Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft den Aufbau von Zündkerzen, die bei
Verbrennungsmotoren verwendet werden.
Stand der Technik
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Eines der Probleme von Verbrennungsmotoren ist das Erreichen des
richtigen Zeitpunktes der Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches, das in die
Verbrennungskammer oder -kammern geleitet wird, und daß der Funken
effektiv ist, um das Kraftstoff-Luft-Gemisch zu zünden. Wenn die
Zündung zu langsam oder uneffektiv ist, vergrößert sich der
Kraftstoffverbrauch und somit die Verschmutzung, und der Motorwirkungsgrad
verkleinert sich.
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Herkömmliche Zündkerzen bestehen aus einem zylindrischen,
keramischen Isolator, der in einem Stahlkörper eingeschlossen ist, so daß eine
gasdichte Vorrichtung gebildet ist. Eine Ende der Stahikörpervorrichtung
ist mit einem Gewinde versehen, um es zu ermöglichen, daß die
Zündkerze in den Motorblock eingesetzt werden kann. Eine zentrale Elektrode ist
axial in den keramischen Isolator eingesetzt. Ein Metallbolzen, der die
zentrale Elektrode innerhalb des Körpers des Isolators abdichtet, dient als
eine Hochspannungseingangsklemme. Eine Masse-Elektrode ist über der
zentralen Elektrode positioniert und elektrisch und mechanisch mit dem
Stahikörper gekoppelt. Sowohl die zentrale als auch die Masse-Elektrode
arbeiten in der Motorverbrennungskammer. Eine derartige Zündkerze
weist eine Funkenentladung an einer kleinen konzentrierten Oberfläche
der Elektrode auf, die eine Erosion der zentralen Elektrode hervorruft und
deshalb die Lebensdauer der Kerze verringert. Andere Zündkerzentypen
weisen mehrere Masse-Elektroden auf, beispielsweise zwei oder drei
Elektroden. Diese Elektroden sind an den Körper der Kerze geschweißt. Die
Enden der Elektroden sind in Richtung der zentralen Elektrode gebogen.
Die Masse-Elektrode kann auch als ein einziges Stuck gebildet sein, wobei
Kerzen die aktiven Teile darstellen. Jedoch weisen auch diese
Zündkerzentypen aufgrund von Verschleiß eine verringerte Lebensdauer auf und
sind auch schwierig und teuer herzustellen.
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Eine effektivere und schnellere Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches
und hernach ein verläßlicherer Motorbetrieb können durch Zündkerzen
erreicht werden, die eine Mehrfunken-Entladung aufweisen. Bei diesen
Zündkerzentypen gibt es im allgemeinen eine Anordnung von bis zu drei
ringförmigen Zusatzelektroden. Diese schaffen eine Anzahl
aufeinanderfolgende Funkenstrecken. Die Zusatzelektroden sind zwischen der zentralen
und der Masse-Elektrode um einen Endteil des keramischen Isolators
herum angeordnet. Dann können die speziell getrennten
Mehrfunken-Entladungen an dem Punkt der höchsten Konzentration des endzündbaren
Gemisches auftreten. Deshalb sind diese Kerzensorten in der Lage, sehr
schwache Gemische zu zünden und zu verbrennen. Eine Zündkerze von
diesem Typ ist in der US-Patentschrift 1 465 582 beschrieben. Die
zentrale Elektrode ist mit einer dachförmigen Metallabdeckung versehen. Die
Zusatzelektroden, die an dem kreisförmigen Querschnitt gebildete
Metallringe sind, sind elastisch in Nuten des keramischen Isolators eingepaßt.
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Der Rand der Zündkerze weist einen Steg auf, der in Richtung des
Isolators gebogen ist. Diese Zündkerze hat viele Nachteile. Während
Motorbetriebstests bei Temperaturen von 600ºC bis 700ºC verlieren die
ringförmigen Metallzusatzelektroden ihre mechanische Vorspannung. Wegen der
unzureichenden Wärmeabfuhr aus den ringförmigen Zusatzelektroden zu
dem keramischen Isolator überhitzen sich die ringförmigen
Zusatzelektroden, verschleißen schnell und können abbrennen, wenn sie überlastet
werden. Auch ist die dachförmige Abdeckung der zentralen Elektrode
dieses Zündkerzentyps während Motorbetriebstests überhitzt worden. Dies
ist der Fall, weil die Abdeckung unzureichend thermisch mit dem Isolator
gekoppelt ist. Der Querschnitt der Abdeckung ist für seine
Wärmeabsorptionsoberfläche ungeeignet. Die überhitzte Abdeckung und die überhitzten
ringförmigen Zusatzelektroden vergrößern deshalb das Risiko einer
Selbstzündung. Außerdem kann der Stahlsteg schmutzig werden und die
Funkenstrecke kurzschließen.
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Ein anderer Zündkerzentyp, der eine ringförmige Zusatzelektrode
verwendet, ist in dem UK-Patent Nr.2 094 833 beschrieben. Sowohl die zentrale
Elektrode als auch die Zusatzelektrode sind in den Zündkerzenkörper
eingebaut. Der Nachteil dieses Systems ist, daß es nicht möglich ist, das
Oberteil des keramischen Isolators (d.h. die Funkenstrecke) in die beste
Position innerhalb der Verbrennungskammer einzubauen. Aus obigen
Gründen hat sich die Anwendung dieser Zündkerzen in der Praxis nicht
verbreitet.
Zusammenfassung der Erfindung
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Die Anordnung der Zündkerze gemäß dieser Erfindung überwindet die
Nachteile des existierenden Standes der Technik deutlich. Die Zündkerze
umfaßt ein festes, elektrisch und thermisch leitendes Gehäuse mit einem
Verbindungsmittel, und in deren innerem Hohlraum ist ein gasdichter
keramischer Isolator mit einer zentralen Elektrode angeordnet, und eine
vorspringende Spitze des keramischen Isolators weist mindestens eine
ringförmige Zusatzelektrode auf, die an einem erweiterten Teil des
keramischen Isolators vorgesehen ist, der sich von dem Gehäuse erstreckt und
eine Funkenstrecke mit dem einen Ende des Gehäuses und/oder mit der
zentralen Elektrode bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Ränder der
zumindest einen ringförmigen Zusatzelektrode, die einer Funkenstrecke
zugewandt ist, dicker als ihr übriger Teil sind. Die Lebensdauer der
Zündkerze erhöht sich, weil Verschleiß an den Zusatzelektroden an den Stellen
minimiert ist, an denen die Entladung konzentriert ist.
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Weitere Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen offenbart.
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Die Ränder der ringförmigen Zusatzelektroden, die einer Funkenstrecke
zugewandt sind, können innere und äußere Wülste bilden, die sich
beispielsweise nach innen in eine Ausnehmung in dem Isolator hinein
erstrecken oder sich nach außen erstrecken können oder eine Kombination
von beidem bilden können.
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Die ringförmigen Zusatzelektroden weisen mindestens zwei Vorteile auf,
und zwar: ihre Ränder, die der Funkenstrecke zugewandt sind, sind derart
angeordnet, daß sie in die gleiche Richtung vorspringen, und diese
Anordnung gestattet einen gleichmäßigen Verschleiß der ringförmigen
Zusatzelektroden auf beiden Seiten der Funkenstrecke. Die ringförmigen
Zusatzelektroden sind aus Schichten gebildet, die in die Oberfläche eines
abgeschnittenen Konus hineingeformt sind, der dickere obere und untere
Umfangsränder aufweist, die sich an die verjüngende Spitze des zylindrischen
keramischen Isolators anpassen. Dies verbessert die Wärmedissipation
von der Spitze des keramischen Isolators und verbessert die gesamte
Temperaturverteilung.
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Der verdickte äußere Rand der ringförmigen Zusatzelektrode, die sich am
Oberteil der sich verjüngenden Spitze des zylindrischen keramischen
Isolators befindet, liegt benachbart zu dem nach außen vorspringenden Ende
der zentralen Elektrode. Der verdickte innere Rand der ringförmigen
Zusatzelektrode liegt benachbart zu dem inneren Rand des Gehäuses, der
am Ende seines zylindrischen Kopfes mittels einer inneren Ausnehmung
gebildet ist. Folglich sind mehrere Funkenstrecken vorgesehen, die
aufeinanderfolgend entlang der konischen Oberfläche des keramischen
Isolators angeordnet sind. Die Größe des Strecke zwischen
aufeinanderfolgenden, ringförmigen Zusatzelektroden kann schwanken, und deren
Breite kann sich von dem Spalt unterscheiden, der mit der zentralen und
der Masse-Elektrode gebildet ist. Die innere Ausnehmung der Ränder des
Metallkörpers ermöglicht, daß das Oberteil des keramischen Isolators im
Betrieb gereinigt und gekühlt wird.
