DE644934C - Zuendkerze - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Zündkerze für eine Hochfrequenzzündanlage für Brennkraftmaschinen.

Es sind bereits Zündkerzen für derartige Anlagen bekannt, die eine durch festen Isolierstoff vollständig abgedeckte Mittelelektrode haben, die samt ihrem Isolator von einem metallischen Zündkerzenkörper getragen wird. Bei diesen Zündkerzen hat die die Mittelelektrode nach außen abdeckende Isolierschicht nur eine geringe Stärke, so daß der Funke noch hindurchschlagen kann.

Die Erfindung geht von einer Zündkerze mit durch festen Isolierstoff vollständig abgedeckter Mittelelektrode aus, kennzeichnet sich jedoch durch eine solche Dicke der Isolierschicht über der Mittelelektrode an der Übergangsstelle der Entladungen, daß das Durchschlagen von Funken durch die Isolierschicht verhindert ist.

Für den Erfindungsgegenstand wesentlich ist also, daß die Entladung zwischen der Oberfläche der festen Isolierschicht und der benachbarten Elektrode als Glimmentladung vor sich geht statt wie bei den bekannten Zündkerzen zwischen den beiden Elektroden unmittelbar. Man kann sich die vor Durchbrechungen sichere Isolierschicht der neuen Zündkerze als das Dielektrikum eines Kondensators vorstellen. Der Unterschied zwisehen dem Erfindungsgegenstand und der bekannten Anordnung liegt dann darin, daß zwar in beiden Fällen die Mittelelektrode als die eine Platte des Kondensators und die Außenseite der Isolierschicht als die andere Platte des Kondensators angesehen werden kann, daß jedoch bei der bekannten Einrichtung ein durchbrochener, bei der Erfindung dagegen ein wirksamer Kondensator vorhanden ist. Da ein durchbrochener Kondensator unwirksam ist und nichts weiter darstellt als eine Funkenstrecke, so sind beide Anordnungen wesensverschieden. Die Verschiedenheit stellt sich dar als diejenige zwischen einem Kondensator und einer Funkenstrecke.

Die Folge ist, daß bei der Anordnung gemäß der Erfindung eine rasche und zuverlässige Zündung erreicht ist. Versuche haben dies vollauf bestätigt. Die große praktische Wichtigkeit des Fehlens von Durchlochungen

der Isolierschicht ist leicht einzusehen. Solange nämlich die Durchbrechungen an der Spitze fehlen, sind Kohleablagerungen auf der Tsolatorfläche nicht imstande, Neberic; Schlüsse von der Hochspannungselektrode zuY# Erde herzustellen. Tst dagegen auch nur eiire winzige Durchbrechung im Isolator vorhan-' den, durch die der Strom dringen kann, so erhält die Mittelelektrode unter Umständen • ° Erdung über eine leitende Kohleschicht. Es mag ein kurzer Spalt zwischen dem Ende der Elektrode und der Kohleablagerung vorhanden sein, falls die Durchbrechung so klein ist, daß sich Kohle nicht in ihr absetzen kann. AIx^r der in diesem kleinen Spalt auftretende Funke ist in dem kleinen Loch derart wirksam abgeschirmt, daß die Zündung aussetzt. Zum besseren Verständnis der Erfindung sind nachstehend einige Ausführungsformen als Beispiele beschrieben und werden an Hand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. ι schematisch einen Zündungstromkreis, in dem die Erfindung verkörpert werden kann,

Fig. 2 bis 4 mehrere Ausführungsformen von ernndungsgemäß hergestellten Zündkerzen,

Fig. 5 einen etwas abgeänderten Stromkreis zur Anwendung der Erfindung. Der in Fig. 1 dargestellte Stromkreis kann bei Anwendung des üblichen Funkeninduktorzündungssysteins der zur Zeit üblichen Automobile für die Erfindung benutzt werden. Mit 4 ist die gebräuchliche <»-Volt-Batterie, niit (1 der eine Primärseite K und eine Sekundärseite 10 besitzende Funkeninduktor bezeichnet. Der übliche Stromkreisunterbrecher J 2 kann in bekannter Weise von der Maschine angetrieben werden. Zur Verminderung einer Funkenbildung überbrückt der übliche Kondensator 14 die l/nterbreeherpunkte. Bei einer erfolgreich benutzten Ausführungsform des Apparates war das Verhältnis der Sekundärwindungen zu den Primärwiudungen im ♦5 Funkeninduktor nur 25 : r, während das Verhältnis in den zur Zeit üblichen Xiederfrequenzanlagen sich von 34 : 1 bis 79 : 1 ändert. Dies ist selbstverständlich Sache der Ausführungsform, da sich das Übersetzungsverhältnis mit der Anlage ändert.

