EP0952647A1 - Zündkerze für eine Brennkraftmaschine bzw. Sensorelement für Entflammungs- und Verbrennungsvorgang - Google Patents

Zündkerze für eine Brennkraftmaschine bzw. Sensorelement für Entflammungs- und Verbrennungsvorgang Download PDF

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EP0952647A1
EP0952647A1 EP99105700A EP99105700A EP0952647A1 EP 0952647 A1 EP0952647 A1 EP 0952647A1 EP 99105700 A EP99105700 A EP 99105700A EP 99105700 A EP99105700 A EP 99105700A EP 0952647 A1 EP0952647 A1 EP 0952647A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrode
spark plug
areas
sensor element
electrodes
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP99105700A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Rüdiger Dr. Herweg
Rudolf Dr. Maly
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
DaimlerChrysler AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by DaimlerChrysler AG filed Critical DaimlerChrysler AG
Publication of EP0952647A1 publication Critical patent/EP0952647A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T13/00—Sparking plugs
    • H01T13/20—Sparking plugs characterised by features of the electrodes or insulation
    • H01T13/39—Selection of materials for electrodes

Definitions

  • the present invention relates to a spark plug for an internal combustion engine or a sensor element for an ignition and combustion process according to the preambles of claims 1, 2 and 7.
  • spark plugs which are used, for example, in transistor coil ignition systems, is generally known.
  • a high voltage of the order of 30 kV is generated on the electrodes of a spark plug, which leads to a sparkover between the electrodes of the spark plug.
  • This flashover ignites the mixture in the combustion chamber of the internal combustion engine, so that the combustion process begins.
  • the sparkover with the arc connected to it leads to material removal (erosion) of the electrodes. This gradually increases the electrode spacing, so that due to the increasing spacing, the voltage required to cause the sparkover occurs.
  • spark plugs of this type as ion current sensors for measuring or checking the ignition and the combustion process (EP 0 699 870 A1).
  • the electrodes of a spark plug design the electrodes of a spark plug from a plurality of materials.
  • a further material is applied to a carrier material and forms a first region of the electrode.
  • the carrier material forms a second area of the electrode.
  • the distance between the first two areas of the electrodes is less than the distance between the second areas.
  • the first area consists of a noble metal such as platinum or a noble metal alloy such as platinum-iridium.
  • the second area consists of a nickel alloy known per se and used for electrodes of spark plugs. The sparkover should be generated in the first area of the electrodes, while the sparkover should be transferred to the second area during the arc phase.
  • the task is to propose an improved spark plug or an improved sensor element.
  • This small radius of curvature can be a tip, for example, which corresponds to an idealized radius of curvature of 0. It is essential that the shape of the surface reinforces the electric field, which can be described essentially inversely proportional to the radius of curvature, so that the sparkover is promoted. This is the case, for example, with a tip or with a correspondingly curved surface. In this context, it is only known from the prior art to design the surfaces to be flat, i.e. with an infinite radius of curvature.
  • the geometric shape of the first area also remains almost unchanged, so that the small radius of curvature or the tip is retained even after a longer operating time without being removed forming electrical fields depending on the radius of curvature of the electrodes that the voltage required for a flashover can be reduced.
  • This enables a simplification of the construction of spark plugs because the insulation materials such as the ceramic candle stone or the plastic insulation are at the limits of their capacity at the voltages previously required for a sparkover (magnitude 30 kV).
  • An increase in the wall thickness of the insulation materials to improve the insulation is not readily possible, because it can lead to uncontrolled sliding and volume discharges, which destroy the materials.
  • the surface of the electrode is continuous, at least at the transition between the two areas.
  • the geometrical design of the two areas prevents the electrode from falling apart at the junction of the two areas, even with mechanical and thermal alternating loads.
  • the type of connection of the two areas such as welding, soldering, shrinking, prevents the electrode from falling apart at the junction of the two areas, even with mechanical and thermal alternating loads.
  • Claim 7 relates both to an improvement of the spark plugs described in the previous claims and to a feature by which improvements can be achieved in the spark plugs known from the prior art.
  • at least one of the electrodes has a material projection at a point which is opposite a point on the other electrode at which deposits can occur on the other electrode during operation.
