AT522986B1

AT522986B1 - spark plug

Info

Publication number: AT522986B1
Application number: ATA50842/2019A
Authority: AT
Inventors: Gruber Friedrich
Original assignee: Brigitte Gruber
Priority date: 2019-10-04
Filing date: 2019-10-04
Publication date: 2023-06-15
Also published as: AT522986A1; DE102020124859A1

Abstract

Zündkerze, umfassend eine Mittelelektrode (2) und zumindest eine Masseelektrode (4), wobei die Mittelelektrode (2) stirnseitig sternförmig mit Zacken (1) ausgebildet ist, sodass n äußere Ecken (20), n innere Ecken (21) und 2n Mittelelektrodenkanten (22) gebildet werden, wobei die wenigstens eine Masseelektrode (4) n konvexe Ecken (30) aufweist, welche jeweils durch 2n Masseelektrodenkanten (32) gebildet werden, wobei jede der 2n Mittelelektrodenkanten (22) zumindest abschnittsweise parallel zu je einer der 2n Masseelektrodenkanten (32) ausgebildet ist und einen Elektrodenspalt (5) bilden, wobei im Gewindebereich der Zündkerze Bohrungen (35) angeordnet sind, die den Außenbereich des Zündkerzengewindes mit dem Atmungsraum der Zündkerze verbinden und durch die das Spülgas für eine Vorkammer geleitet wird, wobei zwischen den Bohrungen (35) und dem brennraumseitigen Gewindeende mindestens ein ganzer Gewindegang vorhanden ist.Spark plug, comprising a center electrode (2) and at least one ground electrode (4), the center electrode (2) being star-shaped with spikes (1) on the front side, so that n outer corners (20), n inner corners (21) and 2n center electrode edges ( 22), wherein the at least one ground electrode (4) has n convex corners (30), which are each formed by 2n ground electrode edges (32), each of the 2n center electrode edges (22) being at least partially parallel to one of the 2n ground electrode edges ( 32) and form an electrode gap (5), with bores (35) being arranged in the threaded area of the spark plug, which connect the outer area of the spark plug thread with the breathing space of the spark plug and through which the flushing gas for a prechamber is conducted, with between the bores (35) and the end of the thread on the combustion chamber side has at least one full thread turn.

Description

ZÜNDKERZE SPARK PLUG

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zündkerze für einen Ottomotor, umfassend eine Mittelelektrode und eine Masseelektrode. Weiters betrifft die Erfindung einen Ottomotor mit einer Zündkerze. The present invention relates to a spark plug for a gasoline engine, comprising a center electrode and a ground electrode. The invention also relates to an Otto engine with a spark plug.

[0002] Gas-Ottomotoren sind Hubkolbenverbrennungsmotoren, die nach dem Prinzip der Fremdzündung (z.B. durch Zündung mittels einer Zündeinrichtung) betrieben werden und deren Kraftstoff ein brennbares Gas ist. Gas Otto engines are reciprocating internal combustion engines that are operated according to the principle of external ignition (e.g. by ignition using an ignition device) and whose fuel is a combustible gas.

[0003] Solche Gas-Ottomotoren werden vielfach stationär betrieben, d.h. sie sind Teil einer ortsfesten Anlage, wobei die Kraftstoffversorgung durch Anschluss an eine Gasleitung, z.B. an eine Erdgasleitung erfolgt. Der Leistungsbereich dieser Motorenklasse erstreckt sich von wenigen kW bis zu mehr als 18.000 kW pro Motor. Gas Otto engines of this type are often operated in a stationary manner, i.e. they are part of a stationary system, the fuel being supplied by being connected to a gas line, e.g. to a natural gas line. The performance range of this engine class extends from a few kW to more than 18,000 kW per engine.

[0004] Die technologische Entwicklung der letzten 10 Jahre hat dazu geführt, dass sich die spezifische Leistung der Gas-Ottomotoren mehr als verdoppelt hat und der spezifische Kraftstoffverbrauch um ca. 20 % reduziert werden konnte. Damit wurde die Wirtschaftlichkeit dieser Anlagen erheblich gesteigert und deren Marktposition weiter gefestigt. The technological development of the last 10 years has meant that the specific power of gas spark-ignition engines has more than doubled and the specific fuel consumption could be reduced by about 20%. This significantly increased the profitability of these systems and further strengthened their market position.

