DE1147801B

DE1147801B - Electric ignition device, in particular spark plug for internal combustion engines

Info

Publication number: DE1147801B
Application number: DEB41937A
Authority: DE
Inventors: Tullio Tognola
Original assignee: Bendix Corp
Current assignee: Bendix Corp
Priority date: 1955-09-30
Filing date: 1956-09-29
Publication date: 1963-04-25
Also published as: US2870376A

Description

Elektrische Zündvorrichtung, insbesondere Zündkerze für Brennkraftmaschinen Die Erfindung betrifft eine elektrische Zündvorrichtung, insbesondere eine Zündkerze für Brennkraftmaschinen mit zwei Hauptelektroden und einer Zwischenelektrode.Electric ignition device, in particular spark plugs for internal combustion engines The invention relates to an electrical ignition device, in particular a spark plug for internal combustion engines with two main electrodes and one intermediate electrode.

Es ist eine Dreielektrodenzündkerze bekannt, bei der eine stabförmige, mit einem Bund versehene Mittelelektrode, eine zylindrische Außenelektrode sowie eine in axialem Abstand zwischen diesen beiden Elektroden koaxial angeordnete Zwischenelektrode vorgesehen sind. Die Zwischenelektrode ist an keine Stromquelle angeschlossen und dient lediglich als den Strom leitende Brücke, die es ermöglicht, an Stelle des zwischen den Hauptelektroden überspringenden Funkens zwei kürzere Funken zu bilden. Damit soll erreicht werden, daß bei verschieden hoher Kompression der zu zündenden Gase der Funkenüberschlag aufrechterhalten bleibt.A three-electrode spark plug is known in which a rod-shaped, with a collar provided center electrode, a cylindrical outer electrode and an intermediate electrode arranged coaxially at an axial distance between these two electrodes are provided. The intermediate electrode is not connected to any power source and serves only as a bridge that conducts electricity, which makes it possible to replace the to form two shorter sparks between the main electrodes. This is intended to ensure that the one to be ignited at different levels of compression Gases the arcing is maintained.

Ferner ist eine Zündkerze mit drei Elektroden bekannt, bei der die ringförmig ausgebildeten Elektroden konzentrisch angeordnet sind. Die Zwischenelektrode ist dabei unmittelbar an den einen Pol einer Stromquelle angeschlossen, an dem auch eine der Hauptelektroden liegt. Die Elektroden sind in einer gemeinsamen Ebene angeordnet und durch Ringe aus nicht- oder halbleitendem Material getrennt. Bei Verwendung von Trennringen aus Halbleitermaterial konzentriert sich der durch dieses Material fließende Strom auf der Oberfläche desselben, so daß der Überschlag in Form sogenannter Gleitfunken erfolgt. Bei dieser Zündkerze ist es erforderlich, daß die Elektroden an der wirksamen Oberfläche der Zündkerze nahe beisammen liegen, da längere Überschlag- bzw. Gleitfunkenstrecken durch die üblicherweise verwendeten Spannungen nicht überbrückt werden können.Furthermore, a spark plug with three electrodes is known in which the annular electrodes are arranged concentrically. The intermediate electrode is directly connected to one pole of a power source, which is also connected to it one of the main electrodes is located. The electrodes are arranged in a common plane and separated by rings made of non-conductive or semiconductive material. Using of separating rings made of semiconductor material is concentrated through this material flowing current on the surface of the same, so that the flashover in the form of so-called Sliding spark occurs. This spark plug requires that the electrodes are close to each other on the effective surface of the spark plug, as longer rollover or sliding spark gaps are not bridged by the voltages usually used can be.

