DE2810159C3

DE2810159C3 - Einrichtung zur Zündung brennfähiger Gemische

Info

Publication number: DE2810159C3
Application number: DE19782810159
Authority: DE
Inventors: Gottfried Dipl.-Ing. Bauer; Rudolf Dr.-Ing. Maly; Eberhard Dipl.-Ing. 7000 Stuttgart Wagner
Original assignee: Individual
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1978-03-09
Filing date: 1978-03-09
Publication date: 1984-11-08
Also published as: DE2810159B2; DE2810159A1

Description

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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Zündung brennfähiger Gemische, insbesondere eine Zündkerze zur Erzeugung der Zündfunken in Otto-Motoren, bei der ein Kondensator auf eine Hochspannung aufladbar und in der Anfangsphase des Zündfunkens über eine Vorfunkenstrecke und Zündelektroden entladbar ist.

Es sind Zündeinrichtungen bekannt (DE-OS 56 177), die mit Vorfunkenstrecken versehen sind. Bei diesen bekannten Einrichtungen wird aber eine sogenannte Plasmaflamme angestrebt, d. h. ein Plasmabogen, der einer Bogenentladung gleichkommt, bei der der größte Teil der Energie in der Bogenphase zugeführt wird. Die Standzeit von Zündkerzen solcher Einrichtungen ist gering, weil in der Bogenphase ein starker Elektrodenabbrand auftritt. Es verdampft Material von den Elektroden, so daß von der zugeführten Energie nur etwa 50% in das Plasma überführt werden.

Es sind auch Zündeinrichtungen bekannt (DE-OS 56 481), bei denen die Hauptfunkenstrecke geschaltet wird.

Solche Zündeinrichtungen weisen aber den Nachteil auf, daß eine Abhängigkeit von den Motorbedingungen vorliegt Auch bei diesen bekannten Einrichtungen und auch bei anderen Zündeinrichtungen (DE-OS 24 56 217) ist an die Erzeugung einer Plasmaflamme (Bogenentladung) gedacht Auch diese Einrichtungen weisen daher den Nachteil eines verhältnismäßig starken Elektrodenabbrandes auf.

Es sind auch Zündeinrichtungen der eingangs genannten Art bekannt (DE-OS 23 63 804), bei denen Elemente, welche die Funktionen eines Kondensators und die einer Zündkerze erfüllen, zu einer baulichen Einheit zusammengefaßt sind. Dabei wird die Mittelelektrode und der die Masseelektrode enthaltende Teil zur Bildung des Kondensators ausgenutzt Die Mittelelektrode geht in eine Funkenstrecke über, die zur Regulierung der Euergieabgabe den Zündelektroden im eigentlichen Motorraum vorgeschaltet ist Die Entladung des aus den Elektroden und dem Dielektrikum gebildeten Kondensators erfolgt daher in Abhängigkeit von der Spannungsfestigkeit der vorgeschalteten Funkenstrecke, deren Zündspannung nicht den Schwankungen unterworfen ist, wie das bei den Zündelektroden im Motorraum der Fall ist

Mit diesen bekannten Zündkerzen soll ein erhöhter Energieumsatz in der Anfangsphase des Zündfunkens bewirkt werden. Solche Zündkerzen und Zündanlagen weisen daher zwar gewisse Vorteile gegenüber herkömmlichen Zündanlagen auf, bei denen zur Dimensionierung die Glimmentladung an den Zündelektroden zugrunde gelegt wird. Die bekannten Zündeinrichtungen weisen aber den Nachteil auf, daß es nicht möglich ist, möglichst die gesamte Zündenergie schlagartig abzugeben. Das ist einmal dadurch bedingt, daß die Spannungsfestigkeit der vorgeschalteten Funkenstrecke ausschließlich zur Regulierung der Energieabgabe ausgelegt ist und lediglich dazu dient, gleiche Voraussetzungen für die Energieabgabe zu schaffen, die nicht vorliegen, wenn die Entladung ausschließlich über die Zündelektroden im Motorraum erfolgt. Nachteilig ist auch, daß die von der Vorfunkenstrecke bis zu den Zündelektroden verlaufende Zuleitung und die Vorfunkenstrecke selbst auch noch einen verhältnismäßig großen ohmschen und induktiven Widerstand aufweisen, die eine Energieabgabe verzögern, so daß gewisse Nachteile eingehandelt werden, die bisher aber nicht erkannt worden sind.