[0005] Mit der Steigerung der spezifischen Leistung ist allerdings auch eine höhere thermische und mechanische Belastung von Motorbauteilen verbunden, insbesondere jener, die den Brennraum umgeben. Dazu gehören in erster Linie die Zündkerzen, bei denen die Elektrodentemperaturen ein Niveau erreichen, an dem selbst die widerstandsfähigsten Materialien in den Grenzbereich der Belastbarkeit kommen. [0005] With the increase in specific power, however, there is also a higher thermal and mechanical load on engine components, in particular those surrounding the combustion chamber. This primarily includes the spark plugs, where the electrode temperatures reach a level at which even the most resistant materials reach the limits of their resilience.

[0006] Die thermische Belastung ist vor allem bei jenen Zündkerzen extrem hoch, die in den Vorkammern moderner Hochleistungs-Gas-Ottomotoren eingesetzt werden. Bei diesen Anwendungsfällen verwendet man üblicherweise Zündkerzen, deren Elektroden aus einem Edelmetall oder einer Edelmetalllegierung bestehen und die durch konstruktive und materialtechnische Maßnahmen möglichst gut gekühlt sind. Die Standzeit der Zündkerzen bei Vorkammermotoren beträgt etwa 1000 bis 2000 Volllast-Betriebsstunden, bis ein Austausch der Zündkerzen oder zumindest ein Nachstellen der Elektroden erforderlich wird. The thermal load is extremely high, especially in those spark plugs that are used in the antechambers of modern high-performance gas gasoline engines. In these applications, spark plugs are usually used whose electrodes are made of a precious metal or a precious metal alloy and are cooled as well as possible by design and material-related measures. The service life of the spark plugs in prechamber engines is around 1000 to 2000 operating hours under full load before the spark plugs have to be replaced or the electrodes at least have to be readjusted.

[0007] Bei einer Gesamtlaufzeit einer Motoranlage umfassend einen Gas-Ottomotor von 100.000 bis 150.000 Betriebsstunden müssen etwa 50 bis 100 mal die Zündkerzen gewechselt werden. With a total running time of an engine system comprising a gas Otto engine of 100,000 to 150,000 operating hours, the spark plugs must be changed about 50 to 100 times.

[0008] Zusammen mit der damit verbundenen Stillstandzeit des Gas-Ottomotors und dem Arbeitsaufwand ergeben sich daraus erhebliche Kosten für den Betreiber der Motoranlage. Together with the associated downtime of the gas Otto engine and the amount of work, this results in considerable costs for the operator of the engine system.

[0009] Um die Standzeit der Zündkerzen zu verlängern, versucht man beispielsweise verschleißbeständigere Elektrodenwerkstoffe zu entwickeln, die Kühlungsbedingungen für die Elektroden zu verbessern und die Abbrandreserve zu vergrößern. In order to extend the service life of the spark plugs, attempts are being made, for example, to develop more wear-resistant electrode materials, to improve the cooling conditions for the electrodes and to increase the burn-off reserve.

[0010] In US 2002/0055318 A1 wird eine Zündkerze offenbart, bei welcher die Mittelelektrode einen ersten Edelmetall-Chip und die Masseelektrode einen zweiten Edelmetall-Chip aufweist, wobei zwischen erstem und zweitem Chip ein Elektrodenspalt gebildet wird. Die Verwendung von Edelmetall soll die Standzeit der Zündkerzen verlängern. [0010] US 2002/0055318 A1 discloses a spark plug in which the center electrode has a first precious metal chip and the ground electrode has a second precious metal chip, with an electrode gap being formed between the first and second chips. The use of precious metal is intended to increase the service life of the spark plugs.

[0011] Zur Vergrößerung der Abbrandreserve werden entweder die Elektrodenflächen vergrößert und/oder mehrere Elektroden parallel eingesetzt. Dabei ergibt sich oft zwangsläufig das Problem, dass bei großflächigen Elektroden die Gemischzugänglichkeit in den Elektrodenspalt behindert und ein Teil der Energie des Funkens oder des Flammenkerns von den Elektrodenflächen absorbiert wird. Dies führt in der Regel zu einer Verschlechterung der Entflammungseigenschaften der Zündkerze, mit negativen Auswirkungen auf das Startverhalten sowie auf die Erreichbarkeit möglichst geringer Abgasemissionen. [0011] In order to increase the erosion reserve, either the electrode surfaces are enlarged and/or several electrodes are used in parallel. In this case, the problem often inevitably arises that, in the case of large-surface electrodes, access to the mixture in the electrode gap is impeded and part of the energy of the spark or the flame core is absorbed by the electrode surfaces. As a rule, this leads to a deterioration in the ignition properties of the spark plug, with negative effects on the starting behavior and on the ability to achieve the lowest possible exhaust emissions.