Schließlich ist eine Dreielektrodenzündkerze bekannt, bei der die Hauptelektroden einander gegenüberliegen und die nadelartig ausgebildete Zwischenelektrode in unmittelbarer Nähe der einen Hauptelektrode derart angeordnet ist, daß kein Überschlag zur entfernteren Hauptelektrode stattfinden kann. Die Zwischenelektrode ist über einen Widerstand mit der von ihr entfernteren Hauptelektrode leitend verbunden, wodurch die Durchschlagspannung der Zündkerze stets konstant bleiben soll. Diese Zündkerze hat jedoch den Nachteil, daß die nadelartige Zwischenelektrode, um einen Durchschlag zur entfernteren Hauptelektrode zu vermeiden, zu einer Verkleinerung einer der wirksamen Hauptelektrodenflächen zwingt.Finally, a three-electrode spark plug is known in which the Main electrodes are opposite each other and the needle-like intermediate electrode is arranged in the immediate vicinity of one main electrode in such a way that no flashover can take place to the more distant main electrode. The intermediate electrode is over a resistor is conductively connected to the main electrode further away from it, whereby the breakdown voltage of the spark plug should always remain constant. These However, spark plug has the disadvantage that the needle-like intermediate electrode to a To avoid breakdown to the more distant main electrode, to a reduction in size one of the effective main electrode surfaces forces.

Die Erfindung hat zur Aufgabe, Zündeinrichtungen mit Zwischenelektrode, insbesondere Zündkerzen, in der Weise zu verbessern, daß Funken beträchtlich größerer Länge und Stärke als bisher erzielt werden. Demgemäß ist nach der Erfindung eine bekannte Zündeinrichtung mit einer an den einen Pol einer elektrischen Stromquelle angeschlossenen stäbförmigen Mittelelektrode, einer von dieser durch einen Isolierkörper getrennten, mit dem anderen Pol der elektrischen Stromquelle verbundenen zylindrischen Außenelektrode sowie einer zwischen diesen beiden Elektroden koaxial angeordneten ringförmigen Zwischenelektrode derart weiter ausgebildet, daß die Außenelektrode becherförmig gestaltet ist und in ihrem Boden eine mit der Stirnfläche der Mittelelektrode übereinstimmende kreisrunde Öffnung aufweist und daß innerhalb des Isolierkörpers ein zylindrischer Hohlraum vorgesehen ist, der einerseits von der Stirnfläche der Mittelelektrode und andererseits von der Öffnung im Boden der Außenelektrode begrenzt wird und dessen Mantel durch die Innenflächen zweier Isolierringe sowie der dazwischen angeordneten Zwischenelektrode gebildet wird, wobei letztere mit dem einen Pol der elektrischen Stromquelle über einen Widerstand von 5000 bis 100 000 Ohm verbunden ist.The object of the invention is to provide ignition devices with an intermediate electrode, especially spark plugs, improve in such a way that sparks are considerably larger Length and strength can be achieved than before. Accordingly, according to the invention is a known ignition device with one to one pole of an electrical power source connected rod-shaped center electrode, one of these through an insulating body separate cylindrical connected to the other pole of the electrical power source Outer electrode and one coaxially arranged between these two electrodes annular intermediate electrode further developed in such a way that the outer electrode Is designed cup-shaped and in its bottom one with the end face of the center electrode has matching circular opening and that within the insulating body a cylindrical cavity is provided on the one hand from the end face of the Center electrode and on the other hand limited by the opening in the bottom of the outer electrode and its jacket through the inner surfaces of two insulating rings and the one in between arranged intermediate electrode is formed, the latter with one pole of the electrical power source connected through a resistor of 5000 to 100,000 ohms is.

Vorzugsweise ist der Widerstand mit demjenigen Pol der elektrischen Stromquelle verbunden, an den die an Masse gelegte Außenelektrode angeschlossen ist.The resistance with that pole is preferably the electrical one Connected power source to which the grounded external electrode is connected is.

Nach einer besonders zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung weist die Mittelelektrode in der Nähe ihrer Stirnfläche in an sich bekannter Weise einen Bund auf. Der Außendurchmesser dieses Bundes ist dabei gleich dem Außendurchmesser der Isolierringe und der Zwischenelektrode.According to a particularly expedient development of the invention, has the center electrode in the vicinity of its end face in a manner known per se Federation on. The outside diameter of this collar is equal to the outside diameter of the Insulating rings and the intermediate electrode.