  • This configuration advantageously creates an auxiliary spark gap, via which the deposits are removed by occasional sliding discharges. This makes the spark plug insensitive to soot.
  • spark plug also acts as a sensor element can be used and that the component described as a spark plug can also be used only as a sensor element without the combustion process being ignited by the component.
  • FIG. 2 shows a curve of the voltage over time in a conventional transistor coil ignition system.
  • the spark phase 201 is the increase with a duration of typically 60 microseconds.
  • the spark phase 202 is the breakdown phase with a duration of typically 2 ns, an energy of approximately 0.5 mJ and a spark erosion of approximately 12 * 10 -12 g / mJ.
  • the spark phase 203 is the arc phase with a duration of approximately 1 ms, an energy of approximately 1 mJ and a spark erosion of approximately 210 * 10 -12 g / mJ.
  • the spark phase 4 is the glow phase with a duration of approximately 2 ms, an energy of approximately 60 mJ and a spark erosion of approximately 3.5 * 10 -12 g / mJ.
  • the glow phase is essentially effective in terms of ignition, the reliability of ignition increasing with the amount of the peak current and the discharge duration.
  • the maximum ignition energy is always offered, which is far higher than is necessary for most operating points, since predictive energy control is not possible with the transistor coil ignition system.
  • Reliable technology with mostly hook-shaped earth bars has been established for the spark plugs in terms of ceramics and design. Copper-core-cooled chrome-nickel alloys, in special cases silver or platinum, are used as materials for the full electrodes.
  • spark plug Because of the usual separation of coil and candle, long ignition cables are sometimes used, which essentially determine the arc proportions, especially in the case of secondary ignitions.
  • the service life of a spark plug is generally limited by an impermissibly high increase in the voltage at the electrodes required for a sparkover (ignition voltage requirement) as a result of the electrode erosion and the resulting increase in the electrode spacing. If the candle is dimensioned correctly thermally, spark erosion dominates in the arc phase.
  • erosion can even lead to an increase in the effective electrode spacing and thus to a more stable idling behavior.
  • This erosion does not result in an increase in the ignition voltage requirement, because this current flow only takes effect in the second area when a sparkover has already occurred in the first area and the arc has been transferred to the second area.
  • Figure 1 shows a current control by using a two-substance electrode.
  • Anchor points formed as first areas 101 can be seen. These anchor points are made of a material with a high work function for electrons and / or a high evaporation temperature and / or a high specific resistance and / or a low electron yield under plasma conditions.
  • Such materials can be, for example, noble metals such as platinum, alloys of noble metals or the like.
  • the platinum can also be replaced by other metals from the platinum group, such as Rh, Pd, Ir.
  • ion implantation of the corresponding materials can also take place.
  • These anchor points forming the first region 101 sit on both electrodes 102, 103 on materials with inverse properties (for example Cr-Ni connections). Insofar as these materials form the surface of the electrodes 102, 103, these materials form the second region 104.
  • the material of this second region 104 is allowed to erode / erode subject to. It can be seen that the transition from the first region 101 to the second region 104 is continuous, which favors the control of the spark current.
  • the anchor points forming the first region 101 determine the ignition voltage and the ignition location.
  • the material selection mentioned forces the first sparkover to take place via the anchor points forming the first area, but the discharge immediately passes to the second areas 104 of the carrier electrodes 102, 103 which are designed as sacrificial areas.
  • the spark current is directed to the sacrificial areas after the flashover, so that the ignition voltage requirement of the spark plug remains almost constant over its life.
  • the erosion in the first region 101 formed by the anchor points is minimal, so that the electrode spacing 105 which determines the ignition voltage requirement remains almost constant.
  • the erosion is shifted to the predefined second area 104 of the carrier electrodes 102, 103.
  • the effective spark length after the sparkover increases with time (increasing burn-up) and thereby even favors the ignition system's ability to ignite.
  • the second region 104 burns to the extent that material is removed, by means of which the concave surface is formed.
  • the anchor points forming the first region 101 have a small radius of curvature where the electrode spacing 105 is the smallest. This further reduces the ignition voltage requirement.
  • a material projection 106 can be seen on the electrode 102, which lies opposite a point on the other electrode 103 at which deposits can occur on the other electrode 103 during operation. This creates an auxiliary spark gap, via which the deposits are removed by occasional sliding discharges. This measure of the auxiliary spark gap can also be used in other spark plugs, regardless of the previously described design of the spark plug.
