DE4431143A1 - Zündkerze für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Zündkerze für Brennkraftmaschinen nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es ist schon eine solche Zündkerze aus der EP 0 101 547 B1 bekannt. Bei dieser bekannten Zündkerze ist ein zylindrisches Metallrohr vorgesehen, in welchem ein röhrenförmiger Keramikisolator angeordnet ist. Der Keramikisolator enthält einen Innenleiter, wobei der Innenleiter aus zwei Teilen, nämlich erstens aus einem als Kontaktstift dienenden Metallkörper und zweitens aus einem Platinstab, der das brennraumseitige Ende des Innenleiters darstellt, besteht. An dem anschlußseitigen Ende des Innenleiters schließt sich ein Hohlraum in dem Keramikisolator an, der mit einer elektrisch leitfähigen Vergußmasse ausgefüllt ist. In dieser Vergußmasse sind Schichten enthalten, die als elektrischer Widerstand wirken. In die elektrisch leitfähige Vergußmasse ragt dann anschlußseitig noch ein metallischer Anschlußbolzen, der auch aus dem Keramikisolator herausragt und mit dem Zündkabel in bekannter Art kontaktiert werden kann.

Die Funktion der als elektrischer Widerstand wirkenden Schicht besteht hauptsächlich darin, daß die Erosion der Elektroden der Zündkerze verringert wird.

Dieser Verschleißvorgang ist in der Druckschrift Bosch, Technische Unterrichtung, Zündkerzen, Robert Bosch GmbH 1985, Seite 18, beschrieben.

Für heutige Anforderungen in Bezug auf die Lebensdauer von Zündkerzen bzw. der Verlängerung von Wartungsintervallen reicht diese Erosionsverringerung nicht mehr aus.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Zündkerze mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß durch die Vorziehung des Widerstandes in Richtung auf die Funkenstrecke und/oder durch die Verringerung des Durchmessers des Innenleiters gegenüber herkömmlichen Innenleitern die Standzeit (Lebensdauer) der Zündkerze erhöht ist. Die Erhöhung der Standzeit beruht letztlich darauf, daß die erfindungsgemäße Zündkerze einen verringerten Elektrodenverschleiß aufweist.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Zündkerze möglich. So ist es besonders vorteilhaft, daß der Widerstand in den stabförmigen Innenleiter im Bereich des Isolatorfußes angeordnet ist. Der Widerstand ist dann gleichzeitig durch den Isolator vor der Brennraumatmosphäre geschützt und es sind keine duktilen und schweißbaren Werkstoffe erforderlich. Die äußere Bauform der Zündkerze bleibt davon unbeeinflußt. Als Material für den Widerstand bietet sich vorteilhafterweise z. B. eine elektrisch leitfähige Vergußmasse, insbesondere eine Glasschmelze mit einem Zusatz von elektrisch leitfähigen Partikeln, wie Ruß- oder Graphitpartikel, an. Eine andere Möglichkeit für die Realisierung des Widerstandes besteht darin, ein wärmeleitfähiges Trägermaterial, insbesondere AlN mit einer in Dickschichttechnik aufgebrachten Widerstandsschicht zu überziehen.

Bei der Zündkerze gemäß Anspruch 5 ist als weiterer Vorteil anzusehen, daß die Edelmetallspitze einen vergrößerten Durchmesser gegenüber der bekannten Zündkerze aus EP 0 101 547 aufweist. Auch durch diese Maßnahme wird die Standzeit der Zündkerze nochmals erhöht. Ein weiterer Vorteil dieser Zündkerze ergibt sich noch dadurch, daß mindestens zwei Masseelektroden vorgesehen sind und die Masseelektroden zum Innenleiter hin so abgebogen sind, daß ein Luftspalt entsteht, wobei insbesondere die äußere Fläche der Masseelektroden bündig zur Isolatoroberkante liegt. Dadurch, daß mehr als eine Masseelektrode vorhanden sind und durch die Anordnung von Masseelektrode zu Isolator, entsteht eine sehr gute Flammkernbildung, so daß auch Motoren mit magerem Gemisch gut gezündet werden können. Auch das Abgasverhalten dieser Motoren wird dadurch verbessert. Durch die Anordnung der Masseelektroden in bezug auf den Isolator entsteht eine Luft-Gleitfunkenstrecke, die ein sehr gutes Freibrennverhalten der Zündkerze und damit eine weitere Erhöhung der Standzeit der Zündkerze bewirkt. Dadurch, daß der Verschleiß der Zündkerze insgesamt verringert ist, wird gewährleistet, daß über die gesamte Standzeit der gleiche Spannungsbedarf für die Zündkerze vorliegt.