[0012] In US 2015/0035427 A1 wird beispielsweise eine Zündkerze mit einer sternförmigen Mit-In US 2015/0035427 A1, for example, a spark plug with a star-shaped center

telelektrode und einer zwischen den Zacken der sternförmigen Mittelelektrode angeordneter Masseelektrode offenbart. Dabei bildet sich zwischen den parallelen Kanten der Elektroden der Elektrodenspalt. telelectrode and a ground electrode arranged between the prongs of the star-shaped central electrode. The electrode gap forms between the parallel edges of the electrodes.

[0013] Speziell bei hochaufgeladenen, Vorkammer-gezündeten Gasmotoren ist ein besonders kritischer Parameter die Elektrodentemperatur. Das heißt, zusätzlich zur Optimierung der geometrischen Gestalt der Elektroden muss eine effektive Kühlung durchgeführt werden, um eine Standzeitverlängerung der Zündkerzen zu erreichen. [0013] Especially in the case of supercharged, pre-chamber ignited gas engines, a particularly critical parameter is the electrode temperature. This means that in addition to optimizing the geometric shape of the electrodes, effective cooling must be carried out in order to extend the service life of the spark plugs.

[0014] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Zündeinrichtung bereit zu stellen, bei der die Gemischzugänglichkeit in den Elektrodenspalt verbessert wird und bei der gleichzeitig eine effektive Kühlung der Elektroden ermöglicht wird. The object of the present invention is therefore to provide an ignition device in which the accessibility of the mixture into the electrode gap is improved and in which effective cooling of the electrodes is made possible at the same time.

[0015] Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Zündkerze, umfassend eine Mittelelektrode und zumindest eine Masseelektrode, wobei This object is achieved by a spark plug comprising a center electrode and at least one ground electrode, wherein

die Mittelelektrode stirnseitig sternförmig mit Zacken ausgebildet ist, sodass n äußere (konvexe) Ecken, n innere (konkave) Ecken und 2n Mittelelektrodenkanten gebildet werden, the center electrode is star-shaped with spikes on the front side, so that n outer (convex) corners, n inner (concave) corners and 2n center electrode edges are formed,

wobei die wenigstens eine Masseelektrode n konvexe Ecken aufweist, welche jeweils durch 2n Masseelektrodenkanten gebildet werden, wherein the at least one ground electrode has n convex corners, which are each formed by 2n ground electrode edges,

wobei jede der 2n Mittelelektrodenkanten zumindest abschnittsweise parallel zu je einer der 2n Masseelektrodenkanten ausgebildet ist und einen Elektrodenspalt bilden, wobei im Gewindebereich der Zündkerze Bohrungen angeordnet sind, die den Außenbereich des Zündkerzengewindes mit dem Atmungsraum der Zündkerze verbinden und durch die das Spülgas für eine Vorkammer geleitet wird, wobei zwischen den Bohrungen und dem brennraumseitigen Gewindeende mindestens ein ganzer Gewindegang vorhanden ist. each of the 2n center electrode edges is at least partially parallel to one of the 2n ground electrode edges and forms an electrode gap, with bores being arranged in the threaded area of the spark plug, which connect the outer area of the spark plug thread to the breathing chamber of the spark plug and through which the flushing gas for a prechamber is conducted is, wherein between the bores and the combustion chamber-side threaded end at least one full thread is present.

[0016] Insbesondere bei thermisch sehr hoch beanspruchten Zündkerzen ist es wichtig, die Elektroden gut zu kühlen. Großflächige und nachstellbare Elektroden, sowie eine möglichst gute Kühlung führen aber meist zu Zielkonflikten. Die im vorliegenden Erfindungsvorschlag beschriebene Lösung bezieht sich daher in erster Linie auf die Optimierung der geometrischen Gestalt sowie der Anordnung der Elektroden für thermisch sehr hochbelastete Zündkerzen. In particular in the case of spark plugs that are subjected to very high thermal loads, it is important to cool the electrodes well. However, large-area and adjustable electrodes, as well as the best possible cooling, usually lead to conflicting goals. The solution described in the present invention proposal therefore relates primarily to the optimization of the geometric shape and the arrangement of the electrodes for spark plugs that are subject to very high thermal loads.

[0017] Des Weiteren wird eine Lösung vorgestellt, die den Gasaustausch zwischen dem Brennraum des Motors und dem Atmungsraum der Zündkerze auf spezielle Art und Weise regelt. Furthermore, a solution is presented that regulates the gas exchange between the combustion chamber of the engine and the breathing chamber of the spark plug in a special way.

[0018] Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Breite des Elektrodenspalts entlang der jeweiligen Masseelektrodenkante und der jeweiligen Mittelelektrodenkante im Wesentlichen konstant ist. It is preferably provided that the width of the electrode gap is essentially constant along the respective ground electrode edge and the respective center electrode edge.

