DE3441997A1

DE3441997A1 - Zuendkerze fuer eine brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE3441997A1
Application number: DE19843441997
Authority: DE
Inventors: Richard W. Ann Arbor Mich. Anderson; Joseph R. Bloomfield Hills Mich. Asik; Richard C. Birmingham Mich. Ronzi; Aladar O. Dearborn Heights Mich. Simko
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1983-11-18
Filing date: 1984-11-16
Publication date: 1985-05-30
Also published as: JPS60121692A; GB2149852B; BR8405685A; GB8429085D0; GB2149852A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Zündkerze für eine Brennkraftmaschine der durch den Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Gattung.

Bei einer aus der US-PS 3 202 859 bekannten Zündkerze dieser Art ist die Masseelektrode als eine auf den Isolierkörper aufgeschobene Hülse ausgebildet, um mit dieser Berührung an ihrem äußeren axialen Ende einen direkten Anschluß an die Funkenbahn zu erhalten. Bei einer aus der US-PS 4 087 719 bekannten gattungsähnlichen Zündkerze ist mit einer Befestigung der Masseelektrode an dem Gehäuse der Zündkerze die Funkenbahn an der Oberfläche der Mittelelektrode ausgebildet, die dafür den sie umgebenden Isolierkörper mit einer entsprechend größeren Axiallänge überragt .

Aus der US-PS 3 683 232 ist daneben noch der Vorschlag bekannt, daß der Funkenüberschlag an dem Zündspalt zwischen der Mittelelektrode und der Masseelektrode bei solchen Zündkerzen dadurch intensiviert werden kann, daß mit einer Anordnung in einer besonderen Kappe der Zündkerze ein Kondensator zwischen die Mittelelektrode und Masse geschaltet wird.

Die durch die Patentansprüche gekennzeichnete Erfindung löst die Aufgabe, eine Zündkerze für eine Brennkraftmaschine der angegebenen Gattung bereitzustellen, die insbesondere zur Verwendung bei einer verteilerfrei elektronisch gesteuerten Zündanlage eine verbesserte Zündung eines

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zur Kleinhaltung der Schadstoffanteile in den Auspuffgasen stark verwirbelten, mageren Luft-Brennstoff-Gemisches ergibt.

Die mit der erfindungsgemäßen Zündkerze erzielbaren Vorteile liegen im wesentlichen darin, daß durch die Schaffung eines die Funkenbahn unterbrechenden Luftspaltes mit einer entsprechenden Ausbildung und Anordnung der Masseelektrode bei der Zündung eine Funkenstrecke erhalten wird, die sich nicht nur an der Oberfläche des Isolierkörpers, sondern auch an der gesamten Oberfläche der Masseelektrode ausbreitet. Durch diese Vergrößerung der Funkenstrecke wird der Kern der Zündflamme unmittelbar an der Masseelektrode gehalten und damit an einer Stelle, wo eine im Vergleich zu der Mittelelektrode bzw. dem axialen Ende des Isolierkörpers wesentlich verringerte Zündgeschwindigkeit vorherrscht. Der Kern der Zündflamme kann sich daher entsprechend viel rascher entwickeln, um damit eine entsprechend verbesserte, weil stabilere Zündung des Gasgemisches zu erzielen. Es ist daher mit solchen Zündkerzen möglich, auch ein stark verwirbeltes und dabei gleichzeitig relativ mageres Gasgemisch entsprechend verbessert zu zünden, wobei diese verbesserte Zündung selbst durch eine evtl. Verrußung der Elektroden und des Isolierkörpers kaum beeinträchtigt wird.

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Zündkerze ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Perspektivansicht nur der

Spitze einer Zündkerze nach der Erfindung,

Fig. 2A einen Längsschnitt der Zündkerze

gemäß einer ersten Ausführungsform,

Fig. 2B einen Längsschnitt nur der Spitze

der Zündkerze gemäß einer zweiten Ausführungsform und

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Zündan

lage für eine vierzylindrige Brennkraftmaschine, für welche die erfindungsgemäßen Zündkerzen verwendet sind.