  • FIG. 3 shows a further embodiment of the electrodes of a spark plug, in which the regions 101 formed by the anchor points can be small pieces or small plates 302 made of the corresponding materials or also small balls 301.
  • FIG. 4 shows that the first region 101 can also be formed by pins 401, 402, the pins 401 at the tip 403 being made of a different material than the body 404 of the pins.
  • the deflection of the spark current to the second region 104 can be favored by the choice of the corresponding materials with regard to their resistance ratio.
  • the first region 101 is formed by a coating with the corresponding material.
  • FIG. 5 shows an embodiment of the first area 101, in which it has a foot 501. With this foot, the material of the first area is still held in the carrier electrode 102, 103 even if the second area 104 has already burned off. This is of considerable importance, since parts of the spark plug can destroy the internal combustion engine.
  • the first region can consist of a poorly conducting semiconductor.
  • the small ignition current does not result in a significant voltage drop in the semiconductor or the semiconducting layer, the resistance value of which can be, for example, between 10 and 1,000 ⁇ .
  • the resistance value can be, for example, between 10 and 1,000 ⁇ .
  • Very large spark gaps can also be forced through the selection of the resistors, the shape and the local positioning. Combinations with layers can also be used if necessary. The large spark gaps improve the flammability of the mixture.
  • resistors in the first region It is also possible to achieve current control via the resistors in the first region.
  • a combination of metals and semiconductors can optimize the required conductivity and the erosion resistance.

Landscapes

  • Spark Plugs (AREA)
  • Ignition Installations For Internal Combustion Engines (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zündkerze für eine Brennkraftmaschine oder ein Sensorelement für einen Entflammungs- oder Verbrennungsvorgang, bei der/dem wenigstens eine der Elektroden aus zwei Materialien besteht, wobei die Elektrode so ausgebildet ist, daß der Abstand von einem ersten Bereich der Elektrode zur anderen Elektrode geringer ist als der Abstand von einem weiteren Bereich der Elektrode zur anderen Elektrode, wobei die beiden Bereiche aus unterschiedlichen Materialien bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Elektrode in dem ersten Bereich an der Stelle, an der der Abstand zur anderen Elektrode mimimal ist, einen geringen Krümmungsradius aufweist. Unabhängig oder in Kombination mit dieser Ausgestaltung kann der Verlauf der Oberfläche der Elektrode zumindest am Übergang der beiden Bereiche stetig sein. Weiterhin ist es möglich, daß wenigstens eine der Elektroden einen Materialvorsprung an einer Stelle aufweist, der einer Stelle an der anderen Elektrode gegenüberliegt, an der an der anderen Elektrode beim Betrieb Ablagerungen auftreten können. <IMAGE>

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zündkerze für eine Brennkraftmaschine bzw. ein Sensorelement für einen Entflammungs- und Verbrennungsvorgang nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1, 2 und 7.
  • Der Aufbau von herkömmlichen Zündkerzen, die beispielsweise in Transistor-Spulen-Zündanlagen Verwendung finden ist allgemein bekannt. Dabei wird an den Elektroden einer Zündkerze eine Hochspannung in der Größenordnung von 30 kV erzeugt, die zu einem Funkenüberschlag zwischen den Elektroden der Zündkerze führt. Durch diesen Funkenüberschlag wird das Gemisch im Brennraum der Brennkraftmaschine gezündet, so daß der Verbrennungsvorgang einsetzt, Durch den Funkenüberschlag mit dem daran anschließenden Bogen kommt es zu einem Materialabtrag (Abbrand) der Elektroden. Dadurch vergrößert sich nach und nach der Elektrodenabstand, so daß aufgrund des größer werdenden Abstandes die benötigte Spannung ansteigt, um den Funkenüberschlag herbeizuführen. Es ist ebenso bekannt, derartige Zündkerzen als Ionenstromsensoren für die Messung bzw. Überprüfung einer Entflammung sowie des Verbrennungsvorganges zu verwenden (EP 0 699 870 A1).
