DE3616668A1 - Zuendkerze mit gleitfunkenstrecke - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Zündkerze mit Gleitfunken­ strecke für Brennkraftmaschinen nach der Gattung des An­ spruchs 1.

Solche Zündkerzen mit Gleitfunkenstrecke, die sich an der brennraumseitigen Oberfläche des Isolierkörpers zwischen der Mittel- und Masseelektrode ausbildet, zeichnen sich durch eine gegenüber einer Zündkerze mit Luftfunkenstrecke wesentlich niedrigere Zündspannung aus. Es hat sich dabei gezeigt, daß die Zündspannung umso niedriger ist, je größer die Dielektrizitätskonstante des Isolierkörperwerkstoffes ist. Ein solcher Isolierkörper aus hochdielektrischem Material führt jedoch in einer Zündkerze zu einer relativ hohen Kapazität, die an der Gleitfunkenstrecke eine Durch­ bruchentladung bewirkt. Infolge des bei der Durchbruchent­ ladung entstehenden sehr heißen Funkens von einigen zehn­ tausend Grad erodieren die Oberflächen der Elektroden und besonders die Gleitbahn der Gleitfunkenstrecke stark, wo­ durch wiederum die ordnungsgemäße Funktion der Zündkerze und deren Lebensdauer wesentlich beeinträchtigt werden.

Bei einer bekannten Zündkerze der eingangs genannten Art (Patentanmeldung P 35 33 123.2) hat man zur Vermeidung der Durchbruchphase mit hoher Energie den Isolierkörper im brennraumseitigen Endbereich quergeteilt und das volumen­ größere anschlußseitige Oberteil aus einem Werkstoff mit niedriger Dielektrizitätskonstanten und das volumenkleinere brennraumseitige Unterteil aus einem Werkstoff mit einer sehr viel höheren Dielektrizitätskonstanten gemacht. Ins­ gesamt läßt sich die Gesamtkapazität der Zündkerze jedoch nicht klein genug halten, so daß die Energie in mitunter auftretenden Durchbruchphasen doch noch nennenswerte Ero­ sion in der Isolierkörperoberfläche bewirkt.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Zündkerze mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß durch den koaxialen Schichtaufbau des Isolierkörpers oder Kerzen­ steins sich ein koaxialer Kondensator mit geschichtetem Dielektrikum ergibt, dessen Gesamtkapazität durch die kleinere Kapazität der niederdielektrischen Schicht, also der Schicht mit der sehr viel kleineren Dielektrizitäts­ konstanten, bestimmt wird. Ohne Erhöhung der Kerzenkapa­ zität können daher Keramiken mit einer relativen Dielektri­ zitätskonstanten bis zu 10 000 in der hochdielektrischen Schicht verwendet werden, wenn nur die niederdielektrische Schicht eine relativ kleine Dielektrizitätszahl von unge­ fähr 10 bis 50 aufweist.

Die erfindungsgemäße Zündkerze hat bei Vorsehen einer vor­ teilhaft hochdielektrischen Gleitbahn eine nur kleine Ker­ zenkapazität und zeigt dadurch bedingt nur geringe Ero­ sionen an der Gleitbahn. Durch die hohe Dielektrizitäts­ konstante der Isolierkörperoberfläche, auf welcher sich die Gleitbahn ausbildet, ist der Zündspannungsbedarf der Zündkerze niedrig, so daß ein erheblicher Teil der von der Zündanlage zur Verfügung gestellten Energie an das Kraftstoffgemisch übertragen wird. Dadurch sind gute Ent­ flammungsbedingungen auch für magere Kraftstoffgemische geschaffen. Durch den niedrigen Zündspannungsbedarf erge­ ben sich sämtliche Vorteile einer Niederspannungszündung, wie kleinere Zündspule, gute Entstörwirkung, geringer Auf­ wand an Hochspannungsisolation.

Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Zündkerze möglich.