Die in den Figuren 1 und 2 dargestellte Zündkerze 10 besteht aus einer Mittelelektrode 11 und einer Masseelektrode 12, die als eine Ringscheibe entweder gemäß der Darstellung in Figur 2A mit einem rechteckigen oder gemäß der Darstellung in Figur 2B mit einem runden Querschnitt ausgebildet ist. Die Mittelelektrode 11, die einen Durchmesser zwischen etwa 1 und 3 mm aufweisen kann, ist von einem hülsenförmigen Isolierkörper 13 aus keramischem Material umgeben, zu welchem die Masseelektrode 12 über einen Luftspalt 14 radial beabstandet ist. Der Luftspalt 14 weist bevorzugt eine Spaltbreite von etwa 0,25 bis 0,75 mm auf, wenn die Masseelektrode 12 einen Außendurchmesser zwischen etwa 8 und 12 mm und einen Lochdurchmesser zwischen etwa 4 und 6 mm hat.

Mit der vorbeschriebenen Zündkerze wird beim Anlegen der Zündspannung eine Funkenbahn S erhalten, die an dem über den Isolierkörper 13 axial vorstehenden Ende der Mittelelektrode 11 anfängt, sich dann an der Oberfläche des Isolierkörpers 13 fortsetzt und mit einer Unterbrechung an dem Luftspalt 14 in der Masseelektrode 12 endet. Die durch den Luftspalt 14 bewirkte Unterbrechung dieser Funkenbahn 14, die also ein überspringen des Zündfunkens von dem Isolierkörper 13 auf die Masseelektrode 12 erfordert, hat dabei zur Folge, daß für dieses überspringen des Zündfunkens der größte Anteil der Unterbrecherspannung verbraucht wird, die normal in der Größenordnung von etwa 10 bis 30 KV vorhanden ist, so daß für die restliche·, el ί ί

überwiegende Mehrheit bildende Länge der Funkenbahn S/ die bei der vorstehenden Angabe über die Spaltbreite eine Gesamtlänge zwischen etwa 1 und 3 mm haben kann, nur ein entsprechend minimaler Anteil dieser Unterbrecherspannung verbraucht wird. Unter Berücksichtigung dieser Tatsache ist die Zündkerze 10 deshalb weiterhin mit einem integrierten Kondensator 15 versehen, der aus einem an die Masseelektrode 12 angeschlossenen Leiter 16, einem an die Anschlußmutter für die Mittelelektrode 11 angeschlossenen Leiter 18 und einem dazwischen angeordneten Nichtleiter 17 gebildet ist, der als eine den Isolierkörper 13 umgebende Hülse ausgebildet ist. Um während der Einströmung des Gasgemisches in einen Zylinder der Brennkraftmaschine einen stabilen und dabei nicht auslöschbaren Zündbogen zu erzielen, ist es nun bei Verwirklichung des Luftspaltes 14 und dieses integrierten Kondensators 15 erforderlich, daß die Zündkerze mit einer genügend hohen Zündspannung versorgt wird, damit sich der Kondensator 15 auf einen genügend hohen Unterbrecherstrom aufladen kann. Diese Möglichkeit ist mit der in Figur 3 durch ein Blockschaltbild schematisch dargestellten Zündanlage möglich.

