sollen einige technische Zusammenhänge bezüglich des Lichtbogens und des elektrischen Systems zur Herbeiführung der verschiedenen elektrischen Funktionen näher erläutert werden.

Die Wechselwirkung zwischen dem Strom des Lichtbogens und dem Strom, der durch die isolierte, mit der Hochspannungsquelle verbundene Zündelektrode fliesst, kann dazu ausgenutzt werden, die Länge des Lichtbogens zu regeln, wie dies eingangs erwähnt wurde. Eine Möglichkeit, eine solche Regelung zu erreichen besteht darin, den Lichtbogenstrom zu verändern. Dies kann dadurch geschehen, dass man eine veränderliche Strom- oder Spannungsquelle mit den Anschlüssen der Zündkerze verbindet. Wenn kein Lichtbogen brennt, ist der Widerstand R der

. aus

Zündkerze hoch und beträgt beispielsweise 10 Ohm. Während der dem Lichtbogen vorangehenden Koronaentladung ist der Widerstand R_cor ebenfalls ziemlich hoch und es fliesst ein Strom in der Grössenordnung von 10*" A. Wenn der Lichtbogen brennt, ist der Widerstand R_. gegenüber dem Widerstand R drastisch

ein - aus

verringert. Der Widerstand R . liegt üblicherweise in der Grössenordnung von etwa 10 Ohm. Es kann nun eine veränderliche Spannungs- oder Stromquelle verwendet werden, um über den Lichtbogen einen Regelstrom fliessen zu lassen und damit die Kraft zu beeinflussen, mit der der Lichtbogen von den durch die Zündkerze fliessenden Strömen abgedrängt wird. Ausserdem wird die Abdrängung des Lichtbogens durch die Verwendung von konischen Zündflächen der gezeigten Art gefördert, deren Form ebenfalls die Länge des Lichtbogens beeinflusst. Eine elektrische Schaltung mit einer solchen Regelmöglichkeit ist in Fig.

- 32 709837/0759

Λ 42 247 b

für ein übliches Zündsystem gezeigt.

Die elektrische Schaltung gemäss Fig. 6 enthält eine Batterie 16 und eine Zündspule 47. Die Zündspule 47 besitzt zwei Wicklungen 47A und 47B, wie bei einem üblichen System, von denen eine (47A) über einen Widerstand 18 und eine Diode 19 mit einer einzigen Zündkerze 10 verbunden ist, wie sie in Fig. 7 gezeigt ist. Die zweite Wicklung 47B ist über einen Widerstand 14 mit dem Schaltkontakt 13 und mit einem zum Schaltkontakt 13 parallelen Kondensator 12 verbunden.

Fig. 7 zeigt ein Ersatzschaltbild der Zündkerze 10 gemäss Fig. Man erkennt, dass die schwimmende Elektrode 7 über ein RC-Glled mit der an Hochspannung liegenden ersten Elektrode 1 v?rbunden ist, nämlich über die Isolationshülse 3, welche in Fig. 7 durch ihre Kapazität 36 und ihren Widerstand R₁. dargestellt ist, wobei dieser Widerstand den Widerstandswert zwischen der Kappe 1A der ersten Zündelektrode 1 und der schwimmenden Elektrode 7 längs der Oberfläche der Isolationshülse darstellt. Der Widerstand zwischen der schwimmenden Elektrode 7 und Bezugspotential ist als Widerstand R _ dargestellt. Der Lichtbogen 3OB in Fig. 1 ergibt sich in der Schaltung gemäss Fig. 7 über dem Spalt 6Λ-, während der Lichtbogen 3OA in Fig. 1 über dem Spalt 6B in Fig. 7 entsteht. Zur Erhöhung der Eigenkapazität der Zündkerze kann ein zusätzlicher Kondensator 66 parallel zur Zündkerze geschaltet werden oder in dazu äquivalenter Weise parallel zu der Hochspannungsquelle 16". Ein Widerstand 67, der in Serie zu dem Kondensator 66 geschaltet ist, bestimmt die RC-Zeitkonstante der Entladung des Kondensators 66, welche stattfindet, wenn die Spalte 6A