Eine vorteilhafte Ausführungsform ergibt sich dabei aus Anspruch 2. Bei Verwendung von Materialien mit sehr hoher relativer Dielektrizitätskonstante z.B. zwischen 500 bis 10000, wird eine niedrige Zündspannung schon bei relativ dünnen Schichten erzielt, deren Schichtdicke zwischen 0,1 bis 1 mm liegt. Solche Schichten können gemäß der Aus­ führungsform der Erfindung nach Anspruch 7 durch Plasma­ spritzen auf einen Kerzenstein aus z.B. Aluminiumoxid auf­ gebracht werden. Mit dieser Technik können gemäß der Aus­ führungsform der Erfindung nach Anspruch 6 mehrere Schich­ ten aus Werkstoff mit hoher Dielektrizitätskonstanten über­ einander aufgebracht werden, wobei die Dielektrizitätskon­ stante der einzelnen Schichten stufig oder kontinuierlich anwachsen kann. Gemäß der Ausführungsform der Erfindung nach Anspruch 9 genügt es dabei, die hochdielektrische Schicht oder Schichten nur im Gleitbahnbereich aufzubringen und im übrigen den Kerzenstein oder Isolierkörper ohne Trennstellen ganz aus Aluminiumoxid-Keramik herzustellen.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich auch aus Anspruch 11. Durch diese Überlappung der Schichten in axialer Richtung wird eine Hochspannungsfestigkeit zwischen den Schichten in axialer Richtung erreicht, wobei durch eine Überlappung bis in den Gleitbahnbereich die Hoch­ spannungsbeanspruchung der hochdielektrischen Schicht klein gehalten wird.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich auch aus Anspruch 16. Durch die ringförmigen Isolierschei­ ben werden die radialen kreisringförmigen Trennstellen zwischen den Schichten hochspannungsfest abgedichtet.

Zeichnung

Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei zeigen

Fig. 1 bis 6 jeweils eine Zündkerze zur Hälfte in Seitenansicht und zur Hälfte längsge­ schnitten gemäß sechs verschiedenen Ausführungsbeispielen.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Die in der Zeichnung dargestellten Zündkerzen für Brenn­ kraftmaschinen weisen alle einen Isolierkörper 10 auf, der auf einem Längsabschnitt von einem metallischen Kerzenge­ häuse 11 umfaßt ist. Das Kerzengehäuse 11 trägt auf einem im Durchmesser reduzierten Endabschnitt 12 ein Außengewinde 13 mittels dessen die Zündkerze in einen nicht dargestell­ ten Zylinderkopf der Brennkraftmaschine eingeschraubt wird. Zum Einschrauben dient in bekannter Weise ein Schlüssel­ sechskant 14. Der Endabschnitt 12 trägt auf seiner in den Brennraum der Brennkraftmaschine hineinragenden Stirnseite eine ringförmige Masseelektrode 15.

Der eine zentrale axiale Durchgangsbohrung 16 aufweisende rotationssymmetrische Isolierkörper 10 ragt auf beiden Sei­ ten des Kerzengehäuses 11 aus diesem heraus. Innerhalb der Durchgangsbohrung 16 ist ein metallischer Anschlußbolzen 17 angeordnet, der an seinem brennraumfernen Endabschnitten Anschlußstück 16 zum elektrischen Anschluß der Zündkerze an die Zündanlage trägt. Im unteren Bereich der Durchgangs­ bohrung befindet sich eine Mittelelektrode 19, die an der brennraumseitigen Stirnfläche des Isolierkörpers 10 frei­ liegt. Der Anschlußbolzen 17 und die Mittelelektrode 19 sind durch eine Glasschmelzflußmasse 20 leitend miteinander verbunden.

