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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zündkerze zur
Verwendung in einem Verbrennungsmotor. Insbesondere
betrifft die vorliegende Erfindung die Erdelektrode der
Zündkerze.
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Eine Zündkerze ist ein wichtiges Bestandteil des
Zündsystems und ist dasjenige, das im Bereich eines
Verbrennungsraumes zur Zündung eines zu verbrennenden
Kraftstoff/Luftgemisches installiert ist. Die Zündkerze
besteht aus einem mit Gewinde versehenen Mantel zum
Einsatz in einer Ausnehmung im Zylinderkopf und einer
Mittel- und einer Seitenelektrode, die einen
Elektrodenabstand begrenzen, sowie aus einem Isolator, der als
Durchführung zur effizienten Leitung der Hochspannung
von ihrem Anschluß zu der Funkenstrecke in dem
Verbrennungsraum dient, üblicherweise ist die L-förmige
Seitenelektrode mit dem Mantel so verschweißt, daß sie
der Spitze der Mittelelektrode zugewandt gegenüberliegt.
Um den Verschleiß der Elektroden zu beherrschen, ist
eine Mehrpol-Zündkerze verfügbar, die mit einer Mehrzahl
von L-förmigen Seitenelektroden ausgestattet ist. Es ist
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auch eine Zündkerze aus der DE-A-36 19 938 bekannt, die mit einer flachen
Platte versehen ist, welche eine Ausnehmung in dem
Bereich aufweist, der der Spitze der Mittelelektrode
gegenüberliegt und die mit dem Mantel über eine Mehrzahl
von Stegen verbunden ist. Ein Beispiel einer derartigen
Zündkerze ist in Fig. 3 gezeigt, in der (B) eine
Druntersicht und (A) ein Längsschnitt nach (B) entlang der
Linie A-A ist, um den wesentlichen Teil der Spitze der
Zündkerze zu zeigen. In Fig. 3 ist die Seitenelektrode
allgemein mit 1 bezeichnet. Bestehend aus einem
Leitfähigen Metall, wie z. B. einer Legierung auf Ni-Basis
umfaßt die Seitenelektrode 1 ein flaches Plattenteil 3 mit
einer Mittelausnehmung 2, die der Mittelelektrode 5
gegenüberliegt und mit einer Mehrzahl von Stegen 4, die
mit dem Mantel 6 verbunden sind, um eine einheitliche
Anordnung zu bilden.
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Zündkerze des Typs, der in Fig. 3 gezeigt ist, wurde
in Versuch entwickelt, die Dauerhaftigkeit- und
Schwingungsfestigkeitseigenschaften der Seitenelektrode
zu verbessern und ein gutes Zündverhalten zu
gewährleisten. Ein gutes Zündverhalten wird erreicht, wenn die
Differenz zwischen dem Durchmesser der Mittelelektrode
und demjenigen der Ausnehmung in der Seitenelektrode
kleiner als 0,7 mm ist. Der Standfestigkeitstest,
der mit dieser Zündkerze durchgeführt wurde, hat jedoch
ergeben, daß eine merkliche Erhöhung in der
Entladungsspannung als Ergebnis der Dauerschwingbelastung
auftritt. Der Standfestigkeitstest hat auch die
Möglichkeit eines Bruches im Bereich zwischen dem Umfang
der flachen Platte und der Mittelausnehmung in der
Seitenelektrode ergeben.
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine
Zündkerze zu schaffen, die mit einer Seitenelektrode
versehen ist und die eine verbesserte Standfestigkeit
aufweist, um ein gutes Zündverhalten während ihres
gesamten Einsatzzeitraumes zu gewährleisten.