Im Xebenschluß zur Sekundärseite το liegt ein Kondensator 16 und parallel mit dem Kondensator eine Funkenstrecke iS in Reihe mit der Primärseite 20 des Transformators 7 . Dieser Transformator kann die Gestalt der bekannten Tesla-Spule besitzen und einfach einen Luftkern aufweisen. Das in der obenerwähnten besonderen Ausführungsform des Apparates benutzte Transformationsverhältnis betrug 1 : 30. Dies kann gleichfalls für verschiedene Anlagen geändert werden. Der Kondensator i6, die Funkenstrecke 18 und die Primärspule 20 bilden einen abgestimmten oszillierenden Stromkreis. Der oszillierende ;-,Stromkreis kann in irgendeiner bekannten *5 i beispielsweise durch Einstellung der jtikenstreckenlänge, der Kapazitanz oder des Stromkreises, abgestimmt werden. In Reihe mit der Sekundärspule 22 des Transformators T liegt der Verteiler 23, der einen Dreharm 24 und eine Reihe von Klemmen 25 besitzt, von denen jede mittels einer Leitung 27 mit einer der Zündungsvorrichtungen 26 in Verbindung steht. Der Verteiler wird in üblicher Weise von der ⁷S Maschine angetrieben und kann gebräuchliche Ausführungsform besitzen.

Die Zündungsvorrichtung 26 kann gemäß Fig. 2 die Gestalt einer Zündkerze besitzen. Die Hülse 28 kann in eine öffnung in der Verbrennungskammerwandung eingeschraubt werden und besitzt im dargestellten Ausführungsbeispiel an ihrem unteren Ende eine Seitenelektrode. Eine Mittelelektrode 32 erstreckt sich innerhalb des Isolators 33 bis kurz vor das Isolatorende und ist an ihrem oberen Ende mit einer geeigneten Klemme 34 zur Verbindung mit der vom Verteiler 23 kommenden Leitung versehen. Es wird bemerkt, daß der Isolator 33 an seinem unteren Ende eine minimale Stärke besitzt und so eine minimale dielektrische Festigkeit schafft, um die Entladung auf diesen Teil der Zündkerze zu beschränken.

Die Hülse 28 ist im Maschinenblock in üblicher Weise geerdet, und zur Vereinfachung bei der Leitungsverlegung besitzen die Primär- und Sekundärseite der Funkenspule 6, der Kondensator 16 und die Primär- und Sekundärseite des Transformators T eine gemeinsame Erdungsverbindung G.

Das Zündungssystem arbeitet in folgender Weise:

Wenn sich der Verteiler gemäß Fig. 1 in einer einen Impuls zu einer Zündkerze sendenden Lage befindet, ist der Stromkreis der Primärseite 8 des Funkeninduktors 6 am Unterbrecher 12 unterbrochen. Zur Erreichung dieser zeitlichen Einstellung können der Stromkreisunterbrecher und Verteiler nach allgemeiner Praxis auf einer gemeinsamen Triebwelle angebracht sein. Das Unterbrechen des Stromkreises der Primärseite ergibt die Entstehung einer Spannung in der Sekundärseite und folglich das Aufspeichern einer Ladung im Kondensator 16. Der Auf- >au der Ladung dauert so lange an, bis die Spannung genügend hoch ist,' um das Überspringen eines Funkens über die Funkenstrecke 18 zu veranlassen. Der durch den »ao Kondensator 16, die Funkenstrecke 18 und die Primärseite 20 des Transformators T gebil-

dete abgestimmte Stromkreis wird dann zum Oszillieren gebracht. Der oszillierende Stromkreis ist für Frequenzen von ι ooo ooo Zyklen je Sekunde bestimmt. Gegebenenfalls können jedoch 3 000 000 Zyklen oder sogar noch mehr benutzt werden, und es ist auch ein beträchtlicher Spielraum unter ι 000 000 Zyklen zulässig.