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Die Dicke des übrigen Teils der ringförmigen Zusatzelektrode beträgt 0,1
bis 1,5 mm, während die Ränder, die der Funkenstrecke zugewandt sind,
sich über 0,2 mm erstrecken. Die übliche Dicke von ringförmigen
Zusatzelektroden
beträgt 0,2 mm. Diese Abmessungen garantieren eine
minimale Wärmeträgheit und -anpassung in einer Linie mit Änderungen des
Motorbetriebsmodus. Die ringförmigen Zusatzelektroden sind aus
Titannitrid (TiN) gebildet, und das Gehäuse besteht aus Stahl. Weil das
Wärmeausdehnungsvermögen des keramischen Isolators und der
ringförmigen Zusatzelektroden ähnlich sein muß (innerhalb eines Bereiches von
± 15 % bis ± 20 %) wird TiN verwendet, das ein Material ist, das diese
Bedingung erfüllt.
Zeichnungskurzbeschreibung
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Die Erfindung wird nun ausführlich unter Bezugnahme auf die
begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
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Fig. 1 eine Schnittansicht einer Zündkerze nach dem Stand der
Technik zeigt, die eine ringförmige Zusatzelektrode in der
Form von geteilten flexiblen Metallringen umfaßt,
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Fig. 2 die Grundanordnung der Mehrfunken-Zündkerze gemäß der
Ausführungsform der Erfindung zeigt und
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Fig. 3 - 5 verschiedene Anordnungen der ringförmigen Zusatzelektroden
mit verdickten Rändern gemäß der vorliegenden Erfindung
zeigen.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Die Zündkerze umfaßt ein Stahlaußengehäuse 1, von dem ein Ende für
den Einbau in den Motorblock mit einem Gewinde versehen ist, und
enthält einen keramischen Isolator 2, der axial in den Hohlraum des
Außengehäuses 1 gesetzt ist. Die innere Öffnung des Gehäuses 1 weist eine
Anzahl von mit Ausnehmungen versehenen Bereichen auf. Der keramische
Isolator 2 liegt auf einem Metallring 3, der aus Stahl oder Kupfer
hergestellt ist.
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Der Ring sorgt lür einen guten Kontakt zwischen dem Außengehäuse 1
und dem Isolator 2. Dies führt dazu, daß die Zündkerze gasdicht ist, und
schafft eine gute Wärmeleitung von dem Isolator 2 zu dem Außengehäuse
1 und zu dem Motorblock. Der Hohlraum des Außengehäuses 1 weist in
dem Gewindeteil des Gehäuses 1 entlang der Umrandung der inneren
zylindrischen Fläche des Außengehäuses 1 einen Spalt auf. Der Hohlraum
des Außengehäuses 1 weist in seinem Gewindeteil 1 eine Ausnehmung
auf.
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Das Gehäuse 1 weist an dem Ende seines Gewindeteils 1 eine innere
Ausnehmung auf. Der keramische Isolator 2 ist für die Abmessungen der
Ausnehmung des Gehäuses 1 bemessen, so daß die
Abmessungstoleranzen dieser Teile es ermöglichen, daß diese mit einem festgelegten
Zwischenraum zusammengebaut werden können. Der keramische Isolator 2
umfaßt einen axial inneren Hohlraum entlang seiner Länge. Dieser
Hohlraum weist mehrere Ausnehmungen auf. Eine zentrale Elektrode 9 ist in
dem Hohlraum des Isolators 2 angeordnet. Diese zentrale Elektrode 9 ist
mittels einer leitfähigen Dichtung 10 mit einem Stahlbolzen 11 verbunden,
der als eine Hochspannungseingangsklemme dient. Die Dichtung 10, die
Kupfer oder Blei enthält, sorgt für eine gasdichte Abdichtung zwischen
dem Stahlbolzen 11 und der zentralen Elektrode 9.
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Dies dient dazu, die Motorverbrennungskammer von der Außenumgebung
zu trennen. Zusätzlich dazu stellt die Dichtung 10 eine elektrische
Verbindung zwischen dem Stahlbolzen 11 und der zentralen Elektrode 9 her.
Der Teil des zylindrischen keramischen Isolators 2 der sich über das
Gehäuse 1 hinaus erstreckt, verjüngt sich nach innen in Richtung des
äußeren Endes der zentralen Elektrode 9. Von der Position des Rings 3 aus in
Richtung des Hochspannungseingangs nimmt der Durchmesser des
Isolators 2 allmählich zu, wobei er eine Spitze bildet, die wie ein
abgeschnittener Konus geformt ist.
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Es sind zwei ringförmige Zusatzelektroden 4 und 5 an der konusförmigen
Spitze der keramischen Isolators 2 vorgesehen. Diese ringförmigen
Elektroden sind so angeordnet, daß sie einen ersten Funkenspalt oder
Funkenstrecke 6 mit dem oberen Ende des Gehäuses 1 und eine zweite
Funkenstrecke 8 mit der zentralen Elektrode 9 bilden. Eine weitere
Funkenstrecke 7 ist zwischen den beiden Zusatzelektroden 4 und 5 gebildet. Die
Länge der ersten Funkenstrecke 6 beträgt 0,4 mm bis 1,5 mm.