Die Zündanlage der Figur 3 umfaßt einen elektronischen Zündungsmodul 24, der durch einen elektronischen Steuermodul 26 der Brennkraftmaschine gesteuert wird. An den Zündungsmodul 24 sind für den hier betrachteten Anwendungsfall bei einer vierzylindrigen Brennkraftmaschine vier Doppelspulen 20 bis 2 3 angeschlossen, die mit einer paarweisen Koppelung über Dioden 36 bis 41 bei den Doppelspulen 20 und 21 und über Dioden 38 bis 43 bei den Doppelspulen und 23 an die durch ihren Luftspalt dargestellten vier Zündkerzen 32 bis 35 weiter angeschlossen sind, zu deren Luftspalt jeweils ein Kondensator 28 bis 31 parallel angeordnet ist. Wenn nun bei dieser Zündanlage durch den elektronischen Steuermodul 26 an den Zündungsmodul 24 die Anweisung erteilt wird, beispielsweise die Doppelspulen

und 21 mit Strom zu versorgen, dann wird dabei eine bestimmte Anlaufzeit benötigt, um deren Primärspule mit dem Ladestrom voll aufzuladen. Die für den Stromübergang zu der Sekundärspule benötigte Zeit ist demgegenüber vernachlässigbar klein, so daß also nach der abgeschlossenen Stromaufladung der Primärspule deren volle Ladungshöhe dann auch sofort an den Kondensatoren 28 und 29 bis zu dem Zeitpunkt zur Verfügung steht, in welchem an den Luftspalten der beiden Zündkerzen 32 und 33 der Zündfunken überspringt. Bei diesem Überspringen des Zündfunkens erfahren dann die beiden Kondensatoren 28,29 eine Entladung, wobei die Entladung des einen Kondensators 28 beispielsweise im Verdichtungshub des einen Maschinenzylinders gesteuert ist, während die Entladung, des zweiten Kondensators 29 für den Ausschubhub des zweiten Maschinenzylinders gesteuert wird. Die Dioden 36,40 einerseits und die Dioden 37,41 andererseits weisen dafür die entsprechende Schaltungsanordnung auf, indem durch sie an den Luftspalt der einen Zündelektrode 32 zwei negative Hochspannungen bzw. an den Luftspalt der zweiten Zündelektrode 33 zwei positive Hochspannungen angeliefert werden. Die Umschaltung wird dabei durch den Zündungsmodul 24 gesteuert, der für diesen Zweck mit entsprechenden Transistorschaltern ausgerüstet ist, um die Primärspulen der beiden Doppelspulen 20 und 21 abwechselnd an die Fahrzeugbatterie anzuschließen. Bei der Weiterdrehung der Kurbelwelle um 180° werden andererseits die beiden anderen Doppelspulen 22,23 in entsprechender Weise durch den Zündungsmodul 24 an ihrer Primärseite abwechselnd an die Fahrzeugbatterie angeschlossen, um dann auch an den Zündkerzen 34 und 35 eine abwechselnde Entladung der Kondensatoren 30 und 31 zu erhalten.

Wenn die Zündkerzen für eine verteilerfrei elektronisch gesteuerte Zündanlage einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine für Kraftfahrzeuge der Ausbildung nach Figur 3 verwendet werden, dann sollte dafür eine Zündkapazität zwischen etwa 100 und 300 Pikofarad vorgesehen werden, was bei einer für solche Zündanlagen bisher vorgesehenen Zündkapa-