- 33 -

709837/0759

A 42 247 b

k - 163

28. Februar 1977

und 6B überbrückt sind, so dass der Gesamtwiderstand zwischen den Zündelektroden 1 und 2 Infolge der Bogenentladung auf einen sehr niedrigen Wert abfällt. Die in dem Kondensator 66 gespeicherte Energie wird dem Lichtbogen derart zugeführt, dass der Lichtbogenstrom sowohl in der Amplitude als auch in seinem zeitlichen Verlauf geregelt wird, und zwar durch Änderung der Kapazität und des Widerstandes, insbesondere der Elemente 66 und 67 in Fig. 7, die der Hochspannungsquelle 16" parallelgeschaltet sind. Im einzelnen kann die Änderung der Kapazität -und/oder Widerstandswerte in Abhängigkeit von einem Rückkopplungssignal erfolgen, welches mit Hilfe eines Rechners aufgrund einer Reihe von Meßsignalen erzeugt wird, die beispielsweise der Drehzahl und dem Drehmoment entsprechen, um auf diese Weise eine optimale Leistung zu erreichen. Bei einem Kaltstart und bei Betriebsbedingungen, unter denen eine verstärkte Verschmutzung zu erwarten ist, kann eine Erhöhung des Lichtbogenstromes hilfreich sein, um ein einwandfreies Zünden zu gewährleisten. Die Schaltung gemäss Fig. 7 kann in verschiedener Weise funktionieren, und zwar in Abhängigkeit von dem von der Hochspannungsquelle 16" erzeugten Signaltyp und in Abhängigkeit vom speziellen Aufbau der Zündkerze. Wenn die Kapazität 36 gross genug und der Spannungsanstieg steil genug sind, dann wirkt die Kapazität 36 als Hochpassfilter und dar überwiegende Teil der angelegten Hochspannung erscheint über dem Spalt 6B. Wenn dann über dem Spalt 6B ein Lichtbogen entsteht, erscheint im wesentlichen die gesamte Hochspannung über dem Spalt 6A, so dass auch dort ein Lichtbogen gezündet wird. Wenn die Kapazität 36 dagegen vernachlässigbar klein ist, dann führt das Vorhandensein der Widerstände R₉₁ - parallel

- 34 -709837/0759

A 42 247 b

zum Spalt 6A - und R_₂ - parallel zum Spalt 6B - dazu, dass der Spannungsabfall zwischen den ZUndelektroden 1 und 2 aufgeteilt wird. Man erkennt, dass eine kurze Anstiegszeit für das Hochspannungssignal sehr wünschenswert ist, damit während der aufeinanderfolgenden Zündvorgänge - Lichtbögen über den Spalten 6A, 6B - jeweils die höchste mögliche Spannung über den Spalten 6A und 6B auftritt.

Die schwimmende Elektrode 7 kann mit Hilfe eines RC-Gliedes kapazitiv mit Bezugspotential verbunden werden, d.h. sie kann mit dem Grundkörper 4 der Zündkerze gekoppelt sein, wie dies Fig. 9 zeigt, wo die Zündkerze mit dem Bezugszeichen 1OD bezeichnet ist. (Bei den bisherigen Überlegungen wurde davon ausgegangen, dass die Elektrode 7 mit der Zündelektrode 1 gekoppelt ist.) Dies würde einer Verbindung der Kapazität 36 in Fig. 7 mit Bezugspotential statt mit der Hochspannungsquelle entsprechen. Diese Änderung ist in Fig. 9 dadurch erreicht, dass die schwimmende Elektrode 7 über Leiterstreifen 32A und 32B mit einem zylindrischen Kondensatorbelag 31 verbunden ist, der koaxial zum Grundkörper 4 angeordnet ist. Der zylindrische Kondensatorbelag 31 ist von dem Grundkörper 4 durch den Isolator 9 getrennt. Diese Anordnung dient dazu, eine verbesserte Wärmeableitung an der schwimmenden Elektrode 7 zu erreichen und diese gleichzeitig zu haltern. Für einen von der Hochspannungsquelle an die Zündkerze 1OD angelegten Spannungsimpuls scheint die schwimmende Elektrode 7 effektiv mit Bezugspotential verbunden zu sein, wenn die Anstiegszeit der Spannung kurz im Vergleich zur RC-Zeitkonetante der Eigenkapazität und des Eigenwiderstandes der Zündkerze 1OD ist. Folglich würde