Vorzugsweise liegt sie im Bereich von 0,6 mm - 0,8 mm. Ahnlich beträgt die Länge
der anderen Funkenstrecken 7 und 8 0 6 mm - 0,8 mm.
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Die ringförmigen Zusatzelektroden 4 und 5 sind aus TiN-Schichten
hergestellt, die in der allgemeinen Form eines Toroids gebildet sind, der dickere
obere und untere Umfangsränder aufweist, und der sich an die Form der
Spitze des Isolators 2 anpaßt, d.h., der Innendurchmesser des Toroids an
dem oberen Umfangsrand ist kleiner als der Innendurchmesser des
Toroids an dem unteren Umfangsrand. Die Zusatzelektroden 4 und 5 bilden
einen Kontakt mit dem keramischen Isolator 2 und weil sie aus
Titannitrid (TiN) hergestellt sind, dessen Wärmeausdehnungsvermögen ähnlich
demjenigen des keramischen Isolators 2 ist, bleiben sie in gutem Kontakt
mit dem Isolator 2. Die TiN-Schichten sind durch Plasmatechnologie auf
dem Isolator 2 abgelagert, die es ermöglicht, daß das TiN allmählich in
Schichten molekularer Dicke abgelagert wird. Dieses Verfahren sorgt für
eine ausgezeichnete Anhaftung und eine gute Wärmeübertragung zu dem
Gehäuse 1 und zu dem Motorblock. Die Dicke der ringförmigen
Zusatzelektroden 4 und 5 beträgt näherungsweise 0,2 mm, was eine mirümale
Wärmeträgheit, eine gründliche Wärmeübertragung und Anpassung an
Änderungen des Motorbetriebsmodus garantiert.
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Die Größe der Funkenstrecke 7 zwischen den ringförmigen
Zusatzelektroden 4 und 5 kann verändert werden, indem die Breite zwischen diesen
verändert wird. Die ringförmigen Zusatzelektroden 4 und 5 weisen eine
Breite auf, die frei verändert werden kann und nur durch die Tiefe des
Verbrennungsbereiches begrenzt ist. Die Größe der zweiten Funkenstrecke
8 die zwischen der zentralen Elektrode 9 und der oberen ringförmigen
Zusatzelektrode 4 angeordnet ist, hängt von dem Verjüngungsformgrad
der Isolatorspitze ab. Der Funken kann dann an der geeignetsten Stelle in
dem Verbrennungsbereich angeordnet werden, indem die
Formdimensionen der Isolatorspitze verändert werden.
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Während des Testbetriebes werden die ringförmigen Zusatzelektroden 4
und 5 allmählich aufgrund elektrischer Entladung erodiert. Um ihre
Lebensdauer auszudehnen, sind ihre Umfangsränder, die den
Funkenstrekken
6, Z und 8 zugewandt sind, verdickt. Ein Ende des inneren Randes
des Zündkerzengehäuses 1, das durch die innere Ausnehmung geschaffen
ist, befindet sich dicht bei dem inneren, verdickten Rand der unteren
ringförmigen Zusatzelektrode 5. Das nach außen vorspringende Ende der
zentralen Elektroden 9 befindet sich dicht bei dem äußeren verdickten
Rand der oberen ringförmigen Zusatzelektrode 4. Die Ränder 12 der
ringförmigen Elektroden 4 und 5 können entweder an dem inneren Wulst, d.h.
in den Isolator hinein ausgenommen, oder an dem äußeren Wulst, der
nach außen weist, verdickt sein. Die Anordnung des Randwulstes 12 ist
derart, daß die Wülste 12 in der gleichen Richtung angeordnet sind, so
daß die Erosion der ringförmigen Elektroden aufgrund elektrischer
Entladungen folglich auf beiden Seiten der geeigneten Funkenstrecke
gleichmaßig ist. Die Dicke der Wülste 12 beträgt näherungsweise 0,2 mm,
obwohl sie natürlich dünner oder dicker sein können. Im allgemeinen
beträgt deshalb die Gesamtdicke der verdickten Ränder der Zusatzelektrode
4 oder 5 näherungsweise 0,4 mm. Eine zu dünne Schicht erodiert
aufgrund elektrischer Entladung und chemischer Reaktionen bei hohen
Temperaturen usw. schnell, und eine zu dicke Schicht wäre schwierig und
zeitraubend herzustellen.
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Die Zündkerze gemäß dieser Erfindung ist zur Verwendung bei
Verbrennungsmotoren vorgesehen.