DE19833316A1

DE19833316A1 - Zündkerze für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE19833316A1
Application number: DE19833316A
Authority: DE
Inventors: Werner Herden; Rudolf Pollner; Thomas Brinz; Ulrich Eisele; Andreas Niegel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1998-07-24
Filing date: 1998-07-24
Publication date: 2000-01-27
Also published as: US6559578B1; JP2002521619A; EP1053579A1; WO2000007270A1

Abstract

Es wird eine Zündkerze mit einem rohrförmigen metallischen Gehäuse vorgeschlagen, die eine Innenleiteranordnung aufweist, welcher einen tempraturfesten Abbrandwiderstand erhält, wobei dieser temperaturfeste Abbrandwiderstand entweder als gewickelter Drahtwiderstand oder als gewendelter Dünnschichtwiderstand ausgebildet ist.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Zündkerze wie sie bereits aus der DE 196 23 989 A1 bekannt ist. Hier wird eine Zündkerze beschrieben, die ein rohrförmiges metallisches Gehäuse aufweist, in welchem ein Isolator eingebettet ist, in dem eine stabförmige Innenleiteranordnung angeordnet ist. Die hier gezeigte und beschriebene Innenleiteranordnung besteht aus einem Anschlußbolzen, einem strombegrenzenden Widerstand, einem beschichteten Kontaktstift und einer nagelförmigen Platinmittelelektrode. Der Abbrandwiderstand besteht aus einem leitfähigen Material, welches in der Regel als Vergußmasse in den Isolator eingebracht ist. Am Gehäuse sind weiterhin mindestens zwei vorzugsweise vier Masseelektroden befestigt, die zur Mittelelektrode hin abgebogen sind.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Zündkerze hat gegenüber den bekannten Zündkerzen den Vorteil, daß durch die Veränderung des Abbrandwiderstandes in der Art, daß auf einem isolierenden Keramikträger elektrisch leitende Wicklungen den Abbrandwiderstand bilden, die Zylinderkapazität verringert wird. Bei einer geringeren Zylinderkapazität wird die Gefahr für Eingrabungen in den Isolator verringert, da durch die Verringerung der Zündkerzenkapazität die Energieumsetzung im Moment der Durchbruchphase des Funkens herabgesetzt.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind weitere vorteilhafte Ausführungen der erfindungsgemäßen Zündkerze möglich.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 das brennraumseitige Ende der erfindungsgemäßen Zündkerze mit Widerstandspaket in geschnittener Darstellung, Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der brennraumseitigen Zündkerze in geschnittener Darstellung, Fig. 3 den gewickelten Drahtwiderstand, Fig. 4 einen gewendelten Dünnschichtwiderstand und Fig. 5 den Abbrandwiderstand in Planartechnik hergestellt.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Der prinzipielle Aufbau einer Zündkerze ist bereits aus der DE 196 23 989 oder beispielsweise aus der DE-OS 44 31 143 hinreichend bekannt, so daß dieser hier nicht nochmals erläutert werden soll.

Die Fig. 1 zeigt das brennraumseitige Ende eines ersten Ausführungsbeispiels mit verbesserter Zündkerzenkapazität. In einem metallischen rohrförmigen Gehäuse 10 ist ein Isolator 11 angeordnet, wobei die rotationssymetrischen Achsen des Gehäuses 10 und des Isolators 11 deckungsgleich liegen. In den Isolator 11 sind ein Kontaktbolzen 12, ein Abbrandwiderstand 13, ein leitfähiges Kontaktpanat 14 und eine Mittelelektrode 15 eingebettet. Der Abbrandwiderstand 13 ist ein hochtemperaturfester Widerstand, dessen Aufbau der Fig. 3 zu entnehmen ist. Die Mittelelektrode wird hier von einem Platin-Stift gebildet, der durch seine kleine Stirnfläche relativ wenig Wärme aus dem Brennraum aufnimmt. Dies hat zur Folge, daß über die Innenleiteranordnung keine nennenswerten Wärmemengen abzuführen sind, so daß bei diesem Kerzentyp der gut wärmeleitende metallische Kontaktstift durch einen schlecht wärmeleitenden vorgezogenen Abbrandwiderstand ersetzt werden kann.