zität von nur etwa 10 Pikofarad eine sehr wesentliche Erhöhung ergibt. Mit dieser viel größeren Zündkapazität ist dann auch ein anfänglicher Unterbrecherstrom zwischen etwa 200 und 1000 Ampere erzielbar, der gegenüber einem bisher nur erzielten Spitzenwert von etwa 10 bis 50 Ampere ebenfalls wesentlich höher Liegt und bei der Erzeugung des Zündfunkens für die ersten 100 Nonasekunden zur Verfügung steht. Mit diesem großen anfänglichen Unterbrecherstrom wird eine Plasmastoßwelle erzeugt, die zur Ausbildung eines ziemlich großen Kernes der Zündflamme führt und damit anfänglich zur Folge hat, daß bis zu 10% des gesamten Gasgemisches sofort verbrennt und dessen restliche Verbrennung dann äußerst stabil abläuft. Der stabile Verbrennungsablauf wird dabei in erster Linie mit der Masseelektrode erhalten, weil diese dann in ihrer Gesamtheit zum Halten der Zündflamme zur Verfügung steht. Weil die Masseelektrode relativ groß bemessen ist, hat sie eine entsprechend lange Lebensdauer bei großer Hitzebeständigkeit, und evtl. Rußablagerungen an der Zündkerze sind kaum schädlich, weil sie wegen des bereit gestellten hohen anfänglichen Unterbrecherstromes mühelos überbrückt werden können. Es ist daher mit solchen Zündkerzen auch möglich, ein relativ mageres und dabei gleichzeitig stark verwirbeltes Gasgemisch praktisch vollständig zu verbrennen, so daß im Ergebnis mit der Verwendung solcher Zündkerzen für die Brennkraftmaschine eine entsprechend verbesserte Leistungsbilanz mit der gleichzeitigen Möglichkeit erhalten wird, im Leerlauf der Brennkraftmaschine die Zuführung des Brennstoffes ziemlich stark zu drosseln. Die Verwendung solcher Zündkerzen stellt damit auch einen entsprechend niedrigen Schadstoffanteil der Auspuffgase sicher.

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Claims

Hans-Jürgen Müller Gerhard D. Schupfner

!«089,4706055/56

Telex: 5 23016 Postfach 8013 69

Telegramm/cable: Lucile-Grahn-Straße 38 European Patent Attorneys

Zetapatent® München D-8000 München 80 Mandataires en brevets europeens

Patentansprüche

Zündkerze für eine Brennkraftmaschine, bestehend aus einer von einem Isolierkörper umgebenen Mittelelektrode und einer den Isolierkörper ringförmig umgebenden Masseelektrode, die zu der Mittelelektrode über einen zur Ausbildung einer Funkenbahn an der Oberfläche des Isolierkörpers bestimmten Zündspalt beabstandet ist, dadurch gekennzeichnet , daß die Masseelektrode (12) zu dem Isolierkörper (13) über einen die Funkenbahn (S) unterbrechenden Luftspalt (14) beabstandet ist.

Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Masselektrode (12) als ein im Lochdurchmesser gegenüber dem Außendurchmesser des Isolierkörpers (13) größere Ringscheibe mit rechteckigem oder rundem Querschnitt ausgebildet und zu dem von der Mittelelektrode (11) axial überragten Ende des Isolierkörpers (13) axial beabstandet ist.

Zündkerze nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Luftspalt (14) bei einem Außendurchmesser der Masseelektrode (12) zwischen etwa 8 und 12 mm und einem Lochdurchmesser zwischen etwa 4 und 6 mm eine Spaltbreite von etwa 0,25 bis 0,75 mm aufweist und zu der Mittelelektrode (11) über eine Länge der Funkenbahn (S) zwischen etwa 1 und 3 mm beabstandet ist.

4. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 3, g e kennzeichnet durch einen zu der Funkenbahn (S) parallel geschalteten Kondensator(15).

5. Zündkerze nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Kondensator (15) aus zwei an die beiden Elektroden (11,12) angeschlossenen Leitern (16,18) und einem zwischen diesen Leitern angeordneten Nichtleiter (17) gebildet ist.

6. Zündkerze nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet , daß der Nichtleiter (17) des Kondensators (15) durch eine den Isolierkörper (13) wenigstens über eine Teillänge umgebende Hülse gebildet ist, über deren axiale Enden die aus Platten gebildeten Leiter (16,18) zueinander beabstandet sind.

7. Verwendung von Zündkerzen nach einem der Ansprüche

1 bis 6 bei einer verteilerfrei elektronisch gesteuerten Zündanlage einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine für Kraftfahrzeuge, wobei für jede Zündkerze (10; 32 bis 35) eine Zündkapazität (28 bis 31) zwischen etwa 100 und 200 Pikofarad und ein anfänglicher Unterbrecherstrom zwischen etwa 200 und 1000 Ampere vorgesehen ist.