DE2739413A1

DE2739413A1 - Zuendkerze

Info

Publication number: DE2739413A1
Application number: DE19772739413
Authority: DE
Inventors: Hans Dr Ing Albrecht
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1977-09-01
Filing date: 1977-09-01
Publication date: 1979-03-08
Also published as: IT7850943A0; GB2007760A; FR2402321A1

Description

Dnimler-Benz Aktiengesellschaft Daitn 11

Stuttgart 31.8.1977

¹¹ Zündkerze "

Die Erfindung bezieht sich auf eine Zündkerze für Brennkraftmaschinen.

Kraftstoff-Luft-Gemische in Ottomotoren werden im allgemeinen mittels einer Funkenentladung zwischen den Elektroden einer Zündkerze in einem für den Motorbetrieb optimalen Zeitpunkt entflammt. Diese Funkenentladung wird aus einer geeigneten Zündanlage durch einen Hochspannungsimpuls gespeist. Konventionelle Zündanlagen und Zündkerzen mit Elektrodenabatänden zwischen 0,7 und 1,5 nun entflammen Kraftstoff-Luft-Gemische mit stöchiometrischem Mischungsverhältnis (Luftverhältnis \ * l) bzw. geringem Kraftstoffüberschuß ("fetter" Dereich, λ ^ l) problemlos.

Nun liegt der Arbeitsbereich für minimale Emission schädlicher Abgase (CO₁ NO , C H ) und für niederen spezifischen Kraftstoffverbrauch nicht im Bereich der größten ZUndsicherheit, sondern im sogenannten "mageren" Dereich (Luftverhältnis λ > 1). Der Betrieb des Motors in diesem an sich vorteilhaften Bereich erfordert erhöhte ZUndsicherheit, um Entflammungsaussetzer zu vermeiden.

In der Praxis sind Inhomogenitäten im Gemisch nicht auszuschlie-

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ßen, βο daß zeitweise im Gebiet des heißen Funkenpiaemas kein zündfähiges Gemisch vorhanden ist, wodurch Entflamniungsoussetzer auftreten können. Die Wahrscheinlichkeit für derartige Erscheinungen steigt mit der Abmagerung des Kraftstoff-Luft-Gemisches. In diesem Fall ist es naheliegend und üblich, das für den Entflammungsvorgang wesentliche Initialvolumen, das vom Zündfunken erzeugt wird, zu vergrößern. Das geschieht im allgemeinen dadurch, daß der Elektrodenabstand (Länge des Ziindf unkens) und/oder die pro Funkenereignis bereitgestellt« Energie gesteigert werden. Der Vergrößerung des Elektrodenabstandes ist aus praktischen Gründen eine Grenze ( 1,5 mm) gesetzt, weil der Zündspannungsbedarf zu hoch wird, um mit der konventionellen Technik im Motorbereich problemlos beherrrscht werden zu können. Die dem Funken zuzuführende Energie wird im allgemeinen erhöht, indem die Brenndauer des Funkens verlängert wird, so daß aufgrund der u.U. sehr heftigen Ladungsbewegung im Brennraum die Wahrscheinlichkeit erhöht wird, während des "brennenden" Funken« ein zündfähiges Gemisch in seinen Wirkungsbereich zu führen.

Im zeitlichen Ablauf des Funkens lassen sich unterschiedliche Stadien erkennen. Unter Verzicht auf Feinheiten unterscheidet man "Funkenkopf" und "Funkenschwanz".

Beim Funkenkopf handelt es sich um die Phase des Funkendurchbruche, in der sich die Kapazitäten in der Nähe der Elektrode entladen. Der Funkenechwanz besteht aus einer Übergangsphase und der daran anschließenden Glimmentladung.

Die Entladungsströme im Funkenkopf sind relativ hoch (Aniperebereich) und können Spitzenwerte je nach Anordnung bis mehrere

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1OO A haben. Da vor allem in der Anfangephaee des Durchbruche die Funkenspannung noch sehr hoch ist, werden dem Plasma hohe Energiebeträge zugeführt, die zunächst vorwiegend in Form potentieller Energie (Dissoziation, Anregung und Ionisation in mehrfachen Stufen) gespeichert wird und später den expandierenden Funkenkanal speist. Dagegen wird in den späteren Stadien der Entladung (Glimmphase) dem Funkenplasma Energie auf unökoaonischere Art zugeführt, da Verlustprozesse zunehmen und vor allem etwa die Hälfte der elektrisch zugeführten Leistung an den Elektroden abfällt und dort in Form von Wärme abgeführt wird, die somit dem Plasma verloren geht. Da« allein von einem "normalen" Funkenkopf erzeugte Initialvoluiaen ist in Ausdehnung und Temperatur für eine erfolgreiche Entflammung ausreichend. Dieses Initialvolumen ist mit Zeiten in der Größenordnung von etwa 10 us eindeutig vom elektrisch erzeugten heißen Plasmavolumen unterscheidbar, sofern in dieser Zeit ziindfähiges Gemisch im Dereich des Plasmavolumens vorhanden war. Eine erhöhte Energiezufuhr in der Anfangephaee (Vergrößerung des Funkenkopfes) vergrößert das Initialvolumen des Funkenplasma und beeinflußt die nachfolgende Entflammung, so daß auch die Wahrscheinlichkeit der Entflammung in dem Maße zunimmt wie das aktivierte Volumen, das bis zum Einsetzen der exothermen Reaktion entstanden ist, vergrößert ist.

Nun können infolge der Ladungebewegung im Motorenraum Strömungsgeschwindigkeiten auftreten, die ζ.Π. erst nach 1 ms wieder zündfähiges Gemisch in den Elektrodenbereich führen. Daher kann es vorteilhaft sein, wenn der Funkenschwanz wenigstens in Form einer Glimmentladung noch andauert, um ein aktivierte· Plasmavolumen aufrecht zu erhalten. Erzeugt man mit konventio-

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nellen Zündanlagen einen verstärkten Punkenkopf durch Umverteilung der im Zündsystem gespeicherten und damit vorgegebenen Energie, so kann u.U. infolge der verkürzten Energiezufuhr (Funkendauer) der Gewinn wieder zunichte gemacht werden, weil zeitlich länger andauernde Zündbedingungen erforderlich wären. Von großem Vorteil sind dann Zündanlagen, mit denen mehrere Funkenköpfe zeitlich hintereinander erzeugt werden können, wobei die Anzahl und die Folgefrequenz eventuell den Motorbedingungen entsprechend angepaßt werden können. Die technischen Voraussetzungen hierfür erfüllt die moderne Halbleiterelektronik, so daß Lösungen auch mit für die Praxis erträglichem Aufwand realisierbar sind.

Da, wie weiter oben bereits erwähnt, auch ein kurzer Funkenkopf mit Zeiten um 10 us ein Volumen mit einem Durchmesser im mm-Bereich und ausreichend hohen Temperaturen erzeugen kann, ist es wünschenswert, den Funkenkopf zeitlich möglichst kurz zu gestalten.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die bekannte Ausführung gebräuchlicher Zündkerzen so umzugestalten, daß ein Zündfunke mit kurzem Funkenkopf und möglichst kleinem oder keinem Funkenschwanz damit erzeugbar ist.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß wenigstens eine Funkenstrecke vorgesehen ist und jede Funkenstrecke mit einer großen Impedanz an die Zündspannungsquelle angekoppelt ist.

Weitere Einzelheiten sind der nachfolgenden Beschreibung und Zeichnung eines Ausführungebeispiele zu entnehmen. Es handelt sich dabei um eine Zündkerze mit drei Funkenstrecken.

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In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 ein Prinzipschaltbild und

Fig. 2 eine Zündkerze im Grundriß und Schnitt.

Das Prinzipschaltbild Fig. 1 zeigt drei kapazitiv an die ZUndspannungsquelle U angekoppelte Funkenstrecken. Die gestrichelt eingezeichneten Kapazitäten 1 sind die Elektrodenkapazitäten und die mit 2 bezeichneten Kapazitäten stellen die Koppelkapazitäten dar, wobei die Koppelkapazität größer sein sollte als die Elektrodenkapazität.

Fig. 2 zeigt im Grundriß und im Schnitt eine erfindungsgemäße Zündkerze. Das metallische Gehäuse 3 der Zündkerze ist in seiner äußeren Form den Abmessungen üblicher Zündkerzen angepaßt. Eine der Zahl der Funkenstrecken in der Zündkerze entsprechende Anzahl von Gegenelektroden k sind am Ende des Einschraubgewindes 5 in gewohnter Weise angebracht. Die ihnen jeweils gegenüberstehenden Elektroden 6 sind elektrisch voneinander isoliert im Kerzenisolator 7 angebracht. Sie bilden im oberen Teil des Isolators jeweils den Innenleiter eines koaxialen Kondensators 2, der durch ein Dielektrikum 8 von den äußeren Elektroden 9 getrennt ist. Die äußeren Elektroden 9 sind mit einem gemeinsamen Anschluß 10 verbunden, der die Zuführung zur Zündanlage in bekannter Veise darstellt.