Fig. 3 zeigt den temperaturfesten Widerstand als gewickelten Drahtwiderstand 30, wobei auf einem Keramikträger 31, der im wesentlichen zylindrische Form aufweist ein Widerstandsdraht 32 aufgewickelt ist, der anschließend durch eine Glasabdeckung 33 isoliert ist. An den beiden Enden des zylindrischen Keramikträgers 31 sind Metallkappen 34 angeordnet, die eine elektrische Kontaktierung des Abbrandwiderstandes ermöglichen. Die Glasabdeckung 33 ist zur Vermeidung von Oxydationsprozessen bei hohen Temperaturen sowie zur Fixierung der Wicklungen aufgebracht. Das Einbrennen des Glases erfolgt unter Schutzgas oder im Vakuum.

Fig. 2 zeigt ebenfalls einen brennraumseitigen Abschnitt einer Zündkerze mit den gleichen konstruktiven Grundmerkmalen wie Fig. 1, so daß gleiche Bauteile hier mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Im Unterschied zu Fig. 1 ist der Abbrandwiderstand 13 hier als gewendelter Dünnschichtwiderstand auf einem Keramikträger ausgebildet. Aufbau und Funktionsweise dieses Widerstandes als gewendelter Dünnschichtwiderstand soll im Zusammenhang mit Fig. 4 erläutert werden. Die Mittelektrode in diesem zweiten Ausführungsbeispiel besteht aus einer kalt montierten dicken Mittelelektroden. Eine solche Mittelelektrode nimmt im Gegensatz zu der Mittelelektrode aus Fig. 1 viel Wärme aus dem Brennraum auf und kann die aufgenommene Wärme über eine gut wärmeleitende axiale Anbindung ins Kerzeninnere abführen. Hierzu ist auf eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit des vorgezogenen Abbrandwiderstandes zu achten. Diese Forderung kann erfüllt werden, indem als Keramikträger des Widerstands Aluminiumnitrat (ALN) verwendet wird.

Fig. 4 zeigt eine mögliche Gestaltung des ausgebildeten temperaturfesten Widerstandes als Dünnschichtwiderstand. Der zylindrische Keramikträger 31 wird zunächst beispielsweise durch Sputtern im Vakuum beschichtet. Anschließend erfolgt die Strukturierung durch Verdampfen der Dünnschicht mittels Laser. Auch diese Ausführungsform wird mit einer temperaturfesten Glasschicht 33 zum Schutz vor Oxydation überzogen. Ebenso sind die Stirnflächen des zylindrischen Keramikträgers mit einer temperaturfesten Metallkappe 34 versehen, die die Kontaktierung gewährleisten.

Fig. 5 zeigt eine Ausführung des Dünnschichtwiderstandes, der alternativ auch im Planartechnik hergestellt werden kann. Bei dieser Ausführung in Planartechnik wird zunächst eine keramische Substratplatte vollflächig beispielsweise durch Bedampfen oder Besputtern beschichtet. Anschließend werden die Mäanderstrukturen vorteilhafterweise in fotolitographischer Technik realisiert. Die erforderliche Glasabdeckung und Kontaktmetallisierung kann in Dickschichttechnik erfolgen, so daß zum Schluß eine Vereinzelung der Widerstände ohne größeren Aufwand möglich ist.

Die in Fig. 1 und 2 dargestellten Zündkerzenendabschnitte zeigen die eingebauten hochtemperaturfesten Abbrandwiderstände. Der extern gefertigte hochtemperaturfeste Abbrandwiderstand 13 wird nach dem Einsintern der Mittelelektrode in den Kerzenstein von hinten in den Isolator eingelegt und mittels Glaspanat 14 mit dem Anschlußbolzen 12 kontaktiert und abgedichtet.