Die Zündkerze mit den kennzeichnenden Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs 6 hat ebenfalls den Vorteil, daß die Standzeit dieser Zündkerze gegenüber herkömmlichen Zündkerzen erhöht ist. Dadurch, daß der mit dem Brennraum in Kontakt kommende Bereich des Innenleiters mit einer Edelmetallschicht überzogen ist, wird Korrosion des Innenleiters wirksam verhindert. Weiterhin vorteilhaft ist, daß lediglich eine dünne Edelmetallschicht verwendet wird, so daß teures Edelmetall gegenüber der Lösung mit einem massiven Edelmetallstab eingespart werden kann. Das Vorsehen eines stark wärmeleitenden Materials, das direkt mit der Edelmetallschicht in Kontakt ist, hat den Vorteil, daß die Wärme, die bei dem Zündfunken entsteht, sehr schnell von der Edelmetallschicht abgeleitet werden kann und somit die Aufschmelzung der Oberfläche der Edelmetallschicht reduziert wird.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung des inneren Teils einer aus dem Stand der Technik bekannten Zündkerze;

Fig. 2 eine schematische Darstellung des inneren Teils einer Zündkerze mit vorgezogenem Widerstand;

Fig. 3 eine schematische Darstellung des inneren Teils einer Zündkerze mit Edelmetallschutzschicht;

Fig. 4 eine schematische Darstellung des inneren Teils einer Zündkerze, bei der der Widerstand das brennraumseitige Ende der Mittelelektrode darstellt und mit einer Edelmetallschicht überzogen ist;

Fig. 5 eine schematische Darstellung des inneren Teils einer Zündkerze, bei der sowohl der Widerstand vorgezogen ist als auch ein wärmeleitfähiges Material von einer Edelmetallschicht überzogen ist und

Fig. 6 eine schematische Darstellung des brennraumseitigen Teils einer Zündkerze mit Darstellung der Anordnung von Masseelektroden und Isolator.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Der prinzipielle Aufbau einer Zündkerze ist aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt und kann z. B. aus der EP 0 101 547 entnommen werden. In Fig. 1 ist der innere Teil einer solchen bekannten Zündkerze dargestellt. Mit der Bezugszahl 10 ist der Isolator bezeichnet. Die Bezugszahl 11 bezeichnet den Innenleiter der Zündkerze. Er besteht aus zwei Teilen, dem Kontaktstift 16 und dem Edelmetallstab 17. Der anschlußseitige Hohlraum 25 des Isolators 10 ist mit einer Vergußmasse gefüllt. In ihr sind die als elektrischer Widerstand wirkenden Schichten enthalten. In den Hohlraum 25 ragt auch ein Anschlußbolzen 26. Der mit der Bezugszahl 27 versehene Abschnitt des Isolators 10 wird nachfolgend als Isolatorfuß bezeichnet. Im folgenden wird im wesentlichen auf die Unterschiede der erfindungsgemäßen Zündkerzen gegenüber diesen herkömmlichen Zündkerzen eingegangen.

In Fig. 2 bezeichnet erneut die Bezugszahl 10 den Isolator. Dieser besteht aus einer Keramik, wie z. B. Aluminiumoxid. In den Isolator 10 ist der Innenleiter 11 eingelassen. Er besteht aus den drei Teilen Metallstab 12, Abbrandwiderstand 13 und Elektrodenkopf 14. Der Metallstab 12 besteht der Einfachheit halber aus dem gleichen Material wie der Kontaktstift der aus dem Stand der Technik bekannten Zündkerze. Der Elektrodenkopf 14 kann z. B. aus einer Nickel-Basislegierung bestehen. Der Abbrandwiderstand ist erfindungsgemäß in Richtung auf die Funkenstrecke der Zündkerze vorgezogen. Er ist bei dieser Ausführung der Einfachheit halber in den Innenleiter integriert. Er könnte jedoch auch in das nicht dargestellte Metallrohr, das den Isolator umgibt, integriert sein und müßte dort dann möglichst nah bei der Masseelektrode oder ggf. sogar innerhalb der Masseelektrode angebracht sein.