  • Zur Vermeidung der mit dem Abbrand verbundenen Probleme ist es bekannt geworden (DE 41 28 392 C2), die Elektroden einer Zündkerze aus mehreren Materialien auszubilden. Auf ein Trägermaterial wird ein weiteres Material aufgebracht, das einen ersten Bereich der Elektrode bildet. Das Trägermaterial bildet einen zweiten Bereich der Elektrode. Der Abstand der beiden ersten Bereiche der Elektroden ist geringer als der Abstand der zweiten Bereiche. Der erste Bereich besteht aus einem Edelmetall wie beispielsweise Platin oder einer Edelmetalllegierung wie beispielsweise Platin-Iridium. Weiterhin ist angegeben, daß der zweite Bereich aus einer an sich bekannten und bei Elektroden von Zündkerzen verwendeten Nickellegierung besteht. Dabei soll der Funkenüberschlag im ersten Bereich der Elektroden erzeugt werden, während der Funkenüberschlag während der Bogenphase auf den zweiten Bereich übergeleitet werden soll. Da der Materialabtrag bei den Edelmetallen äußerst gering ist, ergibt sich somit über eine sehr lange Lebensdauer der Zündkerze ein nahezu konstanter Abstand der ersten Bereiche, über die der Funkenüberschlag erfolgt,so daß die benötigte Spannung für einen Funkenüberschlag über eine längere Betriebsdauer der Zündkerze konstant ist. Der hauptsächliche Materialabtrag während der Bogenphase erfolgt im zweiten Bereich.
  • Demgegenüber ist es die Aufgabe, eine verbesserte Zündkerze bzw. ein verbessertes Sensorelement vorzuschlagen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß zum einen nach Anspruch 1 gelöst, wonach die wenigstens eine Elektrode in dem ersten Bereich an der Stelle, an der der Abstand zur anderen Elektrode minimal ist, einen geringen Krümmungsradius aufweist.
  • Dieser geringe Krümmungsradius kann beispielsweise eine Spitze sein, was einem idealisierten Krümmungradius von 0 entspricht. Wesentlich ist dabei, daß durch die Form der Oberfläche eine Verstärkung des elektrischen Feldes eintritt, das im wesentlichen umgekehrt proportional zum Krümmungsradius beschireben werden kann, so daß der Funkenüberschlag begünstigt wird. Dies ist beispielsweise bei einer Spitze der Fall oder auch bei einer entsprechend gekrümmten Oberfläche. Aus dem Stand der Technik ist es in diesem Zusammenhang lediglich bekannt, die Oberflächen flach, d.h mit unendlichem Krümmungsradius auszubilden.
  • Es hat sich gezeigt, daß aufgrund des geringen Materialabtrages im ersten Bereich auch die geometrische Form des ersten Bereiches nahezu unverändert bleibt, so daß der geringe Krümmungsradius bzw. die Spitze auch bei einer längeren Betriebsdauer erhalten bleibt, ohne abgetragen zu werden Dadurch ergibt sich aufgrund der sich ausbildend elektrischen Felder in Abhängigkeit von dem Krümmungsradius der Elektroden, daß die für einen Funkenüberschlag benötigte Spannung abgesenkt werden kann. Dies ermöglicht eine Vereinfachung des Aufbaus von Zündkerzen, weil die Isolationsmaterialien wie der keramische Kerzenstein oder die Kunststoffisolation bei den bisher benötigten Spannungen für einen Funkenüberschlag (Größenordnung 30 kV) an der Grenze ihrer Leistungsfähigkeit sind. Eine Erhöhung der Wandstärken der Isolationsmaterialien zur Verbesserung der Isolation ist nicht ohne weiteres möglich, weil es zu unkontrollierten Gleit- und Volumenentladungen kommen kann, die die Materialien zerstören.
  • Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Lösung nach Anspruch 2 ist der Verlauf der Oberfläche der Elektrode zumindest am Übergang der beiden Bereiche stetig.
  • Durch wird die Überleitung des Funkens nach dem Funkenüberschlag in der Bogenphase von dem ersten Bereich auf den zweiten Bereich erleichtert gegenüber einer Anordnung, bei der am Übergang von ersten zum zweiten Bereich ein Sprung auftritt.
  • Besonders vorteilhaft zeigt sich als Verbesserung der bekannten Zündkerzen, wenn nach Anspruch 3 die Maßnahmen gemäß den Ansprüchen 1 und 2 kombiniert werden.