Vorteilhafterweise kann die Innenfläche mindestens eines der beiden Isolierringe in an sich bekannter Weise mit einer Schicht aus halbleitendem. Material überzogen werden.Advantageously, the inner surface can be at least one of the two Insulating rings in a manner known per se with a layer of semiconducting. material be coated.

Die erfindungsgemäße Zündemriehtung weist den wesentlichen Vorteil auf; daß im Gegensatz zu den bekannten Zündeinrichtungen sämtliche Elektroden innerhalb eines zylindrischen Hohlraumes liegen bzw. die Begrenzungswände eines als Zündkammer dienenden Hohlraumes bilden. Dadurch wird das im Hohlraum befindliche Gas äußerst stark isonisiert, so daß der überschlagswiderstand sinkt und der Funkenübertritt wesentlich erleichtert ist. Damit ist es möglich, bei gleicher Spannung der Stromquelle einen längeren und energiereicheren Funken zu erzielen und die Hauptelektroden in. beträchtlich größerem Abstand voneinander anzuordnen als bei bekannten Zündeinrichtungen. Dies wird zusätzlich noch durch den Anschluß der Zwischenelektrode über einen hohen Widerstand an einen Pol der Stromquelle bzw. an Erde unterstützt, da damit eine Vergrößerung des Abstandes zwischen den Hauptelektroden und der Zwischenelektrode möglich ist, wodurch die zur Bildung des Hauptfunkens erforderliche Ionisierung des Zündkammergases beschleunigt wird. Da der Hohlraum nur eine Öffnung aufweist, die sich im Boden der becherförmigen Außenelektrode befindet, sucht das in, der Zündkammer erhitzte Gas aus dieser Öffnung zu entweichen, und die Bewegung der Gaspartikeln in Richtung zum Boden der Außenelektrode hin verursacht eine weitere Zündfunkenverl"ängerung. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung und Anordnung der Elektroden wird außerdem sichergestellt, daß die Zwischenelektrode keinen schattenbildenden Einfluß auf den Zündweg ausübt.The ignition device according to the invention has the essential advantage on; that, in contrast to the known ignition devices, all electrodes are inside a cylindrical cavity or the boundary walls as an ignition chamber Form serving cavity. As a result, the gas in the cavity becomes extreme strongly isonized, so that the flashover resistance drops and the spark crosses over is much easier. This makes it possible for the power source to have the same voltage to achieve a longer and more energetic spark and the main electrodes in. to be arranged at a considerably greater distance from one another than with known ignition devices. This is additionally made possible by the connection of the intermediate electrode via a high Resistance to one pole of the power source or to earth supported, as it is a Increasing the distance between the main electrodes and the intermediate electrode is possible, thereby providing the ionization required to form the main spark of the ignition chamber gas is accelerated. Since the cavity has only one opening, which is located in the bottom of the cup-shaped outer electrode, is looking for that in, the Ignition chamber heated gas to escape from this opening, and the movement of gas particles in the direction of the bottom of the outer electrode causes a further spark prolongation. The inventive design and arrangement of the electrodes is also ensures that the intermediate electrode has no shadowing influence on the Zündweg exercises.

Diese Vorteile der Erfindung werden mit einer Zündvorrichtung erreicht, die einfach im Aufbau und damit preisgünstig herzustellen ist. Insbesondere ist die Zund'einrichtung nach der Erfindung für Gasturbinen und Düsentriebwerke für Flugzeuge bestimmt, bei denen Größe und Gewicht jedes Einzelteils von wesentlicher Bedeutung sind und Funkenübergänge hoher Energie in großen Höhen gefordert werden.These advantages of the invention are achieved with an ignition device, which is simple in structure and therefore inexpensive to manufacture. In particular is the Zund'einrichtung according to the invention for gas turbines and jet engines for Aircraft are determined where the size and weight of each item are essential Are important and high energy spark transitions are required at great heights.