Der oszillierende Hochfrequenzstrom in der Primärseite 20 des Transformators T induziert eine hochfrequente elektromotorische Kraft in der Sekundärseite 22, die einen Hochfrequenzstrom in dem aus der Sekundärseite 22, dem Verteiler 23 und der jeweils vom Verteiler ausgewählten Zündkerze 26 bestehenden Stromkreis verursacht. Die Mittelelektrode 32 der Zündkerze bildet eine Platte eines Kondensators und die andere Elektrode 30 die andere Platte. Das Dielektrikum besteht aus dem benachbarten Teil des Isolators 33 und der Funkenstrecke, welche den Isolator von der Seitenelektrode trennt. Nach Anlegung der Hochfrequenzspannung werden die die Funkenstrecke ausfüllenden Gase

»5 durchgeschlagen, und es findet eine elektrische Entladung zwischen der Elektrode 30 und der benachbarten Isolatoroberfläche statt. Diese Entladung ist nicht auf die äußerste Isolatorspitze beschränkt; sie findet vielmehr über eine ziemlich große Fläche am Zündkerzenende statt.. Manchmal kann auch die Entladung unmittelbar zwischen dem Hülsenende und dem unteren Isolatorende stattfinden. Eine Prüfung der Entladung durch die Gase in der Verbrennungskammer wird zeigen, daß nicht nur Funken zur Elektrode und gelegentlich zu anderen Punkten an der Hülse überspringen, sondern daß vielmehr die Funkenentladung auch in Gestalt einer blauen Glimmentladung die Verbrennung auslösen kann.

Dieselbe Wirkung tritt ein, wenn sich der

Verteilerarm in Lagen bewegt, um Impulse im Umlauf zu den anderen Zündkerzen zu senden. Gegebenenfalls kann die Seitenelektrode 30 völlig entbehrt werden; in diesem Falle findet die Entladung mit gleich guten Ergebnissen in Gestalt eines Glimmens und eines Sprühens von großen und kleinen Funken statt, welche von der Mittelelektrode zur Hülsenseite verlaufen.

Das Zündungssystem besteht somit im wesentlichen aus einer Quelle von hochfrequenten elektrischen Oszillationen, die Impulse auf einen Stromkreis aufdrückt, der die Zündungsvorrichtung enthält und in einer > gewünschten Weise mit dem oszillierenden Stromkreis gekuppelt ist. In der Zeichnung ist eine elektromagnetische Kupplung dargestellt; es kann aber selbstverständlich gegebenenfalls diese Kupplung durch eine elektrostatische oder Widerstandskupplung ersetzt werden. Im Falle einer elektrostatischen oder Widerstandskupplung würde es nötig sein, in dem Funkeninduktor eine höheres Transformationsverhältnis zu benutzen, da diese Kupplungsart ein Aufstufen der Spannungen nicht zuläßt. Die Schwierigkeit in der Ausführung eines wirksamen Funkeninduktors von geeignetem Transformationsverhältnis macht diese Kupplungsverfahren zur Zeit unpraktisch. Der aus der Spule 22, dem Verteiler 23, dem Leiter 27, der Zündungsvorrichtung-26 und schließlich der Erdungsverbindung bestehende Stromkreis wird als Zündungsstromkreis bezeichnet. Zur Sicherung eines maximalen Wirkungsgrades bei der Übertragung elektrischer Energie sollte der Stromkreis abgestimmt sein, so daß er sich in Resonanz befindet.

In Fig. ι ist eine Ausführungsform eines gedämpften oszillierenden Stromkreises dargestellt, der eine Funkenstrecke enthält. Selbstverständlich könnte gegebenenfalls eine Quelle ungedämpfter Schwingungen, beispielsweise eine gewöhnliche Vakuumröhre, benutzt werden; da man aber zur Sicherung der gewünschten Leistung eine Hochleistungsröhre großen Ausmaßes benutzen müßte, würden wahrscheinlich die notwendigen Kosten diesem Verfahren hinderlich sein.

In Fig. 3 ist eine Zündungsvorrichtung dargestellt, die ein wenig von der in Fig. 2 dargestellten abweicht. Wie in jener Figur ist der Isolator 2i2>' zweckmäßig aus Porzellan, geschmolzenem Quarz oder anderem Material mit geeigneten Isolations- und Wärmebeständigkeitseigenschaf ten hergestellt; in dieser Ausführungsform ist jedoch das Isolatorende an der Stelle 36 abgeflacht und liegt in einer Ebene mit dem unteren Ende der Hülse 28'.

In Fig. 4 ist eine weitere Abänderung dargestellt, bei der ein geschmolzener Ouarzisolator 33" benutzt wird. Wie bei den Ausführungsformen der anderen Figuren hört die Mittelelektrode 32" kurz vor dem unteren Ende des Isolators auf, so daß sie völlig von den Wirkungen der Verbrennungsgase abgeschirmt ist.