Durch intensive Untersuchungen hat sich nämlich ergeben, daß während der Ausbildung eines Zündfunkens drei Phasen unterschieden werden können, die mit den Bezeichnungen Durchbruchsphase, Bogenphase und Glimmphase versehen werden können. Die Ausbildung der jeweiligen Phasen hängt von der Beschattung der Zündkerzen, aber auch von der Geometrie der Elektroden und der verwendeten Gas- und Materialeigenschaften ab. Zur Erläuterung dürfen die folgenden Ausführungen dienen:

Erreicht die an die Funkenstrecke, d. h. also an die Zündelektroden angelegte Spannung die Durchbruchsspannung, so bildet sich, beginnend mit Lawinenverstärkungsprozessen, ein leitfähiger Plasmakanal zwischen den Elektroden. Dadurch können sehr hohe Ströme über die Funkenstrecke fließen, während gleichzeitig die angelegte Spannung wegen induktiver und ohmscher Reihenwiderstände und endlichem kapazitivem Speicher zusammenbricht. Dieser Vorgang dauert bei üblichen Zündkerzen 1 bis 4 ns. Während dieser kurzen Zeit kann elektrische Energie nur der Kerzenkapazität

entnommen werden; Strom- und Spannungsverlauf werden aus diesem Grund durch die Impedanzen der Kerze bis in den GHz-Bereich bestimmt An diese Durchbruchsphase schließt sich bei Verwendung niederohmiger Beschallung eine instationäre Bogenentladung, bei Verwendung sehr hochohmiger Beschallung unmittelbar die instationäre Glimmentladung an. Sprunghafte Übergänge zwischen Bogen- und Glimmentladung und umgekehrt sind möglich.

Die Bogenentladung setzt das Vorhandensein eines vorher erzeugten Plasmas voraus. Es können sehr hohe Ströme fließen, die jedoch durch die Entstörungsmaßnahmen auf Werte bis ca. 1OA begrenzt werden. Die Brennspannung liegt unter 100 V und ist weitgehend konstant Diese Phase dauert so lange an, wie die Stromwerte über ca. 200 mA liegen. Zwischen 200 mA und 100 mA stellt sich ein Übergangsgebiet mit sprunghaftem Wechsel zwischen Bogen und Glimmen ein. Unter 100 mA geht die Entladung in eine Glimmentladung über. Die Energie für die Bogenentladung wird aus der Zuleitungs- und der Anlagenkapazität entnommen. Im allgemeinen ist die Bogenentladung instationär, da die Einstellzeiten für Diffusion und Wärmeleitung größer sind als die Dauer der Bogenphase selbst (einige \xs).

Die Glimmentladung erfordert ebenfalls ein Plasma, das durch einen vorausgegangenen Prozeß erzeugt worden ist. Bei technischen Zündanlagen liegen die Stromwerte unter 100 mA, sie werden in der Regel durch den hohen Innenwiderstand der Zündanlage (100 bis 500 k£l) begrenzt. Die Brennspannung liegt bei 400 bis 500 V, die Energie wird der Spule entnommen. Auch hier liegt eine instationäre Entladung vor.

Der Erfindung liegt ausgehend von der Erkenntnis, daß dann und nur dann entscheidende Verbesserungen der Zündfähigkeit von Funken erreicht werden können, wenn möglichst die gesamte Zündfunkenenergie in der Durchbruchsphase zugeführt wird, die nur während eines Bruchteiles der Dauer der Anfangsphase, auch Funkenkopf genannt, auftritt, die Aufgabe zugrunde, diese Energieabgabe in der Durchbruchsphase der Anfangsphase zu erreichen. Die Erfindung besteht darin, daß die Durchbruchsspannung der Vorfunkenstrecke höher ist als die Durchbruchsspannung an den Zündelektroden, daß der Durchbruch an der Vorfunkenstrecke von außen steuerbar ist und daß der Gesamtaufbau der Zündkerze nach Höchstfrequenzgesichtspunkten erfolgt, wobei die Zuleitungen zwischen dem Kondensator und den Zündelektroden sowie die Vorfunkenstrecke möglichst geringen ohmschen und induktiven Widerstand bei Frequenzen größer 50 MHz aufweisen, so daß die Energieabgabe möglichst ausschließlich in der Durchbruchsphase der Anfangsphase erfolgt.