  • Als vorteilhaft erweist es sich, wenn nach Anspruch 4 wenigstens einer der beiden Bereiche aus mehreren Materialien besteht.
  • Bei der Ausgestaltung der Zündkerze nach Anspruch 5 wird durch die geometrische Ausbildung der beiden Bereiche wie beispielsweise Verdickungen, Verschränkungen, Gewinde oder Rillen ein Auseinanderfallen der Elektrode an der Verbindungsstelle der beiden Bereiche auch bei mechanischer und thermischer Wechselbelastung vermieden.
  • Bei der Zündkerze nach Anspruch 6 wird durch die Art der Verbindung der beiden Bereiche wie beispielsweise Verschweißen, Verlöten Schrumpfen ein Auseinanderfallen der Elektrode an der Verbindungsstelle der beiden Bereiche auch bei mechanischer und thermischer Wechselbelastung vermieden.
  • Dadurch können mögliche Probleme beispielsweise infolge unterschiedlicher Wärmeleitfähgikeiten der Materialien oder Abtrag von Trägermaterialien vermieden werden.
  • Anspruch 7 betrifft sowohl eine Verbesserung der in den bisherigen Ansprüchen beschriebenen Zündkerzen als auch ein Merkmal, durch das bei den aus dem Stand der Technik bekannten Zündkerzen Verbesserungen erzielbar sind. Danach weist wenigstens eine der Elektroden einen Materialvorsprung an einer Stelle auf, der einer Stelle an der anderen Elektrode gegenüberliegt, an der an der anderen Elektrode beim Betrieb Ablagerungen auftreten können.
  • Durch diese Ausgestaltung entsteht vorteilhaft eine Hilfsfunkenstrecke, über die durch gelegentliche Gleitentladungen die Ablagerungen beseitigt werden. Die Zündkerze wird dadurch also verrußungsunempfindlich.
  • Vorteilhaft ist es selbstverständlich, wenn nicht nur eine der Elektroden entsprechend ausgebildet ist, sondern wenn beide Elektroden entsprechend den Ansprüchen ausgebildet sind.
  • Auch wenn die Verhältnisse der Übersichtlichkeit und der Klarheit der Darstellung halber - sowohl im Zusammenhang mit den anderen Ansprüchen als auch in der Figurenbeschreibung - lediglich anhand der Zündkerze erläutert werden, ist aus dem Zusammenhang und insbesondere aus den Patentansprüchen ersichtlich, daß die Zündkerze gleichzeitig als Sensorelement verwendet werden kann und daß ebenso das als Zündkerze beschriebene Bauteil lediglich als Sensorelement verwendet werden kann, ohne daß durch das Bauteil der Verbrennungsvorgang gezündet wird.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung näher der dargestellt. Es zeigt dabei im einzelnen:
    • Figur 1:
    Zündkerzenelektroden, die als Zweistoffelektroden ausgebildet sind,
    Figur 2:
    eine Erläuterung des Verlaufes der Spannung über der Zeit bei einer herkömlichen Transistor-Spulen- Zündanlage und
    Fig. 3-6:
    verschiedene Ausgestaltungen von Elektroden.
  • Figur 2 zeigt einen Verlauf der Spannung über der Zeit bei einer herkömmlichen Transistor-Spulen-Zündanlage. Die Funkenphase 201 ist der Anstieg mit einer Dauer von typischerweise 60 µs. Die Funkenphase 202 ist die Durchbruchphase mit einer Zeitdauer von typerscherweise 2 ns, einer Energie von etwa 0,5 mJ und einer Funkenerosion von etwa 12*10-12 g/mJ. Die Funkenphase 203 ist die Bogenphase mit einer Zeitdauer von etwa 1 ms, einer Energie von etwa 1 mJ und einer Funkenerosion von etwa 210*10-12 g/mJ. Die Funkenphase 4 ist die Glimmphase mit einer Zeitdauer von etwa 2 ms, einer Energie von etwa 60 mJ und einer Funkenerosion von etwa 3,5*10-12 g/mJ.