Bei allen Zündkerzen gemäß Fig. 1 bis 6 weist der Isolier­ körper 10 zumindest im brennraumseitigen Endabschnitt zwei in Radialrichtung ganz oder teilweise aneinanderliegende koaxiale Materialschichten mit stark unterschiedlichen Di­ elektrizitätskonstanten auf. Die relative Dielektrizitäts­ konstante der dabei verwendeten Materialen liegt zwischen 10 und 10000, vorzugsweise zwischen 50 und 5000. Die in den beiden Materialschichten verwendeten Materialen werden dabei so gepaart, daß die Differenz zwischen ihren Dielek­ trozitätskonstanten möglichst groß ist.

Bei den Zündkerzen in Fig. 1 und 2 besteht der Isolierkör­ per 10 im wesentlichen aus einem ganz durchgehenden Grund­ körper 21 aus Aluminiumoxid-Keramik mit relativ kleiner Dielektrizitätskonstanten (kleiner 15), und einer vom brennraumseitigen Ende des Grundkörpers 21 her aufgescho­ bene Hülse 22 aus hochdielektrischem Werkstoff, z.B. Barium­ titanoxid (Ba₂TiO₃), mit einer relativen Dielektrizitäts­ konstanten von ca. 5000. Zur Aufnahme der Hülse 22 ist der Grundkörper 21 über einen brennraumseitigen Endabschnitt im Durchmesser reduziert. Bei der Zündkerze in Fig. 1 er­ streckt sich die Hülse 22 vom stirnseitigen Ende des Grund­ körpers 21 über nahezu den gesamten Übergreifungsbereich des Kerzengehäuses 11, während in Fig. 2 die Hülse 22 den Grundkörper 21 nur in dem brennraumseitigen Ende des Iso­ lierkörpers 10 abdeckt und etwa in der Mitte des Endab­ schnitts 12 des Kerzengehäuses 11 endet. Die brennraumferne ringförmige Stirnfläche der Hülse 22 ist von einer radial vorstehenden Schulter des Grundkörpers 21 überdeckt. In dieser radialen Trennstelle zwischen Grundkörper 21 und Hülse 22 ist eine hochspannungsfeste ringförmige Isolier­ scheibe 23 aus Silikon oder Epoxidharz eingelegt. Die brenn­ raumseitigen Stirnflächen von Grundkörper 21 und Hülse 22 sind von einem Stirnkopf 24 abgedeckt, der aus dem gleichen Material gefertigt ist wie die Mittelelektrode 19 und mit dieser leitend verbunden ist.

Bei Verwendung von Materialien mit einer sehr hohen rela­ tiven Dielektrizitätskonstanten wird eine niedrige Zünd­ spannung schon bei relativ dünnen Schichten von 0,1 bis 1 mm erreicht. In diesem Fall kann die Hülse 22 entfallen und die hochdielektrische Schicht unmittelbar auf den aus Aluminiumoxid-Keramik bestehenden Isolierkörper 10, z.B. durch Plasmaspritzen, aufgebracht werden. Mit dieser Tech­ nik ist es auch möglich, mehrere Schichten mit kontinu­ ierlichem bzw. stufigem Übergang der Dielektrizitätskon­ stanten zwischen der Keramik und der letzten hochdielek­ trischen Schicht (z. B. Bariumtitanoxid) übereinander auf­ zubringen. Dabei ist es auch möglich, die hochdielektri­ sche Schicht bzw. Schichten ausschließlich im Gleitbahnbe­ reich zwischen Stirnkopf 24 der Mittelelektrode 19 und der Masseelektrode 15 am Isolierkörper 10 vorzusehen.