Die Vorziehung des Abbrandwiderstandes beruht auf der Erkenntnis der Anmelderin aufgrund von entsprechenden Versuchsreihen, daß bei einem Funkenüberschlag sich zuerst die aufgeladene Kapazität (einige Pikofarad) des Teils der Zündkerze nach dem ggf. vorhandenen Abbrandwiderstand im Bereich weniger Nanosekunden "ungebremst" entlädt. Durch das Metallrohr der Zündkerze und den Innenleiter 11 innerhalb des Isolators entsteht nämlich ein Zylinderkondensator, der eine Kapazität von einigen pF aufweist. Da die Entladung dieses Kondensators innerhalb weniger Nanosekunden geschieht, fließen Ströme im Bereiche von 10 bis einigen hundert Ampere. Der Strom kann bis in den Bereich von einigen hundert Ampere ansteigen, wenn überhaupt kein Abbrandwiderstand in der Kerze vorhanden ist. Die dabei an der Kathode in der Durchbruchphase umgesetzte Energie heizt den Funkenfußpunkt weit über den Schmelzpunkt auf, so daß Material abgesputtert wird. Dieses Problem wird erfindungsgemäß dadurch behoben, daß der Abbrandwiderstand, der z. B. eine Größe von 1 kOhm bis 10 kOhm aufweisen kann, so dicht wie möglich an der Kerzenfunkenstrecke angeordnet wird, um die relevante Kapazität weitgehend zu vermeiden.

Alternativ dazu oder auch zusätzlich dazu kann die Kapazität auch dadurch verringert werden, daß der Durchmesser des Innenleiters 11 verringert wird. Bei Innenleitern gemäß dem Stand der Technik beträgt der Durchmesser in etwa 2,5 mm. Dieser Durchmesser wird zur Verringerung der relevanten Kapazität vorzugsweise auf < 2 mm reduziert. Ein bevorzugter Bereich liegt bei 0,3 bis 1,5 mm.

Der Abbrandwiderstand muß gut wärmeableitend sein. Insbesondere eignet sich für den Einbauort des Abbrandwiderstandes der Innenleiter, da der Widerstand dann durch den Isolator vor der Brennraumatmosphäre geschützt ist und keine duktilen und schweißbaren Werkstoffe erforderlich sind.

Die relevanten Widerstandwerte können dabei z. B. durch einen homogenen, gut wärmeleitenden Werkstoff, wie Siliziumkarbid (SiC) als Massewiderstand realisiert werden, dessen gewünschte elektrische Leitfähigkeit (ca. 10² Ωcm) über Dotierungen eingestellt werden kann. Alternativ hierzu kann ein derartiger Widerstand auch auf einen gut wärmeleitenden Träger, z. B. auf Aluminiumnitrid (AlN) in Dickschichttechnik aufgebracht werden. Ein ebenfalls für den Widerstand in Frage kommendes Material wird auch als Panat bezeichnet.

In Fig. 3 bezeichnen die gleichen Bezugszahlen die gleichen Teile wie in Fig. 2. Im Unterschied zur Fig. 2 ist bei der Fig. 3 der Abbrandwiderstand nicht vorgezogen bzw. gar nicht vorhanden. Statt dessen ist der Elektrodenkopf 14 mit einer Edelmetallschutzschicht 15 überzogen. Der Metallstab 12 ist als Zweistoff-Metallstab ausgeführt. Er kann zum einen Teil aus Kupfer und zum anderen aus Nickel bestehen. Der Elektrodenkopf 14 ist als Wärmepuffer vorgesehen. Hierzu wird vorgeschlagen, daß er aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff mit hohem Schmelzpunkt und möglichst hohem Produkt aus Wärmeleitfähigkeit, spezifischer Wärme und Dichte besteht. Solche Werkstoffe sind insbesondere die Metalle Cu, Ag, Au, W, aber auch Co, Mo, Ni, Cr. Auch Legierungen aus diesen Metallen sind als Materialien hierfür geeignet. Ein weiterhin für diesen Werkstoff geeignetes Material sind leitfähige keramische Werkstoffe wie Siliziumkarbid (Sic). Die Wärmekapazität dieser Wärmepuffer kann um Faktoren größer sein als "das Innere" einer aus konventionellen korrosionsbeständigen homogenen Werkstoffen, wie Ni-Basislegierungen oder aus massiven Platin (Pt) hergestellten Kerzenelektrode.