In der Zeichnung ist im Längsschnitt eine Ausführungsform der Erfindung beispielsweise dargestellt. Nach der Zeichnung weist die erfindungsgemäße Zündkerze eine becherförmige Außenelektrode 10 mit einem Becherboden 11 auf, in der ein Isolierkörper 12 angeordnet ist. Der Isolierkörper 12 ist mit einer Mittelbohrung 16 versehen, die bei 14 erweitert ist. In der Bohrung 16 steckt eine Mittelelektrode 17 mit einem der erweiterten Bohrung 14 angepaßten Bund 18. Im Boden 11 der Außenelektrode 10 befindet sich eine kreisrunde Öffnung 15, deren Fläche mit der elektrisch aktiven Stirnfläche 22 der Mittelelektrode 17 übereinstimmt. Auf diese Weise wird ein einseitig offener Hohlraum zylindrischer Gestalt gebildet, dessen Mantel durch die Innenflächen zweier Isolierringe 19 und 21 .sowie einer dazwischen angeordneten ringförmigen Zwischenelektrode 20 gebildet wird. Die Außendurchmesser der Ringe 19, 20 und 21 entsprechen, dem Außendurchmesser des Bundes 18 bzw. denn, Innendurchmesser der erweiterten Isolierkörperbohrung 14. Der Zusammenhalt der Zündkerze wird durch einen in die Außenelektrode 10 eingepaßten Ring 24, der eingeschraubt oder eingelötet sein kann, gewährleistet.In the drawing, an embodiment of the invention is shown, for example, in longitudinal section. According to the drawing, the spark plug according to the invention has a cup-shaped outer electrode 10 with a cup base 11 in which an insulating body 12 is arranged. The insulating body 12 is provided with a central bore 16 which is enlarged at 14. A central electrode 17 with a collar 18 adapted to the enlarged bore 14 is inserted in the bore 16. In this way, a cavity of cylindrical shape, open on one side, is formed, the jacket of which is formed by the inner surfaces of two insulating rings 19 and 21, as well as an annular intermediate electrode 20 arranged between them. The outer diameters of the rings 19, 20 and 21 correspond to the outer diameter of the collar 18 and the inner diameter of the expanded insulating body bore 14. The cohesion of the spark plug is ensured by a ring 24 fitted into the outer electrode 10, which can be screwed or soldered.

Die Elektroden 10 und 17 sind direkt mit einer nicht gezeichneten elektrischen Stromquelle, beispielsweiseeinem Kondensatorentladungskreis, verbunden, während die Zwischenelektrode 20 über einen hohen Widerstand 23 von etwa 5000 bis 100 000 Ohm geerdet oder an den Stromquellenpol der Außenelektrode 10, der ebenfalls geerdet sein kann, angeschlossen ist.The electrodes 10 and 17 are directly connected to a not shown electrical power source, for example a capacitor discharge circuit, while the intermediate electrode 20 has a high resistance 23 of about 5000 to 100,000 ohms grounded or to the power source pole of the outer electrode 10, which is also can be grounded, is connected.