[0019] In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass n = 5 bis 7, vorzugsweise 6 ist. In a preferred embodiment it is provided that n=5 to 7, preferably 6.

[0020] In einer Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass n Masseelektroden vorgesehen sind, wobei jede Masseelektrode eine konvexe Ecke bildet. In one embodiment, it is provided that n ground electrodes are provided, each ground electrode forming a convex corner.

[0021] Bevorzugt ist vorgesehen, dass zumindest die äußeren Ecken der Mittelelektroden ein Edelmetall oder eine Edelmetalllegierung aufweisen, besonders bevorzugt, dass sie aus Edelmetall oder Edelmetalllegierungen bestehen. It is preferably provided that at least the outer corners of the center electrodes have a noble metal or a noble metal alloy, particularly preferably that they consist of noble metal or noble metal alloys.

[0022] In einer Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass den Zacken der sternförmigen Mittelelektrode jeweils ein gleichschenkeliges Dreieck mit maximaler Überdeckung als Referenz-Dreieck zuordenbar ist, dessen Schenkel mit den Seitenlinien der Zacken auf gleicher Linie liegen und dessen Grundlinie die Verbindung zwischen den beiden Basispunkten der Zacken bildet, wobei die Höhe H1 dieses eingeschriebenen Referenzdreieckes zur Länge L1 der Grundlinie in einem Verhältnis H1/L1 steht, welches zwischen 0,75 und 1,40 liegt. In one embodiment variant, it is provided that the points of the star-shaped center electrode can each be assigned an isosceles triangle with maximum overlap as a reference triangle, the sides of which are on the same line as the side lines of the points and the base line of which is the connection between the two base points of the Jags are formed, the height H1 of this inscribed reference triangle being in a ratio H1/L1 to the length L1 of the base line, which is between 0.75 and 1.40.

[0023] In diesem Fall kann vorgesehen sein, dass die Höhe H1 des Referenzdreieckes im Verhältnis zum Durchmesser (D) des Gewindes der Zündkerze in einem Verhältnis H1/D steht, welches zwischen 0,11 und 0,21 liegt. In this case, it can be provided that the height H1 of the reference triangle in relation to the diameter (D) of the thread of the spark plug is in a ratio H1/D which is between 0.11 and 0.21.

[0024] In einer Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass den Zacken der stirnseitigen sternförmigen Mittelelektrode ein Referenzdreieck zuordenbar ist, wobei der Abstand der Grundlinie des In one embodiment, it is provided that a reference triangle can be assigned to the prongs of the star-shaped center electrode at the end, the distance between the base line of the

Zackens vom Mittelpunkt des Sterns mindestens 1,5 mm beträgt. point from the center of the star is at least 1.5 mm.

[0025] Weiters kann vorgesehen sein, dass die Abschnitte der Mittelelektrode, welche aus Edelmetall oder einer Edelmetalllegierung bestehen, durch eine Schweiß- oder Lötverbindung mit dem Mittelelektrodenstempel verbunden sind, wobei dieser Stempel einen Kern aus Kupfer oder einer Kupfer-Basislegierung und einen Mantel aufweist, der aus einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit besteht, die größer ist als 60 W/m K. Furthermore, it can be provided that the sections of the center electrode, which consist of precious metal or a precious metal alloy, are connected to the center electrode stamp by a welded or soldered joint, this stamp having a core made of copper or a copper-based alloy and a jacket made of a material with a thermal conductivity greater than 60 W/m K.

[0026] In einer Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die Masseelektroden im Bereich der Elektrodenspalte aus einem Edelmetall oder einer Edelmetalllegierung bestehen, die mit dem jeweiligen Masseelektroden-Träger durch eine Schweiß- oder Lötverbindung verbunden sind und wobei diese Träger wiederum aus einem Material bestehen, dessen Wärmeleitkoeffizient einen Wert aufweist, der größer als 60 W/m K ist. In one embodiment variant, it is provided that the ground electrodes in the area of the electrode gaps consist of a precious metal or a precious metal alloy, which are connected to the respective ground electrode carrier by a welded or soldered joint and these carriers in turn consist of a material whose coefficient of thermal conductivity has a value greater than 60 W/m K.