Bei den in Fig. 3 und 4 dargestellten Zündkerzen verlaufen der Grundkörper 21 und die Hülse 22 nicht koaxial zueinan­ der bis an das brennraumseitige Stirnende des Isolierkör­ pers 10, sondern überlappen sich nur in Axialrichtung, wo­ bei der Grundkörper 21 in Abstand vor dem brennraumseitigen Ende des Isolierkörpers 10 innerhalb des Umgreifungsberei­ ches des Kerzengehäuses 11 endet, während die Hülse 22 bis hin zum freien Stirnende reicht. An der Austrittsstelle aus der im Grundkörper 21 verlaufenden Durchgangsbohrung 16 ist die Mittelelektrode 19 bis auf die Hülse 22 verbreitert, so daß die Hülse 22 auf einem Längsabschnitt den Grundkörper 21 und auf einem sich zum Brennraum hin anschließenden wei­ teren Längsabschnitt unmittelbar die Mittelelektrode 19 um­ gibt. Während bei der Zündkerze in Fig. 3 die Hülse 22 sich weit in das Kerzengehäuse 11 hinein erstreckt und erst nahe dem Schlüsselsechskant 14 endet, endet die Hülse 22 bei der Zündkerze in Fig. 4 bereits im Endabschnitt 12 des Kerzen­ gehäuses 11. Die ringförmige Stirnfläche der Hülse 22 liegt in Fig. 4 frei, während sie in Fig. 3 wiederum von dem mit der Mittelelektrode 19 verbundenen Stirnkopf 24 abgedeckt wird.

Bei den Zündkerzen in Fig. 5 und 6 weist der Isolierkörper 10 wiederum einen Grundkörper 25 aus Aluminiumoxid-Keramik auf, der die Durchgangsbohrung 16 enthält und innerhalb des metallischen Kerzengehäuses 11 endet. Mit Abstand vor dem brennraumseitigen Ende des Grundkörpers 25 ist die Durchgangsbohrung im Durchmesser erweitert. In diesen da­ durch zwischen der Mittelelektrode 19 und dem Grundkörper 25 verbleibenden Zylinderring ist ein Hohlzapfen 26 aus hochdielektrischem Material eingeschoben, so daß er einerseits den Endbereich der Mittelelektrode 19 umgibt und andererseits über einen Längsabschnitt von dem Grundkörper 25 umschlossen ist.

Bei der Zündkerze in Fig. 5 ist die Mittelelektrode 19 und der Anschlußbolzen 17 nicht über eine Glasschmelzflußmasse miteinander verbunden, sondern durch eine hochisolierende Trennschicht 27 voneinander getrennt, die zur elektrisch leitenden Verbindung von Anschlußbolzen 17 und Mittelelek­ trode 19 von einem Kontaktstift 26 durchstoßen ist.

Im Unterschied zu Fig. 5 ist in Fig. 6 die Mittelelektrode im brennraumseitigen Endbereich ähnlich wie bei der Zünd­ kerze in Fig. 3 ausgebildet. Der Durchmesser der Mittel­ elektrode 19 vergrößert sich wiederum im brennraumseitigen Endabschnitt. Der Hohlzapfen 26 ist hier trichterartig aus­ gebildet und umgibt wiederum die Mittelelektrode 19 bis hin zu deren brennraumseitigem Ende. Sein Außenumfang fluchtet mit dem Außenumfang des Grundkörpers 25. Am brennraumseiti­ gen Stirnende wird der Hohlzapfen 26 wiederum von dem mit der Mittelelektrode 19 verbundenen Stirnkopf 24 abgedeckt.

Claims (16)

1. Zündkerze mit Gleitfunkenstrecke für Brennkraftmaschinen mit einem Kerzengehäuse, das mit einem Gehäuseabschnitt in den Brennraum der Brennkraftmaschine hineinragt und an seinem brennraumseitigen Ende eine ringförmige Masse­ elektrode hat, mit einem von dem Kerzengehäuse auf einem Längsabschnitt umschlossenen Isolierkörper, der brenn­ raumseitig über das Kerzengehäuse vorsteht, und mit einer Mittelelektrode, die in einer Durchgangsbohrung im Iso­ lierkörper einliegt und brennraumendseitig freiliegt, wobei die Gleitfunkenstrecke sich zwischen Mittel- und Masseelektrode längs einer Gleitbahn auf der Oberfläche des Isolierkörpers ausbildet, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Isolierkörper (10) zu­ mindest im brennraumseitigen Endabschnitt mindestens zwei in Radialrichtung ganz oder teilweise aneinander­ liegende koaxiale Materialschichten (21, 22, 25, 26) mit stark unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten auf­ weist.

2. Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die relative Dielektrizitätskon­ stante der verwendeten Materialien zwischen 10 und 10000, vorzugsweise zwischen 50 und 5000 liegt, und daß in ihrer Dielektrizitätskonstanten möglichst weit auseinanderlie­ gende Materialien gepaart sind.

3. Zündkerze nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Schichten (21, 22) ko­ axial zueinander bis an das brennraumseitige Stirnende des Isolierkörpers (10) verlaufen.

4. Zündkerze nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die niederdielektrische Schicht (21) die Mittelelektrode (19) umgibt und über einen bis zum Stirnende des Isolierkörpers (10) reichenden Längs­ abschnitt von der hochdielektrischen Schicht (22) um­ schlossen ist.

5. Zündkerze nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die niederdielektrische Schicht (21) mit dem aus dem gleichen Material bestehenden Iso­ lierkörper (10) einstückig ist und daß die hochdielek­ trische Schicht (22) auf dem Isolierkörper (10) aufge­ bracht ist.

6. Zündkerze nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schichtdicke der hochdielektri­ schen Schicht bei sehr hoher Dielektrizitätskonstanten zwischen 0,1 und 1 mm gewählt ist.

7. Zündkerze nach Anspruch 5 oder 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die hochdielektrische Schicht auf den Isolierkörper (10) mittels Plasma­ spritzen aufgebracht ist.

8. Zündkerze nach einem der Ansprüche 3 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß mehrere hochdielektrische Schichten mit kontinuierlich oder stufig anwachsenden Dielektrizitätskonstanten in Radial­ richtung übereinander liegen.

9. Zündkerze nach einem der Ansprüche 3 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die hoch­ dielektrische Schicht bzw. Schichten ausschließlich im Gleitbahnbereich der Gleitfunkenstrecke vorgesehen sind.

10. Zündkerze nach einem der Ansprüche 3 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß die Mittel­ elektrode (19) mit einem vorzugsweise einstückigen Stirnkopf (24) über das brennraumseitige Ende des Iso­ lierkörpers (10) vorsteht und daß der Stirnkopf (24) die ringförmige Stirnfläche der Materialschichten (21, 22) überdeckt.

11. Zündkerze nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Materialschichten (21, 22; 25, 26) sich in Axialrichtung überlappen und nur die hochdielektrische Schicht (22, 26) am brennraum­ seitigen Ende aus dem Kerzengehäuse (11) vorsteht.

12. Zündkerze nach Anspruch 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die hochdielektrische Schicht (22) im Überlappungsbereich die niederdielektri­ sche Schicht (21) umschließt und zumindest in dem aus dem Kerzengehäuse (11) vorstehenden Endabschnitt die Mittelelektrode (19) umgibt.

13. Zündkerze nach Anspruch 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die hochdielektrische Schicht (26) die Mittelelektrode (19) zumindest im brennraumseitigen Endabschnitt umgibt und im Überlap­ pungsbereich von der niederdielektrischen Schicht (25) umschlossen ist.

14. Zündkerze nach einem der Ansprüche 11 bis 13, da­ durch gekennzeichnet, daß der Überlappungsbereich der Schichten (21, 22; 25, 26) inner­ halb des Kerzengehäuses (11) gelegt ist.

15. Zündkerze nach einem der Ansprüche 3 bis 14, da­ durch gekennzeichnet, daß die vom brennraumseitigen Ende des Isolierkörpers (10) abgekehrte Stirnfläche der hochdielektrischen Schicht (22) von der niederdielektrischen Schicht (21) überdeckt ist.

16. Zündkerze nach Anspruch 15, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwischen dem Isolierkörper (10) und der vom brennraumseitigen Ende abgekehrten ringförmigen Stirnfläche der hochdielektrischen Schicht (22) eine hochspannungsfeste Isolierscheibe (23), z.B. aus Silikon oder Epoxidharz, eingelegt ist.