DE19745165A1

DE19745165A1 - Zündkerze mit beschichteter Kerzenisolatorbohrung

Info

Publication number: DE19745165A1
Application number: DE1997145165
Authority: DE
Inventors: Juergen Gloger
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1997-10-13
Filing date: 1997-10-13
Publication date: 1999-04-15

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zündkerze nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Zündkerzen haben in Brennkraftmaschinen die Aufgabe, durch zwischen den Kerzen elektroden überspringende Funken ein in einem Brennraum befindliches Kraftstoff-Luft- Gemisch zu zünden. Hierzu muß die Zündspannung gut isoliert in den Verbrennungsraum eingeführt werden. Gleichzeitig unterliegt eine Zündkerze aufgrund der Verbrennungs temperaturen und -drücke im Brennraum hohen Anforderungen hinsichtlich der Abdichtung des Verbrennungsraumes.

Zündkerzen grundsätzlich bekannter Bauart weisen ein metallisches, rohrförmiges Gehäuse auf, das an seinem zündseitigen Ende eine Masseelektrode trägt und mit seiner Innenboh rung einen Isolierkörper abgedichtet umfaßt. Das rohrförmige Gehäuse trägt Betätigungs mittel z. B. in Form eines Außensechskantes und eines Außengewindes, mit denen die Zündkerze in der Kerzenbohrung des Motorblockes dichtend festgelegt werden kann. Der Isolierkörper ist gegenüber dem metallischen Gehäuse an zumeist mehreren Stellen abgedichtet und weist eine Längsbohrung auf, in die anschlußseitig ein Anschlußbolzen für daran festzulegende Zündkabel ragt. Zündseitig ist in der Isolierkörperbohrung eine Mittel elektrode angeordnet, die von der Masseelektrode durch eine Funkenstrecke getrennt ist. Die Mittelelektrode ist häufig aufgrund der verbesserten Abbrandfestigkeit aus einem elek trisch leitenden Sintermaterial hergestellt. Zwischen Anschlußbolzen und Mittelelektrode ist im Innern der Isolierkörperbohrung ein mit Anschlußbolzen und Mittelelektrode in elektri schem und mechanischem Kontakt stehendes, elektrisch leitendes Material eingebracht, das eine Abdichtung der Isolierkörperbohrung gegenüber dem Brennraum bewirkt.

Zur Gewährleistung einer bestimmungsgemäß hohen Sicherheit und Fehlerfreiheit der Zündung des Brennstoff-Luft-Gemisches muß dafür gesorgt werden, daß die zwischen Mittelelektrode und Masseelektrode gebildete Funkenstrecke nicht durch störende Teil entladungen an anderen Stellen der Zündkerze beeinträchtigt wird. Derartige Teilentladun gen können immer dann auftreten, wenn zwischen spannungsführenden Teilen der Zünd kerze und z. B. isolierenden Teilen aufgrund von Fertigungstoleranzen oder nicht zu vermei denden Verfahrensabweichungen Fehlstellen in Form von Luftspalten, Lufteinschlüssen oder dgl. entstehen. An diesen Fehlstellen können sich Funkenüberschläge bilden, die durch einen Materialabtrag zur lokalen Zerstörung der Zündkerze führen. Darüber hinaus wird die eigentliche Funkenstrecke an dem zündseitigen Kopf der Mittelelektrode beeinträchtigt, da ein Teil der von der Zündanlage gelieferten Energie schon an den Fehlstellen abgebaut wird und an der eigentlichen Funkenstrecke nicht mehr zur Verfügung steht.

Von besonderer Bedeutung für die Entstehung bzw. Vermeidung von Teilentladungen ist die Verbindungsstelle zwischen Mittelelektrode und Isolierkörper innerhalb der Isolierkörperboh rung. Insbesondere bei mit Hochfrequenz betriebenen Zündanlagen treten beim Zünden bekannter Zündkerzen vermehrt Oberschläge zwischen der Mittelelektrode und dem Isolier körper auf, die mittelfristig zu einer Zerstörung der Zündkerze führen und insbesondere die Betriebssicherheit der Zündanlage vermindern.

Aus einer Reihe von Druckschriften (DE-OS 30 38 720, EP 0 101 547 A2, DE 32 12 770 C2) ist bekannt, die Mittelelektrode spaltfrei in den Isolierkörper einzubauen, so daß sich eine feste Verbindung zwischen Mittelelektrode und Isolierkörper ergibt und dadurch Teilentla dungen zwischen Mittelelektrode und Isolierkörper vermieden werden. Die hierzu engen benötigten Passungen zwischen Isolierkörperbohrung und Mittelelektrode sowie das häufig benötigte gemeinsame Einsintern der Verbindung zwischen Mittelelektrode und Isolierkörper bedingen hohe Fertigungskosten und eine unsichere Prozeßführung, die entweder zu hohen Ausschußraten oder zu nicht befriedigenden Abdichtungen zwischen Mittelelektrode und Isolierkörper beitragen, an denen sich dann doch Teilentladungen bilden können.

Es ist weiterhin aus einer Reihe von Schriften bekannt, die Mittelelektrode aus einer Verbin dung von verschiedenen Komponenten auszubilden. Üblicherweise erfolgt dies durch Auf bringen eines Überzuges aus einem hochwertigen, elektrisch gut leitenden Stoff auf einen preiswerten Grundwerkstoff. Beispielsweise wird gemäß DE 44 31 143 A1 ein Überzug aus Edelmetallen nur im Bereich des Elektrodenkopfes auf Trägermaterialien wie Siliziumkarbid oder ähnlichem vorgesehen. Eine andere Möglichkeit besteht gemäß EP 101 547 A2 in der Anordnung einer spaltfrei in dem Isolierkörper angeordneten kleinen Edelmetallspitze als brennraumseitiger Zündelektrode, die elektrisch leitend mit einem zurückliegend angeordne ten einfachen Metallkörper verbunden ist, der seinerseits die Verbindung mit dem Anschluß bolzen herstellt. Auch ist es aus der DE 32 12 770 C2 bekannt, als Vorformlinge ausgebil dete Vorstufen der Mittelelektrode als Keramikstifte mit einem metallischen Überzug zu ver sehen, der beim gemeinsamen Sintern von Isolierkörper und Mittelelektrode eine besonders gute Verbindung zwischen Isolierkörper und Mittelelektrode bildet. Von Nachteil an allen derartigen Lösungen ist die Zuverlässigkeit der Befestigung der Mittelelektrode in der Isolier körperbohrung, die aufgrund der unterschiedlichen Materialien und ggf. unterschiedlichen Wärmedehnungen über die Lebensdauer der Zündkerze nicht dauerhaft gewährleistet ist.

Aus der DE 35 44 176 ist eine Zündkerze bekannt, die zur Bildung einer kombinierten Gleit- und Luftfunkenstrecke eine Ausbildung des zündseitigen Bereiches der Zündkerze derart aufweist, daß Mittelelektrode und Isolierkörper radial durch einen eine Entladungskammer bildenden Ringspalt zumindest bereichsweise voneinander beabstandet sind. Hierdurch wird erreicht, daß sich in dieser Entladungskammer ein Funke bildet, der nicht direkt über die Luftstrecke auf die Masseelektrode überschlägt, sondern auf der Oberfläche der Entla dungskammer zur Masseelektrode hin gleitet. Hierdurch soll das Zündverhalten der Zünd kerze aufgrund des direkten Funkenüberschlages zwischen Mittelelektrode und Masseelek trode auch bei höheren Drücken im Brennraum begünstigt werden. Die Mittelelektrode kann hierbei aus einem schlecht leitenden Kern und einer z. B. durch Oberflächendotierung her gestellten gut elektrisch leitenden Oberfläche bestehen.

Es ist daher Aufgabe der folgenden Erfindung, eine gattungsgemäße Zündkerze derart wei terzubilden, daß Teilentladungen insbesondere im zündseitigen Bereich der Zündkerze sicher vermieden werden und dadurch die Lebensdauer der Zündkerze deutlich erhöht wird.

Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merk malen des Anspruches 1 in Zusammenwirken mit den Merkmalen des Oberbegriffs. Die Unteransprüche beschreiben bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Zünd kerze.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird von einer gattungsgemäßen Zündkerze für Brenn kraftmaschinen mit einem in einem metallischen Gehäuse angeordneten Isolierkörper aus gegangen, deren Isolierkörper eine Längsbohrung aufweist, die an ihrem brennraumseitigen Ende von einer durch eine Funkenstrecke beliebiger Länge von einer Masseelektrode getrennten, am Isolierkörper festgelegten Mittelelektrode durchsetzt ist. Diese grundsätzlich bekannte Zündkerze wird dadurch verbessert, daß auf die Innenfläche der Längsbohrung des Isolierkörpers eine elektrisch leitfähige Schicht aufgebracht ist, die mit der Mittelelek trode elektrisch leitend verbunden ist. Hiermit wird vermieden, daß sich in fertigungsbeding ten Luftzwischenräumen zwischen elektrisch leitender Innenelektrode und Isolator, insbe sondere beim Einsatz der Zündkerzen bei Hochfrequenz-Zündanlagen Teilentladungen, d. h. kurzzeitige Funken ausbilden können. Derartige Funkenbildungen führen zu einer lokalen Zerstörung des Isolierkörpers an dieser Stelle und begünstigen dadurch weitere Über schläge an dieser vorgeschädigten Stelle, die mit beschleunigtem Tempo zu einer weiteren Zerstörung des Isolierkörpers und schließlich der ganzen Zündkerze führen können.

Durch das Aufbringen einer metallisch leitenden Schicht auf der Innenfläche des Isolierkör pers kann sich beispielsweise bei einer direkten spaltfreien Verbindung zwischen Isolierkör per und Mittelelektrode eine Potentialdifferenz an vorhandenen Fehlstellen nicht oder nur in weit geringeren Ausmaß als bei herkömmlichen Zündkerzen bilden, Zerstörungen aufgrund von Teilentladungen an derartigen Fehlstellen treten daher nicht mehr auf. Es versteht sich für den Fachmann von selbst, daß er eine Vielzahl von elektrisch leitfähigen Beschichtungen verwenden kann, die er z. B. aus der Beschichtung von Mittelelektroden an Zündkerzen oder sonstigen elektrisch leitfähig beschichteten Bauteilen des Motorenbaus kennt. Es wird daher hier darauf verzichtet, diese dem Fachmann vollauf vertrauten Beschichtungen und Verfah ren für ihre Aufbringung zu beschreiben.

In einer vorteilhaften Weiterbildung kann auch auf den Außenmantel im Bereich des metalli schen Gehäuses des Isolierkörpers zumindest abschnittsweise eine elektrisch leitfähige Schicht aufgebracht werden.

Von besonderer Bedeutung ist es, daß die elektrisch leitfähigen Schichten ohne Luftein schlüsse oder sonstige Fehlstellen auf den Isolierkörper aufgebracht sind, um nicht durch derartige Fehlstellen erneut lokale Funkenbildungen hervorzurufen.

In einer weiteren Ausprägung der Erfindung ist die Mittelelektrode in der Innenbohrung des Isolierkörpers festgelegt. Hierbei kann in einer bevorzugten Ausführungsform die Außenflä che der Mittelelektrode zumindest abschnittsweise radial von der Innenfläche der Längsboh rung des Isolierkörpers beabstandet sein, um thermische Spannungen auszugleichen und um zu hohe Herstellungstoleranzanforderungen zu vermeiden.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zündkerze liegt die Mittelelektrode unmittelbar an der Innenfläche der Längsbohrung des Isolierkörpers an. Durch das Aufbringen einer metallisch leitenden Schicht auf der Innenfläche des Isolierkörpers kann sich beispielsweise auch bei trotz aller aufgewendeten Vorsichtsmaßnahmen etwaig noch vorhandenen Fehlstellen dieser Verbindung zwischen Isolierkörper und Mittel elektrode eine Potentialdifferenz nicht oder nur in weit geringerem Ausmaß bilden, die zu einer Funkenentladung und damit zu einer lokalen Zerstörung des Isolierkörpers nicht mehr führen kann. Somit müssen an die Herstellung einer spaltlosen Verbindung zwischen Isolier körper und Mittelelektrode nicht mehr so hohe Anforderungen gestellt werden, wie dies bei herkömmlichen Zündkerzen mit spaltfreier Einbettung der Mittelelektrode der Fall ist. Dies führt zu deutlich reduzierten Herstellkosten bei gleichbleibender Zuverlässigkeit der erfin dungsgemäßen Zündkerzen.