[0027] Ein Ausführungsbeispiel sieht vor, dass im Grundkörper der Zündkerze zwischen je 2 Masseelektroden kanalförmige Freistellungen vorgesehen sind, die den Atmungsraum der Zündkerze mit dem Brennraum bzw. der Vorkammer eines Ottomotors verbinden, und über die der Druckausgleich sowie ein Flammendurchtritt nach der Zündung erfolgt, wobei die Summe (Qf) der Querschnittsflächen der Strömungskanäle senkrecht zur Strömungsrichtung zur gesamten Querschnittsfläche (Q) der Zündkerze am brennraumseitigen Gewindeende in einem Verhältnis (Qf/Q) steht, das größer ist als 0,03. One exemplary embodiment provides that in the base body of the spark plug, channel-shaped clearances are provided between each 2 ground electrodes, which connect the breathing chamber of the spark plug with the combustion chamber or the antechamber of a gasoline engine, and via which the pressure equalization and a flame passage after ignition takes place , wherein the sum (Qf) of the cross-sectional areas of the flow channels perpendicular to the direction of flow to the total cross-sectional area (Q) of the spark plug at the combustion chamber-side threaded end is in a ratio (Qf/Q) that is greater than 0.03.

[0028] In einer Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass der Grundkörper der Zündkerze im Bereich des Gewindes aus zwei unterschiedlichen Materialien besteht, welche durch eine Schweißoder Lötverbindung miteinander verbunden sind, wobei das Material am brennraumseitigen Gewindebereich einen Wärmeleitkoeffizienten aufweist, der größer als 65 W/m K ist. In one embodiment variant, it is provided that the base body of the spark plug consists of two different materials in the area of the thread, which are connected to one another by a welded or soldered joint, the material on the threaded area on the combustion chamber side having a thermal conductivity coefficient that is greater than 65 W/m K is

[0029] Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass das Volumen (Va) des Atmungsraumes in mm? zur Querschnittsfläche (Q) in mm? im Bereich des Gewindes in einem Verhältnis (Va/Q) steht, das größer als 0,16 mm, jedoch kleiner als 0,3 mm ist. Furthermore, it can be provided that the volume (Va) of the breathing space in mm? to cross-sectional area (Q) in mm? in the area of the thread is in a ratio (Va/Q) that is greater than 0.16 mm but less than 0.3 mm.

[0030] In einer Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die Summe der stirnseitigen Oberflächen (O0), die die Mittelelektrode und die Masseelektroden inklusive der Masseelektrodenträger und des Sterns der Mittelelektrode aufweisen, zur gesamten Querschnittsfläche (Q) der Zündkerze am brennraumseitigen Gewindeende ein Verhältnis (O/Q) aufweist, das größer ist als 0,50. In one embodiment variant, it is provided that the sum of the end-side surfaces (O0) that the center electrode and the ground electrodes, including the ground electrode carrier and the star of the center electrode, have to a ratio (O /Q) greater than 0.50.

[0031] In einer Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die Dicke (H2) der Elektroden entlang der Längsachse der Mittelelektrode zur Gesamtlänge der jeweiligen Masseelektrodenkante der Mittelelektrode in einem Verhältnis steht, dessen Wertebereich zwischen minimal 0,03 und maximal 0,1 variieren kann. In one embodiment it is provided that the thickness (H2) of the electrodes along the longitudinal axis of the center electrode is in a ratio to the total length of the respective ground electrode edge of the center electrode, the value range of which can vary between a minimum of 0.03 and a maximum of 0.1.

[0032] In einer Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die gesamte Elektrodenoberfläche der Mittelelektrode größer ist als 35 mm®. In one embodiment, it is provided that the entire electrode surface of the center electrode is larger than 35 mm®.

[0033] In einer Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die maximale Distanz (A1) zwischen der Spitze der Masseelektrode und dem brennraumseitigen Gewindeansatz der Zündkerze geringer ist als das 0,5-fache des Durchmessers des Gewindes. In one embodiment, it is provided that the maximum distance (A1) between the tip of the ground electrode and the combustion chamber-side thread extension of the spark plug is less than 0.5 times the diameter of the thread.

[0034] In einer Ausführungsvariante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der zumindest eine Elektrodenspalt in Richtung der Zündkerzenlängsachse eine definierte Kontur aufweist, wobei in einem oberen, einem Brennraum bzw. einer Vorkammer eines Ottomotors zugewandten Bereich die angrenzenden Elektrodenflächen parallel zueinander angeordnet sind und im unteren, dem Atmungsraum zugewandten Bereich eine Aufweitung des Elektrodenspaltes vorgesehen ist, in einer Art und Weise, dass der Abstand der gegenüberliegenden Elektrodenflächen an einer Stelle, die um ein Sechstel der Elektrodendicke bzw. der Spalthöhe H2 oberhalb der Unterkante der Elektroden liegt, mindestens das Doppelte des Abstands der Elektroden im oberen, parallelen Bereich des Elektrodenspaltes beträgt, bezogen auf den Neuzustand der Zündkerze. In one embodiment variant of the invention, it can be provided that the at least one electrode gap has a defined contour in the direction of the longitudinal axis of the spark plug, with the adjacent electrode surfaces being arranged parallel to one another in an upper region facing towards a combustion chamber or an antechamber of a gasoline engine and in In the lower area facing the breathing space, the electrode gap is widened in such a way that the distance between the opposing electrode surfaces is at least doubled at a point that is one-sixth of the electrode thickness or the gap height H2 above the lower edge of the electrodes of the distance between the electrodes in the upper, parallel area of the electrode gap, based on the new condition of the spark plug.