Durch diese Maßnahmen wird es möglich, die gesamte Energieabgabe innerhalb der kurzen Zeit der Durchbruchsphase zu bewirken, und ausschließlich dadurch wird eine wesentlich bessere Wirkung erreicht. Auch hinsichtlich des Ausbrandes von zündfähigen Gemischen können entscheidende Vorteile erreicht werden, die es ermöglichen, ohne Zuhilfenahme anderer aufwendiger Maßnahmen die Abgaswerte in einen günstigeren Bereich zu verschieben. Es hat sich auch gezeigt, daß weitgehend ^ündunwillige Gemische durch die neue Einrichtung einwandfrei gezündet werden können. Es darf fin dieser Stelle darauf hingewiesen werden, daß in der Durchbruchsphase der Energietransnort aus dem Kern des aktivierten Volumens durch Wärmeleitung über die Elektroden noch nicht eintritt, weil das aktivierte Volumen bereits in so kurzen Zeiten (10 bis 50 us) erreicht wird, daß Wärmeleitungsverluste an der Oberfläche gering sind. Das von der Durchbruchsphase aktivierte und später durch sie entflammte Volumen ist zu jeder Zeit größer als die von Bogen- und Glimmentladung erzeugten Volumina. Die Durchbruchsphase hat somit gegenüber der Bogen- und Glimmphase, die auch noch später erläutert werden, den schnellsten Reaktionsablauf zur Folge. Auch hinsichtlich der Wahrscheinlichkeit für eine Entflammung ist die Energiezufuhr in der Durchbruchsphase besonders günstig. Die vorteilhafte Wirkung der erfindungsgemäßen Einrichtung ist daher darauf zurückzuführen, daß eine optimale Zufuhr der Zündenergie gewährleistet ist Selbst wenn in der Bogenphase etwa die doppelte elektrische Energie zugeführt werden würde, kann die Entflammungssicherheit der Durchbruchsphase nicht erreicht werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet wobei die Merkmale des Anspruches 2 den Vorteil aufweisen, daß es möglich ist, den Zeitpunkt der Entladung von außen zu bestimmen. Bei solchen Einrichtungen ist es in sehr einfacher Weise möglich, zur Erzeugung der Hochspannung ein Gleichspannung abgebendes Hochspannungsgerät vorzusehen, das über einen Ladestrombegrenzer an der Zündkerze anliegt, so daß dann, wenn im Gegensatz zu üblichen Zündanlagen der Zündverteiler nicht auf eine der Elektroden sondern auf triggerbare Schaltfunkenstrecke wirkt, der Zeitpunkt und die Funkenenergie wahlweise bestimmbar ist. Es ist daher erfindungsgemäß sogar möglich, die Funkenenergie abhängig von Startbedingungen des Motors od. dgl. verändern zu können.

Die Merkmale des Anspruches 6 schließlich bringen den Vorteil mit sich, daß in der Aufladephase das Potential der Innenelektrode nicht merklich von dem der Masse abweicht. Dadurch werden unerwünschte Verzögerungen bei der Energieabgabe vermieden.

Die Merkmale des Anspruches 3 bringen den Vorteil mit sich, daß nur die hohen Frequenzen übertragen werden und daß die Energiezufuhr rechtzeitig abgeschnitten werden kann. Das hat vorteilhafte Auswirkungen auf die Lebensdauer der Elektroden, was noch erläutert werden wird.

In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der neuen Zündeinrichtung und einer neuen Zündkerze dargestellt und es ist anhand von Diagrammen herausgestellt, wie die einzelnen Fhasen der Zündfunkenbildung verlaufen und welche Folgen sich aus der erfindungsgemäßen Energiezufuhr in der Durchbruchsphase ergeben.

Dabei zeigt

F i g. 1 ein Schaubild der Charakteristiken der einzelnen Phasen eines Zündfunkens herkömmlicher Art bzw. eines erfindungsgemäßen Zündfunkens,

F i g. 2 den zeitlichen Verlauf der Stromimpulse bei einer erfindungsgemäß ausgestatteten und einer herkömmlichen Zündeinrichtung,

F i g. 3 die radialen Profile der erzielbaren Temperaturwerte für die drei Funkenphasen bei gleicher elektrischer Energie,

F i g. 4 ein schematisches Blockschaltbild einer neuen Zündeinrichtung, bei der die Vorfunkenstrecke durch einen Triggerimpuls aktiviert wird,

Fig. 5 die Möglichkeit der Ausgestaltung einer Zündkerze, mit der das neue Verfahren verwirklicht

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werden kann,

Fig.6 die Ausbildung einer Zündkerze mit einer kapazitiv aktivierbaren Vorfunkenstrecke,

F i g. 7 die Ausführungsform einer anderen Zündkerze, bei der die Mittelelektrode der beiden Zündelektroden kapazitiv an die Vorfunkenstrecke gekoppelt ist und

F i g. 8 die Ausführungsform einer Zündkerze in Scheibenkondensatorausführung.

Eine genaue Analyse von elektrischen Zündfunken ergibt, daß die Strom- und Spannungsverläufe technischer Anlagen durch die in den F i g. 1 und 2 dargestellten prinzipiellen Charakteristiken beschrieben werden können. Neben den Gaseigenschaften und dem Material und der Geometrie der Elektroden wirkt sich vor allem die äußere Beschallung der Funkenstrekke (Zündkerze) auf die Ausbildung der jeweiligen Phase aus. Es bedeuten in F i g. 1 und 2:

CB = Betriebskapazität,

RSt = Entstörwiderstand,

Ri = Innenwiderstand der Zündanlage.

In eckigen Klammern sind die Größen angegeben, die die Verläufe bestimmen, in runden Klammern die Werte, die für die jeweilige Phase typisch sind.

Die Durchbruchsphase, die dem Bereich zwischen ioi und to2 in den Fig. 1 und 2 entspricht, ist ein instationärer Vorgang, der dann als abgeschlossen angesehen wird, wenn die Spannung an der Funkenstrecke auf « '/ίο der Zündspannung angesunken ist (t_D « 1-2 ns). Während dieser Phase wird ein hochleitender Plasmakanal mit ca. 30 μπι⁰ gebildet. Alle Moleküle innerhalb des Kanals werden dissoziiert und ionisiert Das Plasma heizt sich sehr rasch auf Temperaturen über 60 000 K auf; als Folge davon stellt sich ein Überdruck bis zu 300 bar ein. Der Kanal explodiert mit mehrfacher Überschallgeschwindigkeit und kühlt sich dabei ab. Die anfänglich vorwiegend in potentieller Form (Dissoziation, Ionisation) eingebrachte Energie wird allmählich in thermische Energie überführt Bei technischen Zündanlagen fällt der Zeitbereich der Molekülbildung mit dem Beginn der Entflammung zusammen (ca. 10 — 20 \is).

Die Bogenphase, in F i g. 1 der Bereich zwischen te ι und tB2, ist durch eine heiße Kathode und eine sehr niedrige Brennspannung (< 100 V) bei Strömen > 200 mA gekennzeichnet Der Ionisierungsgrad ist gering (< 1%), und es findet eine rein thermische Dissoziation von Gasmolekülen statt (Gleichgewicht der erzeugten Radikalkonzentrationen mit der Temperatur). Die erreichbaren Achsentemperaturen sind durch Wärmeleitung, Teilchendiffusion und Abstrahlung auf Werte von 4000 bis 10 000 K begrenzt Diese Prozesse bewirken auch die Ausdehnung des aktivierten Volumens, die entsprechend langsam verläuft Die Druckerhöhung im stromdurchflossenen Bereich ist sehr gering. Durch die Bogenentladung wird das Plateau des axialen Temperaturverlaufs etwa ab dem Beginn der Molekülbiidung (T < 5000 K) bis zum Ende des Stromflusses verlängert Die Achsentemperatur nähert sich dabei allmählich der Temperatur des stationären Bogens. Die heiße Kathode der Bogenphase verursacht eine hohe Emission von Elektrodenmaterial. Üblicherweise wird der Bereich der Durchbruchsphase und der Bogenphase (zwischen to\ und tc\) als Anfangsphase des Zündfunkens oder Funkenkopf bezeichnet