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Dieses Ziel der vorliegenden Erfindung kann durch eine
Zündkerze, die eine Seitenelektrode aufweist, erreicht
werden, die ein flaches Plattenteil mit einer Mehrzahl
von Ausnehmungen aufweist, die der Spitze der
Mittelelektrode zugewandt gegenüberliegen, wobei der Umfang
der Platte mit dem Mantel über eine Mehrzahl von Stegen
verbunden ist, um eine einheitliche Anordnung zu bilden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ist die Mehrzahl der Ausnehmungen in dem
flachen Plattenteil äquidistant beabstandet, rund um die
Mitte des Plattenteiles angeordnet und der Durchmesser
jeder dieser Ausnehmungen und der Durchmesser des
innerhalb der Ausnehmungen einbeschreibbaren Inkreises ist
kleiner gemacht als der Außendurchmesser der Spitze der
Mittelelektrode, wobei die Gesamtfläche dieser
Ausnehmungen zumindest größer ist als die Fläche des
einbeschriebenen Inkreises.
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Die Seitenelektrode der Zündkerze nach der vor liegenden
Erfindung weist einen ausgeglichenen Aufbau auf, derart,
daß das flache Plattenteil der Elektrode sicher und fest
durch die Mehrzahl der Stege gelagert ist und dies zu
einer verbesserten Dauerhaftigkeit und
Schwingungsfestigkeit beiträgt. Außerdem haben die Ausnehmungen in
dem flachen Plattenteil Abmessungen, die an den
Außendurchmesser der Spitze der Mittelelektrode angepaßt sind
und in so optimaler Weise angeordnet sind, wie
Experimente bestätigt haben, daß jederzeit gute
Zündbedingungen erhalten werden, um die Entladungsspannung auf
jeweils ausreichend niedrigem Niveau zu hatten. Dies
gestattet es, daß die Zündkerze nach der vorliegenden
Erfindung für eine verlängerte Zeitspanne mit verringerter
Gefahr von Fehlzündungen verwendet werden kann.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von
Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.
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In diesen zeigen:
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Fig. 1(A) einen Längsschnitt, der den
wesentlichen Teil der Spitze einer Zündkerze nach einem ersten
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt,
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Fig 1(B) eine Druntersicht der Zündkerze nach
Fig. 1(A),
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Fig. 2(A) eine Druntersicht einer Zündkerze nach
einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung,
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Fig. 2(B) eine Druntersicht einer Zündkerze nach
einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung,
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Fig. 3(A) einen Längsschnitt, der den
wesentlichen Teil der Spitze einer Zündkerze nach dem Stand
der Technik zeigt,
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Fig. 3(B) eine Druntersicht der Zündkerze nach
Fig. 3(A),
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Fig. 4 ein Diagramm, das die Entladungsspannung
in Abhängigkeit von der Zeit für Zündkerzen nach dem
ersten und dritten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung im Vergleich zu einer Zündkerze des
Standes der Technik zeigt und
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Fig. 5 ein Diagramm, das die Anzahl der HC-
Spitzen zeigt, die bei der Zündkerze nach dem ersten
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erlindung als
Funktion der Gesamtfläche der Ausnehmungen, die in der
Seitenelektrode vorgesehen sind, auftreten.
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Fig. 1 zeigt eine Zündkerze nach einem ersten
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, (B) ist eine
Druntersicht und (A) ist ein Längsschnitt nach (B)
entlang der Linie A-A, um den wesentlichen Teil der Spitze
der Zündkerze zu zeigen. In Fig. 1 ist die
Seitenelektrode allgemein mit 1A bezeichnet und besteht aus einem
flachen Plattenteil A, das drei Ausnehmungen 2A
aufweist, die äquidistant rund um die Plattenmitte
angeordnet sind und die drei Stege 4A besitzt, die sich von dem
flachen Plattenteil 3A nach außen erstrecken. Die
Innenfläche 4a jedes Steges 4A ist mit der Umfangsseite 6a
des Mantels 6 verbunden. Eine Funkenstrecke 7 wird
zwischen dem Vorderende der Mittelelektrode 5 und der
Innenfläche der Seitenelektrode 1A gebildet.