  • Bei der herkömmlichen Transistor-Spulen-Zündanlage ist im wesentlichen die Glimmphase entflammungswirksam, wobei die Zündsicherheit mit der Höhe des Spitzenstromes und der Entladedauer zunimmt. Es wird immer die maximale Zündenergie angeboten, die weit höher ist, als für die meisten Arbeitspunkte notwendig, da eine vorausschauende Energieregelung bei der Transistor-Spulen-Zündanlage nicht möglich ist. Abgrund der Spulenbauart und der Kapazitäten der Zündkabel tritt zwangsläufig ein Bogenanteil auf, der zwar energetisch gering: aber bezogen auf die Verkürzung der Kerzenlebensdauer durch Erosion dominant ist. Bei den Zündkerzen hat sich bezüglich Keramik und Bauart eine zuverlässige Technologie mit meist hakenförmigen Massebügeln etabliert. Als Materialien für die Vollelektroden werden kupferkerngekühlte Chrom-Nickellegierungen, in Sonderfällen Silber oder Platin verwendet. Wegen der üblichen Trennung von Spule und Kerze werden zum Teil lange Zündkabel verwendet, die wesentlich die Bogenanteile bestimmen, insbesondere bei Folgezündungen. Die Lebensdauer einer Zündkerze ist im allgemeinen durch einen unzulässig hohen Anstieg der für einen Funkenüberschlag benötigten Spannung an den Elektroden (Zündspannurgsbedarf) infolge des Elektrodenabbrandes und der dadurch bedingten Vergrößerung des Elektrodenabstandes begrenzt. Wird die Kerze thermisch richtig dimensioniert, dominiert die Funkenerosion in der Bogenphase.
  • Diese soll nach der vorliegenden Erfindung minimiert werden durch eine Lenkung des Stromflusses in Bereiche der Elektroden, in denen eine Erosion zulässig ist. Dadurch kann die Erosion sogar zu einer Erhöhung des wirksamen Elektrodenabstandes führen und dadurch zu einem stabileren Leerlaufverhalten. Durch diese Erosion erfolgt keine Erhöhung des Zündspannungsbedarfes, weil dieser Stromfluß im zweiten Bereich erst dann wirksam wird wenn bereits ein Funkenüberschlag im ersten Bereich erfolgt ist und eine Überleitung des Bogens in den zweiten Bereich stattgefunden hat.
  • Figur 1 zeigt eine Stromlenkung durch Verwendung einer Zweistoffelektrode. Es sind als erste Bereiche 101 ausgebildete Ankerstellen zu sehen. Diese Ankerstellen sind aus einem Werkstoff mit einer hohen Austrittsarbeit für Elektronen und/oder einer hohen Verdampfungstemperarur und/oder einem hohen spezifischen Widerstand und/oder einer niedrigen Elektronenausbeute unter Plasmabedingungen.
  • Derartige Materialien können beispielsweise Edelmetalle wie Platin, Legierungen aus Edelmetallen oder ähnliches sein.
  • Beispielsweise kann das Platin auch ersetzt werden durch andere Metalle der Platin-Gruppe wie Rh, Pd, Ir.
  • Ebenso ist es auch möglich, die Metalle der Platin-Gruppe durch Hochtemperaturhalbleiter zu ersetzen wie
    • · Carbide von B, Al, Mg, Ti, V, Cr, Mn Fe, Co, Ni, Ta, Mo, W
    • · Nitride von B, Al, Mg, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Ta, Mo, W
    • · Oxide von B, Al, Mg, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Ta, Mo, W
    • · Boride von Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Ta, Mo, W.
  • Anstelle einer Verwendung entsprechender Materialstücke kann auch eine Ionenimplantation der entsprechenden Materialien erfolgen.
  • Weiterhin ist es möglich, anstelle der entsprechenden Materialstücke lokale Beschichtungen aus den genannten Materialien oder halbleitenden Kohlenstoffverbindungen herzustellen. Gegebenefalls können die Kohlenstoffverbindungen auch mit den genannten Materialien kombiniert werden.
  • Diese den ersten Bereich 101 bildenden Ankerstellen sitzen auf beiden Elektroden 102, 103 auf Materialien mit inversen Eigenschaften auf (beispielsweise Cr-Ni Verbindungen). Soweit diese Materialien die Oberfläche der Elektroden 102, 103 bilden, bilden diese Materialien den zweiten Bereich 104. Das Material dieses zweiten Bereiches 104 darf einem Abbrand/Erosion unterliegen. Es ist dabei zu sehen, daß der Übergang von dem ersten Bereich 101 in den zweiten Bereich 104 stetig was die Lenkung des Funkenstromes begünstigt.