Die Glimmentladung, in F i g. 1 und 2 der Bereich zwischen tc\ und te2, ist durch eine kalte Kathode, einen hohen Kathodenfall (> 300 V) und niedrige Ströme (< 100 mA) gekennzeichnet. Der Ionisierungsgrad ist kleiner als bei der Bogenentladung (< IO-³). Die Werte für die Achsentemperatur liegen entsprechend niedrig bei T = 3000 K. Wärmeleitung und Diffusion bestimmen auch hier die Größe des aktivierten Volumens. Im Anschluß an eine Durchbruchs- oder Bogenphase (Funkenkopf) bewirkt die Glimmentladung, die auch als Funkenschwanz bezeichnet wird, einen verzögerten Abfall der Achsentemperatur vom Temperaturbereich der Molekülbildung bis zum Stromende. Durch Ge- ;■■ mischströmungen und Turbulenzen, sowie durch ungünstige Elektrodenwerkstoffe (Oxide) kann die Glimmentladung leicht gelöscht werden. Bei technischen Zündanlagen ergeben sich dann im allgemeinen neue ^T Zündimpulse, die wieder mit einer Durchbruchsphase , beginnen.

Da die chemischen Reaktionen an der Oberfläche des aktivierten Volumens einsetzen, ist eine möglichst große Oberfläche bei hoher Temperatur und hoher Anfangsdichte der Radikale für eine sichere Entflammung anzustreben.

In F i g. 3 sind die erzielbaren Temperaturwerte anhand radialer Profile für die drei Phasen wiedergegeben, die bei einer Funkenentladung in Luft bei 1 bar, Gesamtenergie jeweils 30 mj, ermittelt werden.
Ausgezogen:

Elektrodendurchmesser = 0,2 mm⁰,
gestrichelt:

Elektrodendurchmesser = 2,5 mm⁰.

Ta Tb, Tc kennzeichnen die Profile der Durchbruchs-, Bogen- bzw. Glimmphase, ro, r& rc die entsprechenden Radien für Oberflächen gleicher Temperatur (etwa Flammentemperatur).

Man erkennt daß sich bei der Durchbruchsphase (Kurve Td) infolge der Ausdehnung durch den Überdruck nahezu ein Rechteckprofil ergibt Der große Gradient der Front begünstigt über Diffusion und Wärmeleitung die Entflammung des umgebenden Gemisches. Bogen- und Glimmentladung (Kurven Tb und 7b) benötigen aufgrund ihrer geringen Leistung wesentlich längere Zeiträume, bis sich ein größeres aktiviertes Volumen einstellt Da die Ausdehnung durch Diffusion und Wärmeleitung bestimmt ist stellen sich mit zunehmendem Volumen immer kleinere Gradienten mit entsprechend ungünstigen Energieübertragungseigenschaften ein. Legt man eine Entflammungstemperatur von 2000-2500 K zugrunde, so ergibt sich für die Reihenfolge der erzielbaren aktiven Oberflächen anhand der entsprechenden Radien ro > γβ > r& Bei Verwendung üblicher Elektrodenabmessungen wird der Energietransport aus dem Kern des aktivierten Volumens durch Wärmeleitung über die Elektroden bereits merklich. Die Durchbruchsphase wird davon am wenigsten betroffen (vgL Fig.3), weil das aktivierte < Volumen bereits in so kurzen Zeiten (10-50 us) erreicht wird, daß Wärmeleitungsverluste an der Oberfläche gering sind. Ein Vergleich der axialen Temperaturverteilung zeigt daß die Glimmentladung « im Gegensatz zur Durchbruchs- und Bogenphase auch ein ausgeprägtes axiales Profil aufweist Die Größe der erzielbaren Oberfläche wird dadurch zusätzlich eingeschränkt

Die Unterschiede in Temperatur und Größe der * aktivierten Volumen ergeben sich aus den unterschiedli- '_1f chen Energieanteilen, die die einzelnen Phasen dem h Gasraum übertragen können. In der Durchbruchsphase -

sind die Anteile, die auf die Elektrodenprozesse entfallen, vergleichsweise gering.