Die Edelmetallschicht kann insbesondere aus Pt, Rh oder Ir bestehen. Der Wärmeübergang vom Edelmetallüberzug zum Kern soll möglichst optimal sein. Dazu sind Legierungs- oder Diffusionsbereiche zwischen den Partnern wünschenswert. Die Vorsehung der Edelmetallschicht dient nicht nur für einen verbesserten Korrosionsschutz des Elektrodenkopfes. Es hat sich nämlich in den schon erwähnten Versuchsreihen gezeigt, daß bei der Entladung der Zündleitungen sowie der Kapazität der Zündspule ebenfalls hohe Ströme im Bereich einiger Ampere durch die Elektroden fließen, auch wenn ein Abbrandwiderstand vorhanden ist. Es entsteht somit auch in dieser Phase der Entladung eine Erosion. Diese hohen Stromanteile und damit Bogenphasen treten auch in der Nachentladungsphase (Funkenschwanz) auf, insbesondere bei Folgefunken und Glimm-Bogenübergängen. Im Bereich des kontinuierlich brennenden Funkenschwanzes treten bei hohem Druck ebenfalls Bogenentladungen bei Strömen im Bereich einiger 10 Milliampere auf, die die Oberfläche der Elektroden aufschmelzen können.

Für die hier beschriebenen Mechanismen der Erosion ist entscheidend die Frage von Bedeutung, wie schnell und in welchem Maß die am Funkenfußpunkt umgesetzte Energie aus diesem geometrischen Bereich abgeführt und somit die Aufschmelzung der Oberfläche reduziert werden kann. Deshalb besteht die Erfindung darin, eine lediglich dünne Edelmetallschicht in ihrer Funktion als Korrosionsschutzmittel gegenüber der Brennraumatmosphäre zu nutzen und die schlechte Wärmeableitung z. B. des Platin zu ersetzen durch einen massiven Kern aus einem sehr gut wärmeabführenden Werkstoff.

In Fig. 4 bezeichnen ebenfalls gleiche Bezugszahlen das gleiche wie in den Fig. 2 und 3. Der Unterschied gegenüber Fig. 2 und 3 besteht darin, daß in diesem Fall auf den Elektrodenkopf 14 ganz verzichtet wurde und der Abbrandwiderstand 13 das brennraumseitige Ende des Innenleiters 11 bildet. Der äußere Rand des Abbrandwiderstandes 13 ist zusätzlich noch mit einer Edelmetallschicht 15 überzogen. Der Abbrandwiderstand ist aus dem gut wärmeleitenden Werkstoff SiC hergestellt, mit entsprechenden Dotierungen für die gewünschte elektrische Leitfähigkeit.

In Fig. 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Auch hier bezeichnen gleiche Bezugszahlen das gleiche wie in den vorhergehenden Fig. 2 bis 4. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Elektrodenkopf 14 als Wärmepuffer ausgeführt. Er besteht hierzu aus einem der Materialien, die schon zuvor als hierfür geeignet beschrieben wurden. Der Elektrodenkopf 14 ist zusätzlich mit einer Edelmetallschutzschicht 15 überzogen. Der Abbrandwiderstand 13 besteht in diesem Fall aus einem Trägermaterial von Aluminiumnitrid (AlN) mit einem aufgebrachten Dickschichtwiderstand.