Der Funkenüberschlag zwischen den Elektroden l.0 und 17 wird durch einen Hilfsüberschlag von der Elektrode 17 zur Zwischenelektrode 20 eingeleitet. Der Hilfsüberschlag verursacht eine starke Ionisierung des im Hohlraum befindlichen Gases, und gleichzeitig wird die Zwischenelektrode auf etwa das Potential der Mittelelektrode 17 aufgeladen, so daß ein Hauptüberschlag von der Mittelelektrode 17 direkt zur Außenelektrode 10 erfolgt. Infolge der starken Ionisierung im Hohlraum durch den Hilfsüberschlag kann der Abstand zwischen. den wirksamen Entladungsflächen der beiden Hauptelektroden 10 und 17, d. h. zwischen der Stirnfläche 22 und dem Becherboden 11, relativ groß gewählt werden, und zwar unter Voraussetzung gleicher Betriebsspannung beträchtlich größer als bei den bekannten Dreielektrodenzündkerzan.The sparkover between the electrodes 1.0 and 17 is through an auxiliary flashover is initiated from the electrode 17 to the intermediate electrode 20. The auxiliary flashover causes a strong ionization of what is in the cavity Gas, and at the same time the intermediate electrode is at about the potential of the center electrode 17 charged, so that a main flashover from the center electrode 17 directly to the Outer electrode 10 takes place. As a result of the strong ionization in the cavity by the Auxiliary rollover can be the distance between. the effective discharge areas of the two Main electrodes 10 and 17, i. H. between the end face 22 and the cup base 11, can be chosen to be relatively large, provided that the operating voltage is the same considerably larger than the known three-electrode spark plugs.

Der Widerstand 23 dient dem Zweck, nach erfolgtem Hauptüberschlag die Ladung der Zwischenelektrode 20 abzuleiten, so daß die dann wiederum ihr ursprüngliches Potential, im allgemeinen Nullpotential aufweisende Zwischenelektrode für den nächsten Zündvorgang bereit ist. Zum Ableiten der Zwischenelektrodenladung kann der Widerstand 23 geerdet oder mit dem Stromquellenpol der Außenelektrode verbunden sein.The resistor 23 serves the purpose after the main flashover has taken place to derive the charge of the intermediate electrode 20, so that the then in turn their original Potential, generally zero potential intermediate electrode for the next Ignition process is ready. The resistor 23 be earthed or connected to the power source pole of the outer electrode.

Die Größe des Widerstands 23, die im allgemeinen zwischen 5000 und 100 000 Ohm liegt, hängt von den elektrischen Größen des Zündkreises ab, insbesondere von der Größe des Ladekondensators. Je größer der Kondensator ist, um so kleiner ist der Widerstand zu wählen.The size of the resistor 23, which is generally between 5000 and 100,000 ohms depends on the electrical parameters of the ignition circuit, in particular on the size of the charging capacitor. The larger the capacitor, the smaller is the resistance to choose.

Der Hauptdurchschlag der Zündeinrichtung nach der Erfindung vermag einen Widerstand zu überwinden, der kleiner ist als derjenige des Widerstands 23, aber größer ist als derjenige der Funkenstrecke zwischen den Hauptelektroden 10 und 17 bzw. diesem entspricht. Der Widerstand 23 muß somit lediglich groß genug sein, um einen Funkenüberschlag hervorzurufen, d. h., er soll nur geringfügig über den Widerstand der Funkenstrecke liegen, so daß durch den Widerstand 23 nur eine minimale Energievernichtung hervorgerufen wird.The main breakdown of the ignition device according to the invention is able to overcome a resistance which is smaller than that of the resistor 23, but is greater than that of the spark gap between the main electrodes 10 and 17 or corresponds to this. The resistor 23 must therefore only be large enough to cause a sparkover, that is, it should be only slightly above the resistance of the spark gap, so that the resistor 23 only causes minimal energy dissipation.