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Fig. 2(A) ist eine Druntersicht einer Zündkerze nach
einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung, in in dem vier Ausnehmungen 2B in dem flachen
Plattenteil 3B der Seitenelektrode 1B ausgenommen sind,
wobei das flache Plattenteil 3B mit dem Mantel 6 über
vier Stege 4B verbunden ist. Die anderen Komponenten der
Zündkerze nach dem zweiten Ausführungsbeispiel sind die
gleichen wie diejenigen, die in dem ersten
Ausführungsbeispiel gezeigt sind, so daß gleiche Bestandteile durch
die gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind und auf einen
Längsschnitt der Zündkerze verzichtet ist. Die
Ausnehmungen oder Bohrungen 2A oder 2B sind so gestaltet, daß
die folgenden Bedingungen erfüllt sind:
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d&sub2; < d&sub1;; d&sub3; < d&sub1;; n(d&sub3;)² ≥ (d&sub1;)² ≥ (d&sub2;)²,
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wobei d&sub1; der Außendurchmesser der Spitze der
Mittelelektrode 5 ist, d&sub2; den Durchmesser des Inkreises, der
innerhalb der Anordnung der Ausnehmungen einbeschrieben
ist, bezeichnet, d&sub3; der Durchmesser jeder Ausnehmung
bzw. Bohrung ist und n die Anzahl der Ausnehmungen ist.
Eine Funkenstrecke wird durch die Seitenelektrode 1A
oder 1B und die Mittelelektrode 5 begrenzte
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Fig. 2(B) ist eine Druntersicht einer Zündkerze nach
einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung. Die Seitenelektrode 1C dieser Zündkerze enthält
einen flachen Plattenteil, in dem vier Bohrungen oder
Ausnehmungen 2a, 2b, 2c und 2d von verschiedenen Durchmessern
ausgenommen sind, wobei die ersten drei
Bohrungen bzw. Ausnehmungen beabstandet rund um die
Mittelbohrung 2D angeordnet sind. Die Ausnehmungen 2a, 2b und 2c
sind wünschenswerterweise innerhalb des Kreises
angeordnet, der konzentrisch zur Mittelelektrode (= d&sub1;)
verläuft und dessen Durchmesser d&sub4; nicht größer als 2,5 d&sub1;
ist. Wenn d&sub4; unangemessen groß ist, ist der Abstand
jeder der Ausnehmungen 2a, 2b und 2c zum Rand des flachen
Plattenteites so weit verringert, daß eine mögliche
Überhitzung auftreten kann. Außerdem wird die Fähigkeit
der Zündkerze einem Anstieg der Entladungsspannung
entgegenzuwirken, beeinträchtigt. Die Bohrungen- bzw.
Ausnehmungen in dem flachen Plattenteil genügen
wünschenswerter Weise der folgenden Bedingung:
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wobei n&sub1; die Anzahl der Ausnehmungen angibt und di der
Durchmesser jeder Ausnehmung ist. Um eine hohe
Festigkeit und eine leichte Bearbeitung zu sichern, weisen
zwei benachbarte Ausnehmungen voneinander einen Abstand
von zumindest 1 mm auf.
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Die Zündkerze nach dem ersten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung und die Zündkerze, die in Fig. 3
bezüglich des Standes der Technik erläutert ist, wurden
einem Dauerfestigkeitstest mit einem Motor unterzogen,
der auf einem Prüfstand mit 5500 U/min · 4/4 (bei
Volllast) für einen Zeitraum von 200 Std. lief. Messungen
der Entladungsspannung wurden für die Dauer des
Betriebes im Bereich von Leerlauf bis zu einem Rennzustand
(Beschleunigung bis zu 5000 U/min in unbelastetem
Zustand) ausgeführt. Die Ergebnisse sind in Fig. 4
gezeigt, in der die Kurve (1) die Ergebnisse angibt, die
mit der Zündkerze nach dem ersten Ausführungsbeispiel
mit den Bedingungen n = 3, d&sub1; = 2,5 mm, d&sub3; = 1,6 mm und
einem Abstand zwischen den Bohrungen bzw. Ausnehmungen
von 1 min (in diesem Fall d&sub2; = 1,4 mm) erreicht wurden.
Kurve (2) zeigt die Ergebnisse, die mit der Zündkerze
nach dem Stand der Technik unter den Bedingungen n = 1,
d&sub1; = 2,5 mm und d&sub3; = 3,0 mm erreicht wurden.
Offensichtlich war die Entladungsspannung bei der Zündkerze nach
dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung niedriger
als bei der Version des Standes der Technik und dies
zeigt eine verbesserte Dauerhaftigkeit der ersteren
Zündkerze. Der gleiche Test wurde mit der Zündkerze nach
dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung ausgeführt und die Ergebnisse waren ähnlich
denjenigen, die mit dem ersten Ausführungsbeispiel erhalten
wurden, so daß sie in Fig. 4 nicht gezeigt sind. Die
Testergebnisse mit der Zündkerze nach dem dritten
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind durch
die Kurve (3) in Fig. 4 angegeben.
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Um die Beziehung zwischen der Gesamtfläche der Bohrungen
bzw. Ausnehmungen in dem flachen Plattenteil der
Seitenelektrode und den Zündbedingungen zu untersuchen, wurde
die Zündkerze nach dem ersten Ausführungsbeispiel mit
d&sub1;
= 2,5 mm und n = 3 einem Leerlauftest unterzogen, wobei
der Motor mit einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis von 14
arbeitete und das Verhältnis von n(d&sub3;)² zu (d&sub2;)² auf
verschiedene Werte eingestellt wurde. Die Anzahl der
HC-Spitzen (die Anzahl der Kohlenwasserstoffspitzen),
die bei jeder Zündung auftrat, wurde gezählt und in Fig.
5 aufgezeichnet. Gute Verbrennungsbedingungen führen zu
einer minimalen Anzahl von HC-Spitzen und eine
Standardzündkerze, wie z. B. BCP 6ES arbeitet mit 8 HC-Spitzen.
Wenn dieser Wert als Kriterium genommen wird, zeigt Fig.
4, daß gute Ergebnisse erzielt werden, wenn die
Bedingung n(d&sub3;)²/(d&sub2;)² ≥ 1 oder n(d&sub3;)² ≥ (d&sub2;)² erfüllt ist.
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Versehen mit der verbesserten Seitenelektrode kann die
Zündkerze nach der vorliegenden Erfindung für eine
längere Zeitspanne verwendet werden, wobei die
Entladungsspannung auf einem verhältnismäßig niedrigen Niveau
gehalten ist. Diese Zündkerze sichert auch gute
Zündbedingungen zu allen Zeiten der Benutzung und führt somit zu
einer hohen Dauerfestigkeit. Die Anordnung von mehr als
einer Bohrung bzw. Ausnehmung in dem flachen Plattenteil
der Seitenelektrode trägt zu einer gleichmäßigen
Verteilung der Wärmespannungen bei, so daß hierdurch das
Auftreten von Rissen oder Brüchen in der flachen Platte
vermieden wird. Bei der Zündkerze nach dem Stand der
Technik, die nur eine Ausnehmung in der Mitte des
flachen Plattenteiles der Seitenelektrode aufweist, ist es
notwendig gewesen, eine genaue Ausrichtung zwischen der
einzigen Ausnehmung und der Achse der Mittelelektrode
herzustellen, um die Entladungsspannung zu stabilisieren
und einen abnormalen Verschleiß, wie z. B. einen
ungleichmäßigen Verschleiß zu verhindern, der bei
mangelhafter Zentrierung bzw. Ausrichtung auftreten kannte. Es
muß nicht darauf hingewiesen werden, daß es
wünschenswert ist, daß die Mitte der Gruppe von Bohrungen bzw.
Ausnehmungen in der Seitenelektrode der Zündkerze nach
der vorliegenden Erfindung dich in Übereinstimmung mit
der Achse der Mittelelektrode befindet, daß aber die
mögliche Toleranz nicht so eng sein muß, wie dies bei
der Zündkerze nach dem Stand der Technik erforderlich
ist. Daher hat die Zündkerze nach der vorliegenden
Erfindung den zusätzlichen Vorteil der verhältnismäßig
einfachen Fertigung.