- 35 -

709837/0759

A 42 247 b

k - 163

28. Februar 1977 - Vi -

der Spalt zwischen den Elektroden 2 und 7 der Zündkerze 1OD zuerst von einem Lichtbogen überbrückt, während der Lichtbogen über den Spalt zwischen den Elektroden 7 und 1 der Zündkerze 1OD erst später zünden würde. Das Entsprechende wäre auch bei einer Zündkerze mit mehreren schwimmenden Elektroden möglich, wenn man die schwimmenden Elektroden 7" und 7"' in Fig. 8 über RC-Glieder mit Bezugspotential verbinden würde oder wenn man die eine schwimmende Elektrode mit der an Hochspannung liegenden Zündelektrode und die andere schwimmende Elektrode mit Bezugspotential verbinden würde oder wenn man nur eine der schwimmenden Elektroden über eine Kombination von Impedanzen entweder mit der an Hochspannung liegenden Zündelektrode oder mit Bezugspotential verbinden würde. Für jede dieser Möglichkeiten wäre eine eigene Darstellung in Form eines Schaltbildes erforderlich. Das Grundkonzept, welches erfindungsgemäss gelehrt wird, besteht in einer Konstruktion, bei der Zwischenelektroden bzw. schwimmende Elektroden vorgesehen sind, die jedoch mit ihrer elektrischen Umgebung derart gekoppelt sind, dass sich ein Lichtbogen bildet, wobei die Form, die Orientierung und die Lage der schwimmenden Elektroden dazu benutzt werden, einen insgesamt möglichst langen Lichtbogen zu erzeugen, in dem die Stromrichtung dem Entladestrom in mindestens einem Teil der Zündkerzenkonstruktion entgegengesetzt ist, so dass sich eine elektromagnetische Abdrängkraft ergibt, die an mindestens einem Teil des Lichtbogens wirksam ist und diesen Teil von der Oberfläche des Isolators abdrängt, der die schwimmenden Elektroden im Abstand voneinander hält, wobei die Zündflächen der einzelnen Elektroden so geformt sind, dass die senkrecht zu ihren Oberflächen stehenden Feldlinien die Entstehung eines Lichtbogens längs eines oder mehrerer Pfade fördern, die nicht

- 36 -709837/0759

A 42 247 b

k - 163

28. Februar 1977 -^- 2709303

if?

in Kontakt mit der Oberfläche des Isolators stehen.

Die erfindungsgemässe Zündkerze ist besonders bei Brennkraftmaschinensystemen nützlich, die einen Rechner aufweisen, der für eine schnelle Regelung der Betriebsparameter der Brennkraftmaschine geeignet ist, beispielsweise für eine Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, des Zündzeitpunktes und dergleichen und der ferner geeignet ist, den Ablauf der Lichtbogenentladung der einzelnen Zündkerzen dadurch zu regeln, daß er das Ausgangssignal einer veränderlichen Spannungsdäer Stromquelle regelt, mit der die Zündkerze verbunden ist. Die einzelnen Zündvorgänge an jeder der Kerzen könnten nicht nur hinsichtlich ihrer zeitlichen Lage, sondern auch hinsichtlich ihres physikalischen Charakters geregelt werden, beispielsweise hinsichtlich des Umfangs der Koronaentladung, der Länge des Lichtbogens und der Dauer der Lichtbogenentladung (vgl. in diesem Zusammenhang US-PS 3,897,766). Ausserdem könnte die einer Zündkerze zugeführte Spannung nach Einleitung der Verbrennung so geregelt werden, dass die elektromagnetische Wechselwirkung zwischen der Zündkerzenkonstruktion und der Ionisation in dem brennenden Luft-Kraftstoff-Gemisch zur Regelung der Art des Verbrennungsprozesses und der Geschwindigkeit der Verbrennung geregelt wird.

Abschliessend sei noch darauf hingewiesen, dass der in Fig. unterhalb der zweiten Zündelektrode 2 vorhandene Hohlraum mit einem geeigneten Material gefüllt werden kann, damit sich dort keine unverbrannten Kraftstoffreste sammeln können.

- 37 -

709837/0759

k - 154 - yi -

28. Februar 1977

Außer der Zündkerze an sich betrifft die Erfindung auch eine Vorrichtung zur Regelung des Verbrennungsvorgangs in einer Brennkraftmaschine, welche mit einem Rechner ausgerüstet ist, mit dessen Hilfe verschiedene Betriebsparameter der Brennkraftmaschine mit hoher Geschwindigkeit kontrollierbar d.h. erfaßbar und regelbar sind und der ferner geeignet ist, die Art der Lichtbogenentladung an den einzelnen Zündkerzen der Brennkraftmaschine zu steuern bzw. zu regeln, wobei bei jeder Zündkerze Länge und Lage der Lichtbogenentladung elektronisch Steuer- bzw. regelbar ist und wobei ferner Einrichtungen vorgesehen sind, um den einzelnen Zündkerzen nach Beginn des Verbrennungsvorgangs eine Spannung zuzuführen, mit deren Hilfe der Ablauf des Verbrennungsvorgangs beeinflußbar ist.

Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Regelung der Ausbreitung der Flammenfront in einer Brennkammer einer Brennkraftmaschine, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß auf geladene Partikel, welche aufgrund des Verbrennungsvorganges vorhanden sind, eine elektrische Kraft ausgeübt wird, wobei diese elektrische Kraft speziell auf in dem Gemisch brennende Kraftstoff partikel ausgeübt wird, und zwar durch mindestens eine der Elektroden derjenigen Zündkerze durch die der Verbrennungsprozeß ausgelöst wird_/ und wobei die elektrische Kraft ferner auf geladene Partikel in einem Volumen ausgeübt wird, welches um nindestens eine Größenordnung größer als das entsprechende Volumen in einem üblichen Zündsystem ist.

Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Regelung der Flammenfront in einer Brennkammer einer Brennkraftmaschine, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß brennbare Partikel in der Brennkammer bzw. in einem Zylinder der Brennkraftmaschine ionisiert werden, so daß sich durch die ionisierten brennbaren Partikel hindurch ein Lichtbogen beträchtlicher Länge ergibt,

- 38 709837/0759

k - 154 - ?6 -

28. Februar 1977

welcher dieselben zündet, und daß die Partikel in einem großen Volumen im Zündbereich einem starken elektrischen Feld ausgesetzt werden, derart, daß sich eine ausreichend große auf geladene. Partikel im Zündbereich einwirkende Kraft ergibt, um die Ausbreitung der Flammenfrontzu beeinflussen, wobei das genannte Volumen zumindest um eine Größenordnung größer ist als das entsprechende Volumen in einem üblichen Zündsystem.

Schließlich betrifft die Erfindung aber auch eine Brennkraftmaschine mit einer Zündkerze gemäß der Erfindung, welche derart an bzw. in der Wandung einer Brennkammer der Brennkraftmaschine angeordnet ist, daß sich ein zur Zündkerzenachse koaxiales längliches Volumen ergibt, so daß der Beginn des Verbrennungsvorgangs in diesem länglichen Volumen bzw. Volumenbereich auftritt, wobei die Wände des Brennkraftmaschinengehäuses. welche das Volumen begrenzen, in der Anfangsphase des Brennvorganges eine Abkühlung bewirken, die zu einer Reduzierung des bei der Verbrennung gebildeten Anteils von Stickoxyden führt, und wobei die Lichtbogenlänge zwischen der ersten Zündelektrode und der zweiten Zündelektrode ausreichend groß ist,um den Verbrennungsvorgang trotz der Kühl- bzw. Löschwirkung der kühlenden Flächen aufrechtzuerhalten.

709837/0759

Claims

A 42 247 b

k - 163

28. Februar 1977

Patentansprüche :

'' 1. ) Zündkerze mit einer ersten Zündelektrode, die angrenzend an eine erste freiliegende Zündfläche von einem Isolator bedeckt ist, mit einer zweiten Zündelektrode mit einer zweiten freiliegenden Zündfläche und mit einem Spalt zwischen den Zündflächen, in dem bei Anlegen einer Spannung zwischen den Zündelektroden ein Lichtbogen erzeugbar ist, dessen Fusspunkte auf den Zündflächen liegen, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündflächen (1A₁, 2A₁) derart geformt, angeordnet und ausgerichtet sind, dass ein zwischen ihnen brennender Lichtbogen (30) durch das ihn umgebende elektrische Feld von der äusseren Oberfläche des Isolators

(3) abdrängbar ist.

Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen leitfähigen Grundkörper (4) aufweist, der mit der zweiten Zündelektrode (2) verbunden ist und dass die zweite Elektrode (2) als über den Grundkörper

(4) mit Bezugspotential verbindbare Masseelektrode ausgebildet ist.

Zündkerze nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine schwimmende Elektrode (7) mit mindestens einer zugehörigen Zündfläche (7A, 7B) vorgesehen ist, welche ein von der Isolation (3) umgebenes Teilstück (1B) der ersten Zündelektrode (1) umgibt und zwischen der ersten Zündfläche (1A₁) und der zweiten Zündfläche (2A₁) in dem Spalt (6) angeordnet ist und

709837/0759

ORIGINAL INSPECTED

A 42 247 b

diesen In zwei Teilspalte unterteilt, in denen Teil-Lichtbögen (3OA, 3OB) erzeugbar sind.