Bei einer üblichen Zündkerze muß die Mit- uo telelektrode in den Isolator eingeschmolzen werden, um das Lecken der Verbrennungskammergase von der Verbrennungskammer zwischen der Mittelelektrode und ihrer Bohrung zu verhindern. Bei den dargestellten Zündungsvorrichtungen ist es selbstverständlich nicht nötig, dies vorzunehmen, da die Verbrennungskammergase die Elektrode nicht erreichen können. Die Elektrode kann einfach in den Isolator eingeschraubt sein. Somit ist das Problem der Einschmelzung durch die neuartige Konstruktion völlig vermieden.

Gegebenenfalls kann die Seitenelektrode gänzlich entbehrt werden, in welchem Falle die Funken und die Glimmentladungen von der Isolatorspitze, wie weiter oben beschrielx-n, zu verschiedenen Punkten ringsherum um die Hülse verlaufen.

In Fig. 5 ist eine andere Form des Stromkreises dargestellt, die gegebenenfalls benutzt werden kann. Der Hauptunterschied besteht ίο darin, daß der Verteiler 23' im oszillierenden Stromkreis angeordnet ist, welcher die Primärseite des Tesla-Transformators T enthält. Bei dieser Ausführungsform muß man, anstatt nur einen Transformator oder eine Tesla-Spule für alle Zündungsvorrichtungen zu verwenden, einen solchen Transformator oder eine Tesla-Spule für jeden Zylinder vorsehen. Dies kann in passender Weise in Form von Befestigungen an den einzelnen Zündkerzen gemacht werden.

In Fig. 5 ist mit 4' die Batterie und mit 12' der Stromkreisunterbrecher bezeichnet, der wie zuvor mechanisch betätigt und durch den üblichen Kondensator 14' überbrückt wird; mit 6' ist die übliche Funkenspule mit einer Primärseite 8' und einer Sekundärseite 10' bezeichnet. Mit 18' ist die Funkenstrecke im Nebenschluß zur Sekundärseite der Funkenspule bezeichnet. Parallel zur Funkenstrecke liegen in Reihe ein Kondensator 16', der Verteiler 23' und die Primärseite 20' des Transformators oder der Tesla-Spule T'. Die Sekundärseite 10' der Funkenspule, die entsprechende Seite der Funkenstrecke 18' und die Primärseite 20' des Transformators T' sind bei G' geerdet. Die Ziindungsvorrichtung 2(>', welche irgendeine der beschriebenen Konstruktionen sein kann, vervollständigt den Sekundärstromkreis des Transformators. Es ist zwar nicht dargestellt, aber es ist selbstverständlich, daß jeder Punkt am Verteiler mit einem Transformator Ί" in der gleichen Weise verbunden ist wie der eine dargestellte. j

Der soeben beschriebene Stromkreis arbeitet in der gleichen Weise wie der zuerst beschriebene. Der Hauptvorteil besteht darin, daß eine geringere Möglichkeit für Verlust ah elektrischer Energie vorhanden ist.

Selbstverständlich kann die Zündungsvorrichtung mancherlei andere Formen an- 50· nehmen. Wesentlich ist nur, daß sie ein Kondensator ist, bei dem die elektrische Entladung durch die gasförmigen Teile des Dielektrikums stattfindet.

Es wurde die Tatsache erwähnt, daß gleichzeitig mit der Funkenentladung ein blaues Glimmlicht auftritt. Es ist nicht genau bekannt, welcher Teil der Phänomene die Zündung hervorruft oder sogar die größte Rolle bei der Erzeugung spielt. Wie auch die genaue Natur der Phänomene ist, Verbrennungskraftmaschinen sind erfolgreich mit dem neuartigen System mit den oben beschriebenen Vorteilen gelaufen.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Zündkerze für eine Hochfrequenzzündanlage für Brennkraftmaschinen mit durch festen Isolierstoff vollständig abgedeckter Mittelelektrode, die samt ihrem Isolator von einem metallischen Zündkerzenkörper getragen wird, gekennzeichnet durch eine solche Dicke der Isolierschicht über der Mittelelektrode an der Übergangsstelle der Entladungen, daß das Durchschlagen von Funken durch die Isolierschicht verhindert ist.

2. Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zone schwächster Isolierung sich zwischen den Elektroden am inneren Ende des Isolators befindet.

3. Zündkerze nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Ende des Isolators im wesentlichen mit dem inneren Ende des Zündkerzenkörpers abschneidet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen