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Elektrische Zündvorrichtung, insbesondere Zündkerze für Brennkraftmaschinen
Die Erfindung betrifft eine elektrische Zündvorrichtung, insbesondere eine Zündkerze
für Brennkraftmaschinen mit zwei Hauptelektroden und einer Zwischenelektrode.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Vorzugsweise ist der Widerstand mit demjenigen Pol der elektrischen
Stromquelle verbunden, an den die an Masse gelegte Außenelektrode angeschlossen
ist.
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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.
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Vorteilhafterweise kann die Innenfläche mindestens eines der beiden
Isolierringe in an sich bekannter Weise mit einer Schicht aus halbleitendem. Material
überzogen werden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.