4. Zündkerze nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündflächen (IA₁, 2A₁, 7A, 7B) der Zündelektroden (1,2) und der schwimmenden Elektrode (7) derart geformt, angeordnet und ausgerichtet sind, dass sich zwischen dem Strom in mindestens einem der Teil-Lichtbögen (3OA, 30B) und dem Strom durch mindestens eine der Zündelektroden (1,2) eine solche elektromagnetische Wechselwirkung ergibt, dass der Teil-Lichtbogen (3OA, 30B) von der Isolation (3) abdrängbar ist.

5. Zündkerze nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Zündelektrode (1) als konzentrisch zum Grundkörper (4) angeordnete, in axialer Richtung der Zündkerze verlaufende Mittelelektrode ausgebildet ist.

6. Zündkerze nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Wechselwirkung zwischen dem Strom durch die Mittelelektrode und dem Strom in mindestens einem der Teil-Lichtbögen (3OA,30B) erzeugbar ist.

7. Zündkerze nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündflächen (1A₁, 2A₁) der Zündelektroden (1,2) konisch ausgebildet sind.

709837/0759

A 42 247 b

8. Zündkerze nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die konischen Zündflächen (1A.., 2A.) konzentrisch zur Achse der ersten Zündelektrode (1) angeordnet sind und dass die Spitzen der die konischen Zündflächen (1A₁, 2A₁) enthaltenden Kegelflächen einander längs der Längsachse der Zündkerze zugewandt sind, so dass der Lichtbogen (30) bzw. die Teil-Lichtbögen (3OA, 30B) von der Isolation (3) radial nach aussen abdrängbar sind.

9. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Zündelektrode verhältnismässig massiv ausgebildet und gut wärmeleitend mit den übrigen Teilen der Zündkerze verbunden ist, so dass sie, insbesondere im Bereich ihrer Zündfläche (1A..), für eine Wärmeableitung aus ihrer Umgebung geeignet ist.

10. Zündkerze nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der freiliegende Bereich (Kappe 1A) der ersten Zündelektrode (1) mit der Zündfläche (1A ) eine relativ hohe Wärmekapazität aufweist und mit weiteren Teilen der Zündkerze gut wärmeleitend verbunden ist.

11. Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündflächen (1A₁, 2A₁) derart angeordnet sind, dass ein durch Ansteuerung der Zündkerze ausgelöster Verbrennungsvorgang zunächst auf einen Bereich begrenzbar ist, welcher zumindest teilweise durch Kühlflächen begrenzt ist.

709837/0759

A 42 247 b

28. Februar 1977 - 4 -

12. Zündkerze nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine schwimmende Elektrode (7) kapazitiv mit der ersten Zündelektrode (1) gekoppelt ist.

13. Zündkerze nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine schwimmende Elektrode (7) kapazitiv mit dem Grundkörper (4) gekoppelt ist.

14. Zündkerze nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine schwimmende Elektrode kapazitiv mit der ersten Zündelektrode (1) gekoppelt ist und dass mindestens eine weitere schwimmende Elektrode kapazitiv mit dem Grundkörper gekoppelt ist.

15. Zündkerze nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die als Mittelelektrode ausgebildete erste Zündelektrode (1) an beiden Enden über den Grundkörper (4) vorsteht, an einem Ende mit einem elektrischen Anschluss (11) verbindbar ist, am anderen Ende eine freiliegende Zündfläche (1A..) aufweist und zwischen dem Anschluss (11) und der freiliegenden Zündfläche (1A₁) von einem festen Isolator (3,9) umgeben ist, dass die zweite Zündelektrode (2) mit dem Grundkörper (4) verbunden ist und bis zu einem Bereich (5) der ersten Zündelektrode (1) reicht, welcher von dem festen Isolator (3) umgeben ist, und dass in diesem Bereich

(5) der Abstand zwischen der zweiten Zündelektrode (2) und der ersten Zündelektrode (1) durch den Isolator (3) hindurch wesentlich geringer ist als der Spalt (6) zwischen der zweiten Zündelektrode (2) und der frei-

709837/0759

Ά 42 247 b

28. Februar 1977 - 5 -

liegenden Zündfläche (ΙΑ.) der ersten Zündelektrode (1).

16. Zündkerze nach Anspruch 3 und 15, dadurch gekennzeichnet, dass In dem Bereich (5) der Abstand zwischen der ersten Zündelektrode (1) und der zweiten Zündelektrode (2) durch den Isolator (3) hindurch wesentlich geringer ist als der Spalt zwischen der Zündfläche (2A₁) der zweiten Zündelektrode (2) und der Zündfläche (7A) der schwimmenden Elektrode (7).

17. Zündkerze nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (4) aus Metall besteht und mit Befestigungseinrichtungen, insbesondere einem Gewinde, zum Befestigen der Zündkerze in der Wandung einer Verbrennungskammer einer Brennkraftmaschine versehen 1st und dass der Grundkörper (4) mit den übrigen Elementen der Zündkerze gasdicht verbunden ist.

18. Zündkerze nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündfläche (2A₁) der zweiten Zündelektrode (2) so ausgebildet ist, dass eine Senkrechte auf dieser Zündfläche (2A..) eine Komponente in axialer Richtung der ersten Zündelektrode (1) aufweist.

19. Zündkerze nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass Einrichtungen (15,18; 31,32A) zum kapazitiven Ankoppeln der schwimmenden Elektrode (7, 7') vorgesehen sind, welche gleichzeitig der mechanischen Halterung der schwimmenden Elektrode (7,7*) dienen.

709837/0759

A 42 247 b

^k " ¹⁶³ 270930?

28. Februar 1977 -6- *'^υ"^υο

20. Zündkerze nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungs- und Halterungseinrichtungen (15,18, 31,32A) koaxial zu den beiden Zündelektroden (1,2) ausgebildet sind.

21. Zündkerze nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine schwimmende Elektrode (7) mit beiden Zündelektroden (1,2) kapazitiv gekoppelt 1st.

22. Zündkerze nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere schwimmende Elektroden (7", 7"') vorgesehen sind, die miteinander und mit beiden Zündelektroden (1,2) kapazitiv gekoppelt sind.

23. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Zündflächen (1A₁, 2A₁, 7A, 7B) aus einer hochtemperaturfesten Legierung besteht.

24. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teilstück des Isolators (3,9) zur Erhöhung der elektromagnetischen Abdrängkräfte zwischen mindestens einem Teilstück des Lichtbogens (30, 3OA, 30B) und mindestens einer der Zündelektroden (1,2) magnetisierbare Partikel enthält.

25. Zündkerze nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine schwimmende Elektrode (7,7·) derart ausgebildet und angeordnet ist, dass sich Teil-Lichtbögen (3OA, 30B) ergeben, welche ihre Fusspunkte

709837/0759

A 42 247 b

28. Februar 1977 - 7 -

an deutlich verschiedenen Punkten der schwimmenden Elektrode (7, 7') aufweisen.

26. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der ZUndflachen (1A₁, 2A., 7A, 7B) so ausgebildet ist, dass zumindest einer ihrer Bereiche (23) zu einer die Entstehung eines Lichtbogens fördernden Feldverstärkung führt.

27. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolator (3,9) und/oder eine der Zündflächen (1A₁, 2A₁, 7A, 7B) ein Material mit niedriger Austrittsarbeit aufweist.

28. Zündkerze nach einem der Ansprüche 3 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine schwimmende Elektrode (7*) im Abstand von dem Isolator (3) angeordnet ist.

29. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Elektroden (1,2,7) mit mindestens einer anderen Elektrode (1,2,7) über ein RC-Glied gekoppelt ist.

30. Verwendung einer Zündkerze nach einem der Ansprüche

1 - 29 in der Zündanlage einer Brennkraftmaschine mit einem Rechner, mit dessen Hilfe eine schnelle Kontrolle von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine sowie eine Kontrolle der Art der Lichtbogenentladung an den einzelnen Zündkerzen der Brennkraftmaschine herbeiführbar ist, wobei LSnge und Lage des Lichtbogens jeder angesteuerten Zündkerze elektronisch steuerbar ist und wobei Ein-

709837/0759

k - 154 - 8 -

28. Februar 1977

richtungen vorgesehen sind, um den einzelnen Zündkerzen nach Beginn des Verbrennungsvorgangs eine Spannung zur Beeinflussung des Ablaufs des Verbrennungsvorganges zuzuführen.

709837/0759