Bei der sehr niedrigen Brennspannung der Bogenphase machen der Kathodenfall (ca. 20 V) und der Anodenfall (ca. 10 V) bereits erhebliche Anteile der Gesamtspannung (ca. 40 V) aus. Ein Großteil der zugeführten Energie wird an den gut wärmeleitenden Elektroden umgesetzt und geht dem Gasraum verloren. Insgesamt können damit dem zu aktivierenden Volumen nur ca. 50% der elektrischen Energie zugeführt werden. Davon wird außerdem die Hälfte noch in unmittelbarer Nähe der Kathode umgesetzt. Der Energieumsatz auf der heißen Bogenkathode verursacht ferner eine starke Erosion des Elektrodenmaterials. So verkürzen sich übliche Cr-Ni-Elektroden (D = 3 mm⁰) durch 10⁶IS Bogenentladungen von 1 ms Dauer und 2 A Bogenstrom bereits um 3,4 mm.

Der weit höhere Kathodenfall der Glimmentladung von ca. 300 V bei einer Gesamtspannung von 400 V führt zu noch ungünstigeren Verhältnissen. Der hohe Energieumsatz ergibt unmittelbar vor der Kathodenoberfläche nur eine geringe Gasaufheizung. Der Großteil dieser Energie wird durch Wärmeleitung über die Elektrode nach außen abgeführt. Ähnliches gilt für den Anodenfall, so daß nur ca. 30% der elektrischen Energie dem Gasraum zugeführt werden. Da diese Energie zudem vergleichsweise langsam zugeführt wird (geringe Leistungen, f = einige ms) ergibt sich eine wesentliche Gasaufheizung nur im Zentrum des ElektrodenbereichE.

Betrachtet man die dadurch entstehenden Auswirkungen auf die aktivierten Volumina, so zeigt sich, daß das von der Durchbruchsphase aktivierte und später durch sie entflammte Volumen zu jeder Zeit am größten ist.

Die Bogenphase hat nach Abschluß der Energiezufuhr im Vergleich zur Durchbruchsphase nur etwa die Hälfte des Voiumens aktiviert, während vergleichbare durch die Glimmentladung aktivierte Volumen wegen der Energiezufuhr über längere Zeit erst viel später erreicht werden. Die Durchbruchsphase hat somit gegenüber der Bogen- und Glimmphase auch den schnellsten Reaktionsablauf zur Folge. Die gemäß der Erfindung vorgeschlagene Energiezufuhr in dieser Durchbruchsphase (dick ausgezogen in F i g. 1 und 2) erweist sich als besonders günstig.

Um die Energie möglichst ausschließlich in dieser Durchbruchsphase (siehe F i g. 1 und 2) abzugeben, sind Zündeinrichtungen zweckmäßig und vorteilhaft, wie sie im Schaltbild der F i g. 4 und in den Ausführungsbeispielen von Zündkerzen der F i g. 5 bis 8 gezeigt sind.

In der Fig.4 ist ein von einer Batterie 1 aus gespeistes Gleichspannung abgebendes Hochspannungsgerät 2 über eine Ladestrombegrenzung 3 mit der Hauptelektrode 4 einer Zündkerze 5 verbunden, die schematisch angedeutet ist und die gemäß den F i g. 2 bis 4 aufgebaut sein kann. Die Hauptelektrode 4 ist durch eine Vorfunkenstrecke 6 unterbrochen und bei 4a weitergeführt, wo sie mit einer ebenfalls nur schematisch dargestellten und an Masse anliegenden Außenelektrode 7 zusammenwirkt Die eigentliche Zündfunkenstrecke 8 wird dabei in den Motorraum gelegt, wenn Zündfunken für Otto-Motoren erzeugt werden sollen. Die Hauptelektrode 4 bildet gleichzeitig einen Kondensator 9, der die vom Hochspannungsgerät 2 zugeführte Energie speichert