Selbstverständlich ist es ohne weiteres auch denkbar, die Koppelkapazitäten getrennt von der Zündkerze in einen Kerzen-

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stecker zu montieren und die Mehrfunken-Zündkerze mit einem entsprechenden mehrpoligen Hochspannungnstecker zu kontaktieren. In diesem Fall bleibt der in den Verbrennungsraum ragende Teil der Zündkerze gegenüber dem in Figur 2 unverändert. Lediglich der obere Teil des Kerzenisolators ist derart gestaltet, daß eine mehrpolige Steckverbindung zum Kerzenstecker entsteht. Das obere Ende jeder Elektrode ist dabei als Steckkontakt ausgeführt. Die Schaltelemente zur Entkopplung der einzelnen Funkenstrecken einerseits und zur Ankopplung an die Zündanlage andererseits enthält dann der Kerzenstecker. Diese Anordnung bietet gegenüber der in Figur 2 gezeigten den Vorteil, daß eine größere Variationemoglichkeit für die Schaltelemente gegeben ist.

Anstelle eines Kondensators kann die Koppelimpedanz auch ein spannungsabhängiger Widerstand - VDR - sein.

Dei Untersuchungen mit derart gestalteten Zündkerzen im Labor * hat sich gezeigt, daß im Falle der Speisung beispielsweise mit einer konventionellen Spulenzündung der Zündfunke an jedem Elektrodenpaar aus zeitlich aufeinanderfolgenden funkenkopfähnlichen Entladungen besteht, deren Entstehungsmechanismus ähnlich dem der bekannten Kippschwingungen ist. Die Gesamtdauer eines Funkenereignisses ist natürlich gegenüber dem mit einer herkömmlichen Zündkerze verkürzt. Nun ist es aber ohne weiteres möglich, die Zahl der aufeinanderfolgenden Funkenköpfe gezielt zu beeinflussen, wie oben in der Beschreibung bereits schon erwähnt wurde. Die Dauer des Funkenereignisses kann damit wechselnden Motorbedingungen angepaßt werden.

Die Vorteile der in der Beschreibung erläuterten Zündvorrich-

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tung mit kapazitiver Ankopplung (hohe Impedanz, d.h. relativ kleine Kapazität) lassen sich folgendermaßen zusammenfassen:

1. Es entstehen kurze Funkenköpfe, die eine effektive Energieübertragung an das Funkenplasma ermöglichen.

2. Bei willkürlich wählbarer (programmierbarer) Dauer des Funkenvorgangs (serielle Mehrfachfunken) bleibt der gesamte Leistungsverbrauch der Anlage in Grenzen.

3. Es können mehrere geometrisch auseinanderliegende Funkenetrecken gleichzeitig gezündet werden (parallele Mehrfachfunken) .

Damit können gleichzeitig mehrere Initialvolumina aktiviert werden, so daß die Zündsicherheit entsprechend erhöht wird und auch "magerere" Gemische zuverlässiger gezündet werden.

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Leerseite

Claims

Daimler-Benz Aktiengesellschaft Daim 11 651/fr

Stuttgart 3I.8.77

" Zündkerze "

Patentansprüche

Zündkerze für Brennkraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Funkenstrecke (k, 6) vorgesehen ist und jede Funkenstrecke mit einer großen Impedanz an die Zündspannungsquelle angekoppelt ist.
2. Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz ein Kondensator ist.
3· Zündkerze nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator als Zylinderkondensator ausgebildet ist.
k. Zündkerze nach Anspruch 3· dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator als koaxialer Kondensator (6, 9) ausgebildet ist, dessen Innenleiter (6) die eine Elektrode bildet, dessen Außenleiter mit dem ZUndkabelanschluß (10) verbunden ist und dessen Dielelektrikum (8) vom keramischen Material des Isolators (7) gebildet ist.
5« Zündkerze nach Anspruch 1, 2 oder 3· dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz im Zündkerzenstecker angeordnet ist.

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ORfGINAL !

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6. Zündkerze nach Anspruch 1, 2 oder 3i dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz ein spannungsabha'ngiges Widerstandselement - VDR - mit geeignet gewählter Durchbruchspannung ist.

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