Bei den beschriebenen Zündkerzen handelt es sich um Gleitentladungskerzen, bei welchen der Zündfunke teilweise über den Isolator gleitet. Hierbei können Eingrabungen des elektrischen Funkens auf der Gleitbahn entstehen, die zu Zündaussetzern führen können, weil die Energieabgabe ans brennbare Gemisch eingeschränkt wird, wenn der Funke tief in einem Graben brennt. Da solche tiefen Eingrabungen zur Zerstörung der Zündkerze führen können ist es das Ziel, diese Eingrabungen zu vermeiden. Die kritische Phase zur Entstehung von Eingrabungen ist die Durchbruchphase des Funkens. In diesem Bereich, der nur wenige Nanosekunden umfaßt, ist die gesamte umgesetzte Energie auf der Keramikoberfläche vorhanden. Diese Energie stammt aus dem Teil der Kerzenkapazität, die sich nicht über einen Entstörwiderstand entladen kann und ist bei heutigen Zündkerzen annähernd durch die Zylinderkapazität C_Z beschreibbar, die sich zwischen Innenleiter und Außenleiter bildet, jedoch nur wirksam ist auf der Länge l vom Ende des Abbrandwiderstandes bis zur Mittelelektrode. In Fig. 1 und 2 ist dieser Abstand l eingezeichnet.

Die in der Zylinderkapazität C_Z gespeicherte Energie E beträgt:

E = 1/2 × C_Z × U_Z ²,

wobei U_Z die Zündspannung der Kerze ist. Hieraus ergibt sich, daß die Gefahr für Eingrabungen umso größer ist, je höher die Zündspannungen sind. Zur Vermeidung von Eingrabungen ist es bereits bekannt, die Energie der Durchbruchphase zu reduzieren, in dem die relevante Kapazität C_Z reduziert wird. Dies ist bisher üblicherweise durch eine Verringerung der Länge l, des Abstandes vom Ende der Abbrandwiderstandes bis zur Mittelelektrode, erfolgt. Weiterhin ist eine Reduzierung des Durchmessers des Innenleiters möglich, um die Zylinderkapazität zu verringern.

Mit den erfindungsgemäßen Ausführungen verringert sich die relevante Zylinderkapazität, da aufgrund der konstruktiv neuen Gestaltung des Abbrandwiderstandes die maßgebene Länge l wesentlich verkürzt werden kann.

Da die Erosion erst auftritt, wenn die keramische Gleitbahn durch den Funken nicht nur aufgeheizt ist sondern auch aufgeschmolzen ist, also bezüglich der Energie eine Schwelle überschritten wurde, bedeutet die erfindungsgemäße Lösung der Energiereduzierung, da die kritische Schwelle nicht mehr überschritten werden kann, daß keine Eingrabungen des Funkens in der Gleitbahn mehr auftreten.

Im Vergleich zu konventionellen Abbrandwiderständen aus Glaspanat weisen gewickelte Drahtwiderstände oder gewendelte Metall-Dünnschichtwiderstände eine deutlich induktive Widerstandskomponente auf, die sich vorteilhaft auf die Entstörung des Abbrandwiderstands auswirkt. Daher kann vorteilhafterweise beim Einsatz derartig vorgezogener Abbrandwiderstände in den Zündkerzen auf Entstörwiderstände im Kerzenstecker verzichtet werden.

Die Berechnung der Zylinderkapazität erfolgt in der Regel nach folgender Formel:

e₀ - Dielektrizitätskonstante,
ε_r - relative Dielektrizitätskonstante,
l - die Länge des Zylinders,
∅_a - der Außendurchmesser
∅_i - der Innendurchmesser.

Claims

1. Zündkerze mit einem rohrförmigen metallischen Gehäuse mit einem darin eingebetteten Isolator, in welchem eine stabförmige Innenleiteranordnung angeordnet ist, die einen Kontaktbolzen mit einer Mittelelektrode verbindet, dadurch gekennzeichnet, daß zur elektrischen Kontaktierung zwischen Mittelelektrode und Kontaktbolzen ein leitfähiges Kontaktpanat und ein temperaturfester Abbrandwiderstand mit mäanderförmig angeordneten leitfähigen Wicklungen vorgesehen ist.

2. Zündkerzen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der temperaturfeste Abbrandwiderstand ein gewickelter Drahtwiderstand ist.

3. Zündkerzen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der temperaturfeste Abbrandwiderstand ein gewendelter Dünnschichtwiderstand auf einem Keramikträger ist.

4. Zündkerzen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der gewendelte Dünnschichtwiderstand in der Planartechnik hergestellt ist.