Im Gegensatz zu bekannten Zündanlagen ist die HauDtelektrode 4 nun nicht an den Zündverteiler 10 angelegt. Die Auslösung eines Zündfunkens erfolgt vielmehr über eine triggerbare Steuerelektrode 11, die von der Zündspule 12 her und abhängig von dem Unterbrecher 13 einen Impuls erhält, wenn der Verteiler 10, der hier für vier Zündkerzen ausgelegt ist, die im einzelnen nicht mehr dargestellt sind, in der richtigen Lage steht. Dadurch kann die Vorfunkenstrecke 6 durchschlagen, und es wird die im Kondensator 9 gespeicherte Energie, die beim gezeigten Ausführungsbeispiel sogar auf einen bestimmten Wert begrenzt werden kann, abgegeben werden. Um zu erreichen, daß möglichst die gesamte Zündfunkenenergie in. der Durchbruchsphase abgegeben wird (siehe Kurven E in F i g. 1 und 2), ist, wie aus F i g. 5 hervorgeht, die Vorfunkenstrecke 6 möglichst nahe an die zwischen den beiden Zündelektroden 14 und 15 liegende Zündfunkenstrecke 8 herangelegt mit möglichst geringem ohmschen und induktiven Widerstand.

Auch der als Zuleitung von der Vorfunkenstrecke 6 zur eigentlichen Zündfunkenstrecke 8 dienende Elektrodenteil 4a wird in seiner Länge und in seinem Material so gewählt, daß er ebenfalls möglichst geringe Induktivität und geringen ohmschen Widerstand, mindestens bei Frequenzen oberhalb von 50 MHz, aufweist. Das Dielektrikum 16 zwischen der Zuleitung 4a und der mit der Masseelektrode 15 verbundenen Zündkerzenumhüllung 17 ist so gewählt, daß eine gewisse Leitfähigkeit besteht, die ausreicht, um in der Aufladephase des Kondensators 9, der hier zwischen der Hauptelektrode 4 und dem dieses rohrförmig umschließenden Zündkerzenhülle 18 gebildet wird, eine kapazitive Aufladung der Zuleitung 4a zu verhindern. Das Potential der Zuleitung 4a weicht dann nicht oder nicht merklich von dem der Masse ab.

Der Gesamtaufbau der Zündkerzen nach Fig.5, ebenso wie jener der Ausführungsformen der F i g. 6 bis 8, wird nach Höchstfrequenzgesichtspunkten vorgenommen. Das bedeutet, daß der Wellenwiderstand in allen Teilstücken der Kerze möglichst klein ist (sehr viel kleiner als 50 Ohm). Der Außendurchmesser der Hauptelektrode 4 wird möglichst groß gewählt und nur wenig kleiner als der Innendurchmesser der Zündkerzenhülle 18. Es müssen außerdem alle Sprüngi im Wellenwiderstand vermieden werden. Scharfe Ecken, Kanten, Umwege od. dgl. dürfen daher nicht vorgesehen sein.

Als Material für das Dielektrikum 16 wird ein solches mit einer möglichst hohen Dielektrizitätskonstante bei möglichst niedrigen Verlusten im Frequenzbereich größer als 50 MHz vorgesehen. Dafür eignet sich beispielsweise Aluminiumoxydkeramik, wie sie unter der Bezeichnung E 37 von der Firma Feldmühle AG hergestellt wird. Für den leitfähigen Teil der Keramik werden Beimengungen von Metalloxyden vorgesehen, damit der Halbleitercharakter, der vorher erwähnt wurde, erreicht wird.

Als Material für Elektroden und Kerzenhüllen werden nicht magnetische metallische Stoffe mit möglichst guter elektrischer Leitfähigkeit vorgesehen. Diese Materialien können gegebenenfalls oberflächenbehandelt sein. So kann beispielsweise ein V2A-Stahl mit einer Silber- oder Goldbeschichtung vorgesehen werden. Die Kapazitätswerte für den Kondensator 9 (Fig.4) werden größer als 10pF (bis ca. 20OpF) gewählt Der Kondensator 29 wird kleiner oder gleich dem Kapazitätswert des Kondensators 9 ausgebildet Die Anpassung wird dabei so gewählt, daß der stark ausgezogene Stromverlauf in der F i g. 2 gewährleistet