Eine besonders vorteilhafte Ausbildung der erfindungsgemäßen Zündkerze für Brennkraft maschinen zeigt die Zeichnung.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Seitenansicht im Schnitt durch das brennraumseitige Ende einer erfindungsgemäßen Zündkerze.

In der Fig. 1 ist in einem vergrößerten Ausschnitt eine erfindungsgemäße Zündkerze 1 dar gestellt, wobei die Darstellung sich ausschließlich auf das brennraumseitige Ende beschränkt. Eine derartige Zündkerze 1 ist an sich grundsätzlich bekannt und weist keine gegenüber handelsüblichen Ausführungsformen abweichenden, in der Fig. 1 nicht dar gestellten Merkmale auf. Daher wird hier auf eine ausführliche Beschreibung dieser nicht erfindungswesentlichen Merkmale verzichtet.

Das in Fig. 1 dargestellte, brennraumseitig angeordnete Ende der Zündkerze 1 wird gebil det durch einen in einem in Fig. 1 abschnittsweise dargestellten Metallgehäuse 4 angeord neten Isolierkörper 3, der eine Isolierkörperbohrung 11 in axialer Richtung der Erstreckung der Zündkerze 1 aufweist. In dieser Isolierkörperbohrung 11 ist eine Mittelelektrode 2 angeordnet, die in dem in Fig. 1 nicht dargestellten Bereich an die Zündanlage eines Fahr zeuges angeschlossen ist. Die Mittelelektrode 2 durchtritt die Isolierkörperbohrung 11 in axialer Richtung und ist mit ihrer Funkenabreißfläche 8 so relativ zu einer Masseelektrode 5 in Längsrichtung der Zündkerze 1 beabstandet angeordnet, daß sich entlang der Funken strecke 10 ein Zündfunken bilden kann. Die Masseelektrode 5 ist hierbei an dem Gehäuse 4 elektrisch leitend angeordnet und darüber mit der Fahrzeugmasse verbunden.

Der Isolierkörper 3 isoliert in grundsätzlich bekannter Weise die von der Zündeinrichtung des Fahrzeuges aufgebaute Zündspannung, die auf die Mittelelektrode 2 aufgeschaltet ist, gegenüber der Fahrzeugmasse. Hierdurch bildet sich im Betrieb ein Zündfunken zwischen Funkenabreißfläche 8 der Mittelelektrode 2 und der Masseelektrode 5. Bei herkömmlichen Zündkerzen 1 kann sich nun aufgrund von Fehlstellen, beispielsweise Lufteinschlüssen oder dgl. in der Verbindungsfläche 13 zwischen Mittelelektrode 2 und Isolierkörper 3 eine Teilent ladung derart bilden, daß von der Mittelelektrode 2 auf den Isolierkörper 3 ein lokaler kleiner Funken überspringt. Eine derartige lokale Teilentladung führt zu einer lokalen Zerstörung von Mittelelektrode 2 und/oder Isolierkörper 3, die bei häufigeren Auftreten zu einem Versa gen der Zündkerze 1 als Ganzes führen kann und zu einem Abbau der von der Zündanlage gelierferten Energie.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Zündkerze 1 wird nun auf der Innenfläche 14 der Längsboh rung 11 des Isolierkörpers 3 der Zündkerze 1 eine elektrisch leitende Beschichtung 7 aufge bracht, die in einer Kontaktierungsfläche 13 mit der Mittelelektrode 2 in elektrisch leitendem Kontakt steht. Hierdurch kann sich eine nennenswerte Potentialdifferenz zwischen der Mittelelektrode 2 und der Innenfläche der Isolierkörperbohrung 11 nicht mehr bilden, wodurch Teilentladungen verhindert werden und damit das Zündverhalten der Zündkerze 1 und ihre Lebensdauer deutlich verbessert wird.