  • Die den ersten Bereich 101 bildenden Ankerstellen bestimmen die Zündspannung und den Zündort. Die genannte Materialwahl erzwingt, daß der erste Funkenüberschlag über die den ersten Bereich bildenden Ankerstellen erfolgt, die Entladung aber sofort auf die als Opferbereiche ausgebildeten zweiten Bereiche 104 der Trägerelektroden 102, 103 übergeht. Durch die Wahl der Materialien und deren geometrische Anordnung wird der Funkenstrom nach dem Überschlag über die Ankerstellen auf die Opferbereiche gelenkt, so daß der Zündspannungsbedarf der Zündkerze über deren Lebensdauer nahezu konstant bleibt.
  • Dadurch ist der Abbrand in dem durch die Ankerstellen gebildeten ersten Bereich 101 minimal, so daß der den Zündspannungsbedarf bestimmende Elektrodenabstand 105 nahezu konstant bleiben. Der Abbrand wird auf den vordefinierten zweiten Bereich 104 der Trägerelektroden 102, 103 verlagert. Die effektive Funkenlänge nach dem Funkenüberschlag steigt mit der Zeit (zunehmendem Abbrand) an und begünstigt dadurch sogar die Entflammungsfähigkeit des Zündsystems.
  • Der Darstellung der Figur 1 ist zu entnehmen, daß in dem zweiten Bereich 104 ein Abbrand erfolgt dahingehend, daß ein Materialabtrag erfolgt, durch den sich die konkave Oberfläche ausbildet.
  • Weiterhin ist zu sehen, daß die den ersten Bereich 101 bildenden Ankerstellen einen geringen Krümmungsradius dort aufweisen, wo der Elektrodenabstand 105 am geringsten ist. Dadurch wird der Zündspannungsbedarf weiter reduziert.
  • Weiterhin ist ein Materialvorsprung 106 an der Elektrode 102 zu sehen, der einer Stelle an der anderen Elektrode 103 gegenüberliegt, an der an der anderen Elektrode 103 beim Betrieb Ablagerungen auftreten können Dadurch entsteht eine Hilfsfunkenstrecke, über die durch gelegentliche Gleitentladungen die Ablagerungen beseitigt werden. Diese Maßnahme der Hilfsfunkenstrecke kann auch unabhängig von der vorher beschriebenen Ausgestaltung der Zündkerze bei anderen Zündkerzen Verwendung finden.
  • Es hat sich gezeigt, daß mit diesen Maßnahmen die Lebensdauer einer Zündkerze mehr als verdreifacht werden kann.
  • Figur 3 zeigt eine Weitere Ausgestaltung der Elektroden einer Zündkerze, bei der die durch die Ankerstellen gebildeten Bereiche 101 Stückchen oder Plättchen 302 aus den entsprechenden Materialien sein können oder auch Kügelchen 301.
  • Demgegenüber zeigt Figur 4, daß der erste Bereich 101 auch durch Stifte 401, 402 gebildet werden kann, wobei die Stifte 401 an der Spitze 403 einem anderen Material bestehen als der Körper 404 der Stifte. Durch die Wahl der entsprechenden Materialien hinsichtlich deren Widerstandsverhältnis kann dadurch die Umlenkung des Funkenstromes auf den zweiten Bereich 104 begünstigt werden.
  • Bei der Elektrode nach Figur 6 ist der erste Bereich 101 durch eine Beschichtung mit dem entsprechenden Material gebildet.
  • Figur 5 zeigt eine Ausbildung des ersten Bereiches 101, bei dem dieses einen Fuß 501 aufweist. Durch diesen Fuß wird das Material des ersten Bereiches auch dann noch in der Trägerelektrode 102, 103 gehalten, wenn bereits ein Abbrand in dem zweiten Bereich 104 erfolgt ist. Dies ist von erheblicher Bedeutung, da bei einem Ablösen von Teilen der Zündkerze eine Zerstörung der Brennkraftmaschine möglich ist.