Der Kerzenaufbau selbst erfolgt streng koaxial bezüglich des Rohrkondensators, der zwischen den Teilen 4 und 18 gebildet wird. Die Hauptelektrode 4 stellt gleichzeitig die Zuleitung, die Elektrode, den Kondensator und die Vorfunkenstreckenelektrode dar. Der Durchmesser der Hauptelektrode 4 wird groß gewählt, damit niedrige induktivität und ohmscher Widerstand erreicht werden. Diese Hauptelektrode kann eventuell, wie angedeutet, versilbert werden, was zu einer weiteren Erniedrigung des ohmschen Widerstandes führt (Skineffekt). Verwendet werden können alle metallischen Werkstoffe aus nicht magnetischen Materialien, die auch als Verbundwerkstoffe ausgebildet werden können. Die Zuleitung mit 4a wird möglichst kurz gestaltet, ebenfalls die Zündfunkenstrecke 8, wobei der Durchmesser möglichst groß, aber im Bereich der Elektrode 8 kleiner als 3 mm Durchmesser gewählt wird, da sonst eine zu starke Abkühlung des erzeugten Plasmas zu befürchten ist. Der Kondensator 9 selbst wird so dimensioniert, daß dessen gesamte Energie während der Durchbruchsphase (siehe F i g. 2, stark ausgezogene Kurve) entladen wird. Ziel ist es dabei, eine möglichst hohe Zündspannung bei kleinem Kondensator zu erreichen, dennoch wenigstens aber 5 bis 30 mj Energieinhalt pro Funke zu erhalten. Diese Energie darf durch die extern angebrachten Entstörmaßnahmen nicht geschmälert werden.

In der F i g. 6 ist eine abgewandelte Zündkerzenform gezeigt, deren Aufbau nach den vorher erwähnten Gesichtspunkten erfolgt. Bei dieser Zündkerze ist eine kapazitiv (11, 4', 4a') triggerbare Vorfunkenstrecke 20

ίο vorgesehen, wobei die Steuerelektrode 11 rohrförmig ausgebildet ist.

Bei der Ausführungsform der F i g. 7 ist die Hauptelektrode 4 kapazitiv an die Vorfunkenstrecke 6 gekoppelt, während F i g. 8 eine Ausführungsform zeigt, bei der eine Zündkerze in Scheibenkondensatorausführung vorgesehen ist. Der Kondensatoranschiuß liegt dabei bei 21. Die Triggerelektrode 11 der bisherigen Figur ist hier als Elektrode 22 in der Zündkerzenmitte vorgesehen. Alle Zündkerzenausführungen erlauben im Zusammenhang mit der Schaltung nach F i g. 4 und bei geeigneter Dimensionierung die Abgabe der Zündenergie in der Durchbruchsphase, wie das in den F i g. 1 und 2 dargestellt ist.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprache:

1. Einrichtung zur Zündung brennfähiger Gemische, insbesondere Zündkerze zur Erzeugung der Zündfunken in Otto-Motoren, bei der ein Kondensator auf eine Hochspannung aufladbar und in der Anfangsphase des Zündfunkens über eine Vorfunkenstrecke und Zündelektroden entladbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbruchsspannung der Vorfunkenstrecke (S) höher ist als die Durchbruchsspannung an den Zündelektroden (4, 7, 14, 15), daß der Durchbruch an der Vorfunkenstrecke von außen steuerbar ist und daß der Gesamtaufbau der Zündkerze nach Höchstfrequenzgesichtspunkten erfolgt, wobei die Zuleitungen (4a) zwischen dem Kondensator (9) und den Zündelektroden (4) sowie die Vorfunkenstrecke möglichst geringen ohmschen ■ und induktiven Widerstand bei Frequenzen größer 50 MHz aufweisen, so daß die Energieabgabe möglichst ausschließlich in der Durchbruchsphase der Anfangsphase erfolgt

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorfunkenstrecke (6) eine durch einen Triggerimpuls schaltbare Schaltfunkenstrecke ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einkuppelung des Triggerimpulses auf die Schaltfunkenstrecke (20) eine Kapazität (11, 4', 4a','vorgesehen ist.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator als koaxialer Zylinderkondensator ausgebildet ist, der in der Zündkerze angeordnet ist.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator als niederinduktiver Scheibenkondensator ausgebildet ist (F ig. 8).

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Zündelektroden (14,15_t 17) in Teilbereichen des Isolators (16) eine Leitfähigkeit vorhanden ist.