Der Kontaktierungsbereich 13 zwischen Mittelelektrode 2 und elektrisch leitender Beschich tung 7 auf der Innenfläche der Isolierkörperbohrung 11 kann derart ausgestaltet sein, daß die bekannten Verfahren zur spaltlosen Einbettung der Mittelelektrode 2 in den Isolierkörper 3 zur Herstellung der Verbindung genutzt werden können. Von Bedeutung hierbei ist vor allem, daß die Beschichtung 7 zumindest dieses Kontaktierungsbereiches 13 selbst wiederum ohne Fehlstellen wie Lufteinschlüssen oder dgl. hergestellt werden, da ansonsten durch diese Fehlstellen sich wieder Teilentladungen bilden können. Es versteht sich von selbst, daß der Fachmann jede weitere Kontaktierungsmöglichkeit zwischen der Beschich tung 7 der Innenfläche 14 der Isolierkörperbohrung 11 und der Mittelelektrode 2 vorsehen kann.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Zündkerze 1 ist weiterhin eine Beschichtung der Außenfläche 6 des Isolierkörpers 3 im Bereich des Metallgehäuses 4 mit einer elektrisch leitfähigen Schicht 9 vorgesehen. Des weiteren weist die dargestellte Zündkerze 1 als weitere erfinderi sche Besonderheit auf, daß am brennraumseitigen Ende der Zündkerze 1 ein geschlossener Spaltraum 12 zwischen der Mittelelektrode 2 und dem Isolierkörper 3 gebildet ist. Damit wird ein Luft- oder Atmungsraum gebildet, durch welchen thermische Spannung und/oder vorhandene Fertigungstoleranzen ausgeglichen werden können.

Bezugszeichenliste

1

Zündkerze

2

Mittelelektrode

3

Isolierkörper

4

Metallgehäuse

5

Masseelektrode

6

Außenfläche

7

Beschichtung an der Innenfläche der Längsbohrung des Isolierkörpers

8

Funkenabreißfläche der Mittelelektrode

9

elektrisch leitfähige Schicht

10

Funkenstrecke

11

Längsbohrung des Isolierkörpers

12

Spaltraum

13

Kontaktierungsfläche Beschichtung Längsbohrung/Mittelelektrode

14

Innenfläche

Claims

1. Zündkerze für Brennkraftmaschinen, mit einem in einem metallischen Gehäuse (4) angeordneten Isolierkörper (3), aufweisend eine Längsbohrung (11), die an ihrem brennraumseitigen Ende von einer durch eine Funkenstrecke (8) von einer Masseelek trode (5) getrennten, am Isolierkörper (3) festgelegten Mittelelektrode (2) durchsetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest abschnittsweise auf die Innenfläche der Längsbohrung (11) des Isolierkör pers (3) eine elektrisch leitfähige Schicht (7) aufgebracht ist, die mit der Mittelelektrode (2) elektrisch leitend verbunden ist.

2. Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Außenfläche des Isolierkörpers (3) zumindest abschnittsweise eine elektrisch leitfähige Schicht (9) auf gebracht ist.

3. Zündkerze nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitfähige Schicht (9) im Bereich des metallischen Gehäuses (4) auf der Außenfläche (6) des Isolierkörpers (3) aufgebracht ist.

4. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elek trisch leitfähigen Schichten (9, 7) ohne Lufteinschlüsse oder sonstige Fehlstellen auf den Isolierkörper (3) aufgebracht sind.

5. Zündkerze nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelelektrode (2) in der Längsbohrung (11) des Isolierkörpers (3) festgelegt ist.

6. Zündkerze nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenfläche der Mittelelektrode (2) zumindest abschnittsweise radial von der Innenfläche der Längs bohrung (11) des Isolierkörpers (3) beabstandet ist.

7. Zündkerze nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelelektrode (2) an der Innenfläche der Längsbohrung (11) des Isolierkörpers (3) vorzugsweise spaltlos anliegt.