[0035] Weiters kann ich einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass im Gewindebereich der Zündkerze Bohrungen angeordnet sind, die den Außenbereich des Zündkerzengewindes mit dem Atmungsraum der Zündkerze verbinden und durch die das Spülgas für eine Vor-[0035] Furthermore, one embodiment of the invention can be provided that bores are arranged in the thread area of the spark plug, which connect the outer area of the spark plug thread with the breathing space of the spark plug and through which the flushing gas for a pre-

kammer geleitet wird, wobei zwischen den Bohrungen und dem brennraumseitigen Gewindeende mindestens ein ganzer Gewindegang vorhanden ist. Chamber is passed, wherein at least one full thread is present between the bores and the combustion chamber-side threaded end.

[0036] In einem Aspekt der Erfindung ist ein Ottomotor, insbesondere Gas-Ottomotor, mit einem Brennraum, umfassend eine Zündkerze der vorgenannten Art vorgesehen, wobei im Grundkörper der Zündkerze zwischen je 2 Masseelektroden kanalförmige Freistellungen vorgesehen sind, die den Atmungsraum der Zündkerze mit dem Brennraum eines Ottomotors verbinden und über die der Druckausgleich sowie ein Flammendurchtritt nach der Zündung erfolgt, wobei die Summe (Qf) der Querschnittsflächen der Strömungskanäle senkrecht zur Strömungsrichtung zur gesamten Querschnittsfläche (Q) der Zündkerze am brennraumseitigen Gewindeende in einem Verhältnis (Qf/Q) steht, das größer ist als 0,03. In one aspect of the invention, a spark-ignition engine, in particular a gas spark-ignition engine, is provided with a combustion chamber, comprising a spark plug of the aforementioned type, with channel-shaped clearances being provided in the base body of the spark plug between each 2 ground electrodes, which connect the breathing space of the spark plug with the Combustion chamber of a gasoline engine and via which pressure equalization and flame passage after ignition takes place, the sum (Qf) of the cross-sectional areas of the flow channels perpendicular to the direction of flow being in a ratio (Qf/Q) to the total cross-sectional area (Q) of the spark plug at the end of the thread on the combustion chamber side , which is greater than 0.03.

[0037] Darüber hinaus werden die verwendeten Materialien hinsichtlich ihrer Verschleißfestigkeit und Wärmeleitfähigkeit auf die erfindungsgemäß vorgeschlagene Bauweise der Zündkerze abgestimmt. In addition, the materials used are matched to the spark plug design proposed according to the invention with regard to their wear resistance and thermal conductivity.

[0038] In der Summe und der Kombination der Merkmale und Besonderheiten, weist die vorgeschlagene Zündkerzenbauart damit deutliche Vorteile hinsichtlich der erreichbaren Standzeit, bei zugleich ausgezeichneter Entflammungseigenschaft des Brennstoff-Luftgemisches im Motor auf. In the sum and the combination of the features and special features, the proposed spark plug design thus has clear advantages in terms of the achievable service life, while at the same time having excellent ignition properties of the fuel-air mixture in the engine.

[0039] Nachfolgend werden weitere Vorteile und Details der Erfindung anhand von Figuren erläutert. Further advantages and details of the invention are explained below with reference to figures.

[0040] Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf die Mittel- und Masseelektrode einer Zündkerze. [0041] Fig. 2 zeigt einen Schnitt entlang der Achse |-I der Fig. 1. Figure 1 shows a plan view of the center and ground electrodes of a spark plug. Fig. 2 shows a section along the axis |-I of Fig. 1.

[0042] Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch das Beispiel der Fig. 1. Fig. 3 shows a section through the example of Fig. 1.

[0043] Fig. 4 zeigt einen Zacken des Beispiels von Fig. 1 Figure 4 shows a tine of the example of Figure 1

[0044] Fig. 5 zeigt einen Schnitt durch das Beispiel der Fig. 1. Fig. 5 shows a section through the example of Fig. 1.

[0045] Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsvariante einer Zündkerze. 6 shows a further variant embodiment of a spark plug.

[0046] Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsvariante einer Zündkerze. 7 shows a further variant embodiment of a spark plug.

[0047] Fig. 8 zeigt einen Schnitt durch die Elektroden einer Zündkerze. 8 shows a section through the electrodes of a spark plug.

[0048] Fig. 9 zeigt eine Abwandlung der Fig. 3 mit Bohrung. 9 shows a modification of FIG. 3 with a bore.

[0049] Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Zündkerze. Erkennbar ist die geometrische Ausführung der Masseelektroden 4 und Mittelelektrode 2 in Blickrichtung auf das brennraumseitige Ende der Zündkerze an einem bevorzugten Ausführungsbeispiel. Figure 1 is a spark plug according to the invention. The geometric design of the ground electrodes 4 and center electrode 2 can be seen in the direction of the combustion chamber end of the spark plug in a preferred exemplary embodiment.

[0050] Die Zündkerze umfasst eine Mittelelektrode 2 und sechs Masseelektroden 4. Die Mittelelektrode 2 weist stirnseitig sternförmig sechs Zacken 1 auf, sodass sechs äußere (konvexe) Ecken 20, sechs innere (konkave) Ecken 21 und zwölf Mittelelektrodenkanten 22 gebildet werden. Die Masseelektroden 4 weisen sechs konvexe Ecken 30 auf, welche jeweils durch zwei Masseelektrodenkanten 32 gebildet werden. Jede der Mittelelektrodenkanten 22 ist parallel zu je einer der Masseelektrodenkanten 32 ausgebildet. Zwischen den Mittelelektrodenkanten 22 und den Masseelektrodenkanten 32 ist ein Elektrodenspalt 5 ausgebildet. The spark plug comprises a center electrode 2 and six ground electrodes 4. The center electrode 2 has six star-shaped prongs 1 on the face side, so that six outer (convex) corners 20, six inner (concave) corners 21 and twelve center electrode edges 22 are formed. The ground electrodes 4 have six convex corners 30 which are each formed by two ground electrode edges 32 . Each of the center electrode edges 22 is formed parallel to each of the ground electrode edges 32 . An electrode gap 5 is formed between the center electrode edges 22 and the ground electrode edges 32 .

[0051] Die Breite des Elektrodenspalts 5 ist entlang der jeweiligen Masseelektrodenkante 32 und der jeweiligen Mittelelektrodenkante 22 im Wesentlichen konstant. Die Ausführungsvariante der Fig. 1 weist sechs Zacken 1 auf. Die Beispiele der Fig. 6 und der Fig. 7 weisen fünf bzw. sieben Zacken 1 auf. The width of the electrode gap 5 is essentially constant along the respective ground electrode edge 32 and the respective center electrode edge 22 . The embodiment variant of FIG. 1 has six prongs 1 . The examples in FIG. 6 and FIG. 7 have five or seven prongs 1 .

[0052] Der Außendurchmesser der dargestellten Zündkerzenprojektion ist der Gewindedurchmesser (D) der Zündkerze. The outside diameter of the illustrated spark plug projection is the thread diameter (D) of the spark plug.

[0053] Die Mittelelektrode 2 hat die Form eines sechszackigen Sternes, wobei die Zacken 1 die Form eines gleichschenkeligen Dreieckes aufweisen und die (gedachte) Grundlinie die gerade Verbindung von zwei benachbarten Kerbpunkten ist. The center electrode 2 has the shape of a six-pointed star, the points 1 having the shape of an isosceles triangle and the (imaginary) base line is the straight connection of two adjacent notch points.

[0054] Die Zacken 1 bestehen aus einem Edelmetall oder einer Edelmetalllegierung, die durch eine Schweiß- oder Lötverbindung mit einem Basiskörper 2 der Mittelelektrode, dem Mittelelektroden-Stempel (englisch: Stem), verbunden sind. The spikes 1 consist of a precious metal or a precious metal alloy, which are connected by a welded or soldered connection to a base body 2 of the center electrode, the center electrode stamp (English: stem).

[0055] Dieser Basiskörper besteht bevorzugt aus einem Mantel aus Nickel oder einer Nickelbasislegierung oder einem anderen Material, dessen Wärmeleitfähigkeit einen Wert zwischen 30 und 85 W/m K aufweist, sowie aus einem Kern aus hochwärmeleitfähigen Material, z.B. Kupfer oder einer Kupfer-Basislegierung, über den die an der Oberfläche einströmende Wärme effizient in den Grundkörper 6 und in der Folge in den Kühlwassermantel des Zylinderkopfes des Motors abgeleitet wird. This base body preferably consists of a jacket made of nickel or a nickel-based alloy or another material whose thermal conductivity has a value between 30 and 85 W/m K, and a core made of a highly thermally conductive material, e.g. copper or a copper-based alloy. through which the heat flowing in on the surface is efficiently dissipated in the base body 6 and subsequently in the cooling water jacket of the cylinder head of the engine.