In Fig. 6 ist noch eine konkrete Ausführungsform einer Zündkerze dargestellt, die für eine besonders lange Lebensdauer ausgelegt ist. Auch hier sind die gleichen Bezugszahlen verwendet wie in den vorhergehenden Abb. 2 bis 5, so daß diese Bezugszahlen nicht nochmals wiederholt werden müssen. Zusätzlich ist noch das zylinderförmige Metallrohr 18 dargestellt, in das der Isolator 10 eingelassen ist. Der Innenleiter 11 dieser Zündkerze besteht aus den beiden Teilen Kontaktstift 16 und Edelmetallstab 17. Der Edelmetallstab 17 schließt bündig mit der brennraumseitigen Isolatorfläche ab. Der Edelmetallstab 17 ist in der Keramik des Isolators 10 z. B. eingesintert. Der Abbrandwiderstand schließt sich an den Kontaktstift 16 an und ist in dem Isolatorfuß 27 angeordnet. Auch hier ist also der Abbrandwiderstand 13 gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Zündkerzen in Richtung auf die Funkenstrecke vorgezogen. Als Widerstandsmaterial für den Abbrandwiderstand 13 ist z. B. Siliziumkarbid (SiC) mit entsprechender Dotierung verwendet. An den Abbrandwiderstand 13 schließt sich der Anschlußbolzen 26 an. Bei der Seitenansicht der Fig. 5 sind noch zusätzlich zwei Masseelektroden 19 dargestellt. Die Masseelektroden 19 sind in Richtung auf die Mittelelektrode hin abgebogen. Dabei sind sie in einem Winkel von 90° abgebogen. Hierbei ist der abgebogene Teil der Masseelektrode so abgebogen, daß die äußere Fläche des abgebogenen Teils der Masseelektrode bündig zur Isolatoroberkante liegt. Der dadurch bedingte Funkenverlauf ist mit der Bezugszahl 20 bezeichnet. Es ist erkennbar, daß der Funken ausgehend von dem Edelmetallstab 17 an der Isolatoroberfläche vorbeigleitet und über eine Luftstrecke zu der Stirnseite der Masseelektrode verläuft. Ein solchen Funken nennt man einen Luft-Gleitfunken.

Zur Verbesserung der Standfestigkeit ist der Edelmetallstab, der hier aus Platin hergestellt ist, in seinem Durchmesser vergrößert. Der Durchmesser liegt beispielsweise im Bereich von 0,3 bis 1.5 mm.

Zur zusätzlichen Verringerung der Erosion bei der Entladung der Zündkerzenkapazität ist der Kontaktstift 16 in seinem Durchmesser verringert. Der Durchmesser des Kontaktstiftes 16 liegt vorzugsweise im Bereich von 0,3 bis 1,5 mm.

Obwohl in der Zeichnung nur zwei Masseelektroden 19 dargestellt sind, liegt es im Rahmen dieser Erfindung, auch mehr als zwei, z. B. drei bzw. vier Masseelektroden vorzusehen.

Claims (6)

1. Zündkerze für eine Brennkraftmaschine mit einem zylindrischen Metallrohr, in welchem ein stabförmiger Innenleiter eingesetzt ist, der von einem Isolator umgeben ist und mit einem strombegrenzenden Widerstand im Stromkreis der Zündkerze, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (13) so angeordnet ist, daß er in Richtung auf die Funkenstrecke (20) der Zündkerze, maximal bis zur Funkenstrecke (20), vorgezogen ist und/oder daß der Durchmesser des Innenleiters (11, 16) kleiner oder gleich 2 mm ist.

2. Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (13) zusammen mit dem stabförmigen Innenleiter (11, 16) im Bereich des Isolatorfußes (27) angeordnet ist.

3. Zündkerze nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (13) aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff, insbesondere einer Glasschmelze mit einem Zusatz von elektrisch leitfähigen Partikeln, insbesondere Ruß- oder Graphitpartikeln, besteht.

4. Zündkerze nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (13) aus einem wärmeleitenden Trägermaterial, insbesondere Aluminiumnitrid (AlN) und einem in Dickschichttechnik aufgebrachten Widerstand besteht.

5. Zündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der stabförmige Innenleiter (11, 16) an der Brennraumseite in einem Edelmetallstab (17) endet, daß der Edelmetallstab (17) einen Durchmesser im Bereich von 0,3 bis 1,5 mm aufweist, daß mindestens zwei Masseelektroden (19) vorgesehen sind, und daß die Masseelektroden (19) zum Edelmetallstab (17) hin so abgebogen sind, daß ein Luftspalt zwischen Isolatoroberfläche und Masseelektrode (19) entsteht.

6. Zündkerze für eine Brennkraftmaschine mit einem zylindrischen Metallrohr, in welchem ein stabförmiger Innenleiter eingesetzt ist, der von einem Isolator umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens der Bereich des Innenleiters (11) der mit dem Zündfunken in Berührung kommt, mit einer Edelmetallschicht, insbesondere Pt-, Rh- Ir-Schicht überzogen ist und daß der Innenleiter (11) zumindest an dem der Edelmetallschicht (15) zugewandten Ende aus einem wärmeleitenden Material, insbesondere einem der Metall Cu, Ag, Au, W, Co, Mo, Ni, Cr oder Legierungen dieser Metalle oder aus einem wärmeleitfähigen keramischen Werkstoff, wie SiC, besteht.