  • Durch die vorgenannten Ausgestaltungen können Feldverzerrungen erzielt werden, mit denen die Stromsteuerung unterstützt werden kann. Beispielsweise kann der erste Bereich aus einem schlechtleitenden Halbleiter bestehen. Der kleine Zündstrom ergibt keinen nennenswerten Spannungsabfall im Halbleiter oder der halbleitenden Schicht, deren Widerstandswert beispielsweise zwischen 10 und 1.000 Ω liegen kann. Wenn jedoch der Funkerstrom über einen Grenzwert ansteigt, wird der Spannungsabfall so groß, daß die Funkenentladung auf den zweiten Bereich abgedrängt wird. Durch die Wahl der Widerstände, der Form sowie örtliche Positionierung können auch sehr große Funkenabstände erzwungen werden. Gegebeneufalls können auch Kombinationen mit Schichten verwendet werden. Die großen Funkenabstände verbessern die Entflammbarkeit des Gemisches.
  • Weiterhin ist es möglich, über die Widerstände im ersten Bereich eine Stromlenkung zu erzielen. Beispielsweise kann durch eine Kombination von Metallen und Halbleitern eine Optimierung von erforderlicher Leitfähigkeit und dem Erosionswiderstand erfolgen.

Claims (7)

  1. Zündkerze für eine Brennkraftmaschine oder Sensorelement für einen Entflammungs-oder Verbrennungsvorgang, bei der/dem wenigstens eine der Elektroden (102, 103) aus zwei Materialien besteht, wobei die Elektrode (102, 103) so ausgebildet ist, daß der Abstand von einem ersten Bereich (101) der Elektrode (102, 103) zur anderen Elektrode (103, 102) geringer ist als der Abstand von einem weiteren Bereich (104) der Elektrode (102, 103) zur anderen Elektrode (103, 102), wobei die beiden Bereiche (101, 104) aus unterschiedlichen Materialien bestehen,
    dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Elektrode (102, 103) in dem ersten Bereich (101) an der Stelle, an der der Abstand (105) zur anderen Elektrode (103, 102) minimal ist, einen geringen Krümmungsradius aufweist.
  2. Zündkerze für eine Brennkraftmaschine oder Sensorelement für einen Entflammungs-oder Verbrennungsvorgang, bei der/dem wenigstens eine der Elektroden (102, 103) aus zwei Materialien besteht, wobei die Elektrode (102, 103) so ausgebildet ist, daß der Abstand von einem ersten Bereich (101) der Elektrode (102, 103) zur anderen Elektrode (103, 102) geringer ist als der Abstand von einem weiteren Bereich (104) der Elektrode (102, 103) zur anderen Elektrode (103, 102), wobei die beiden Bereiche (101, 104) aus unterschiedlichen Materialien bestehen,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Verlauf der Oberfläche der Elektrode (102, 103) zumindest am Übergang der beiden Bereiche (101,104) stetig ist.
  3. Zündkerze oder Sensorelement nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Verlauf der Oberfläche der Elektrode (102, 103) zumindest am Übergang der beiden Bereiche (101, 104) stetig ist.
  4. Zündkerze oder Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der beiden Bereiche (101, 104, 401) aus mehreren Materialien (401, 403) besteht.
  5. Zündkerze oder Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß durch die geometrische Ausbildung der beiden Bereiche (101, 104) die beispielsweise Verdickungen, Verschränkungen, Gewinde oder Rillen (501) ein Auseinanderfallen der Elektrode an der Verbindungsstelle der beiden Bereiche auch bei mechanischer und thermischer Wechselbelastung vermieden wird.
  6. Zündkerze oder Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß durch die Art der Verbindung der beiden Bereiche (101, 104) wie beispielsweise Verschweißen, Verlöten Schrumpfen ein Auseinanderfallen der Elektrode an der Verbindungsstelle der beiden Bereiche auch bei mechanischer und thermischer Wechselbelastung vermieden wird.
  7. Zündkerze für eine Brennkraftmaschine oder Sensorelement für einen Entflammungs-oder Verbrennungsvorgang insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Elektroden (102) einen Materialvorsprung (106) an einer Stelle aufweist, der einer Stelle an der anderen Elektrode (103) gegenüberliegt, an der an der anderen Elektrode (103) beim Betrieb Ablagerungen auftreten können.
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