Die starke Vorionisierung des Hohlrauminneren durch den Hilfsüberschlag ergibt für die eigentliche Entladung einen längeren und energiereicheren Funken, als er mit den bekannten Zündeinrichtungen mit oder ohne Zwischenelektrode erreichbar ist. Die Verlängerung des Funkens wird außerdem nach durch den Umstand begünstigt, daß d'ie Expansionsmöglichkeit des im Hohlraum befindlichen Gases auf die Öffnung im Außenelektrodenboden 11 beschränkt ist, so daß die durch die Hilfsentladung stark erhitzten Gaspartikeln sich als Ionenstrahl in Richtung des gewünschten Überschlags bewegen und damit auf dem Hauptfunken eine Art von »Mitnahmewirkung« ausüben. Von wesentlicher Bedeutung ist ferner, daß die Zwischenelektrode 20 nicht in den Überschlagsweg des Hauptfunkens eintaucht und damit eine elektrische Abschattung der Außenelektrode vermieden wird.The strong pre-ionization of the interior of the cavity by the auxiliary flashover results in a longer and more energetic spark for the actual discharge, than can be achieved with the known ignition devices with or without an intermediate electrode is. The extension of the spark is also favored by the fact that d'ie possibility of expansion of the gas located in the cavity on the opening is limited in the outer electrode bottom 11, so that the by the auxiliary discharge is strong heated gas particles move as an ion beam in the direction of the desired rollover move and thus exert a kind of "dragging effect" on the main spark. from It is also essential that the intermediate electrode 20 does not enter the rollover path of Main spark is immersed and thus an electrical shadowing of the outer electrode is avoided.

Um eine Zündung der Zündeinrichtung bei relativ niedriger Spannung auszulösen, können die Zwischenringe 19 und 21 oder zumindest einer davon einen halbleitenden Überzug aufweisen. Die Funken verlaufen dann in an sich bekannter Weise entlang der Oberfläche der Halbleiterringe als sogenannte Gleitfunken.To ignite the ignition device at a relatively low voltage to trigger, the intermediate rings 19 and 21 or at least one of them can have semiconducting coating. The sparks then run in a more familiar manner Way along the surface of the semiconductor rings as so-called sliding sparks.

Für besondere Zwecke können die Innendurchmesser der Isolierringe 19 und 21 etwas größer als die entsprechenden Durchmesser der Stirnfläche 22 der Mittelelektrode 17 und der Öffnung 15 der Außenelektrode 10 gewählt werden. Auch können die [solierringe einstückig mit dem Isolierkörper 12 ausgebildet 'sein.For special purposes, the inner diameter of the insulating rings 19 and 21 slightly larger than the corresponding diameter of the end face 22 of the Center electrode 17 and the opening 15 of the outer electrode 10 can be selected. Even the insulating rings can be designed in one piece with the insulating body 12.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Electric ignition device, especially spark plug for internal combustion engines, with one on one pole of an electrical power source connected rod-shaped center electrode, one of these through an insulating body separate cylindrical connected to the other pole of the electrical power source Outer electrode as well as one coaxially arranged between these two electrodes, annular intermediate electrode, characterized in that the outer electrode (10) is cup-shaped and in its bottom (11) one with the end face (22) the central electrode (17) has matching circular opening (15) and that a cylindrical cavity is provided within the insulating body (12), which on the one hand from the end face (22) of the center electrode (17) and on the other hand from the opening (15) in the bottom (11) of the outer electrode (10) is limited and its Jacket through the inner surfaces of two insulating rings (19, 21) and the one in between arranged intermediate electrode (20) is formed, the latter with the one Pole of the electrical power source through a resistor (23) from 5000 to 100,000 Ohm is connected.

2. Electrical ignition device according to claim 1, characterized in that that the resistor (23) is connected to that pole of the electrical power source is to which the grounded outer electrode (10) is connected.

3. Electric Ignition device according to Claim 1 or 2, characterized in that the center electrode (17) in the vicinity of its end face (22) in a known manner a collar (18) and that the outer diameter of this collar is equal to the outer diameter the insulating rings (19, 21) and the intermediate electrode (20).

4. Electrical ignition device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the inner surface of at least one of the two insulating rings (19; 21) in a manner known per se. is covered with a layer of semiconducting material. Considered publications: German Patent Nos. 149 201, 238 795, 258 212, 469 221, 648 808, 846 485, 890 282, 926 824; Austrian Patent No. 73 227; Swiss patents No. 187 506, 302 680; French Patent No. 582951; U.S. Patent No. 2,483,357.