[0056] Entsprechend der Anzahl der Sternzacken weist die gezeigte Variante 6 getrennte Masseelektroden-Träger 3 auf, an denen die Masseelektroden 4 mit einem nach innen gerichtetes zugespitztes Ende angeheftet sind, die den Raum zwischen jeweils zwei Sternzacken der Mittelelektrode bis auf den freibleibenden Elektrodenspalt 5 ausfüllen. Corresponding to the number of star points, the variant shown has 6 separate ground electrode carriers 3, to which the ground electrodes 4 are attached with a pointed end pointing inwards, which fills the space between each two star points of the center electrode except for the electrode gap 5 fill out.

[0057] Die Seitenflächen der Masseelektroden begrenzen zusammen mit den Seitenflächen der Sternzacken der Mittelelektrode den Elektrodenspalt, innerhalb dem die Funkenüberschläge bei der Zündung stattfinden. The side surfaces of the ground electrodes, together with the side surfaces of the star points of the center electrode, delimit the electrode gap within which the spark flashovers take place during ignition.

[0058] Insgesamt hat die Zündkerze in dieser Ausführung dementsprechend 2 x 6 = 12 Elektrodenspalte mit jeweils der Länge L2 der Elektrodenseiten. Overall, the spark plug in this embodiment accordingly has 2×6=12 electrode gaps, each with the length L2 of the electrode sides.

[0059] Die Masseelektroden 4 bestehen, ähnlich wie die Sternzacken der Mittelelektrode, zumindest teilweise aus einem Edelmetall oder einer Edelmetalllegierung. Diese sind durch eine Schweiß- oder Lötverbindung mit jeweils einem Elektrodenträger 3 verbunden, der aus einem hochwärmeleitendem Material besteht und der mit dem Grundkörper 6 der Zündkerze, ebenfalls durch eine Schweiß- oder Lötverbindung verbunden ist. The ground electrodes 4 consist, similar to the star points of the center electrode, at least partially of a precious metal or a precious metal alloy. These are each connected by a welded or soldered connection to an electrode carrier 3 which consists of a highly thermally conductive material and which is also connected to the base body 6 of the spark plug by a welded or soldered connection.

[0060] Der Grundkörper der Zündkerze ist jener metallische Teil der Zündkerze, der das Einschraubgewinde und den Schlüsselansatz umfasst und in den der Keramikkörper mit der Mittelelektrode und dem Hochspannungs-Anschluss eingebaut ist. The main body of the spark plug is that metallic part of the spark plug that includes the screw-in thread and the key attachment and in which the ceramic body with the center electrode and the high-voltage connection is installed.

[0061] Die brennraumseitigen Oberflächen der Masseelektroden sowie der Mittelelektrode sind bis auf eine maximale Abweichung von +/- 0,2 mm bündig zueinander bzw. liegen innerhalb dieser Toleranz auf einer gemeinsamen Ebene. The combustion chamber-side surfaces of the ground electrodes and the center electrode are flush with one another up to a maximum deviation of +/- 0.2 mm or lie within this tolerance on a common plane.

[0062] Zwischen jeweils zwei Masseelektroden befinden sich schlitzförmige Ausnehmungen 7 im Kerzen-Grundkörper, die eine kanalförmige Verbindung zwischen dem Brennraum bzw. der Vorkammer und dem Gasvolumen zwischen den Elektroden und dem Keramikfuß der Zündkerze darstellen. Der dieses Gasvolumen umfassende Bereich der Zündkerze wird als Atmungsraum 8 bezeichnet, dementsprechend werden diese Verbindungskanäle im weiteren Textverlauf als Atmungskanäle bezeichnet. Ihr Zweck ist es, einen Druckausgleich zwischen dem Brennraum bzw. der Vorkammer des Motors und dem Atmungsraum der Zündkerze herzustellen. Between each two ground electrodes there are slot-shaped recesses 7 in the candle body, which represent a channel-shaped connection between the combustion chamber or the antechamber and the gas volume between the electrodes and the ceramic foot of the spark plug. The area of the spark plug that includes this gas volume is referred to as the breathing space 8; accordingly, these connecting channels are referred to as breathing channels in the further course of the text. Its purpose is to equalize the pressure between the engine's combustion chamber or pre-chamber and the spark plug's breathing chamber.

[0063] Dabei ist das Verhältnis der Summe der Strömungs-Querschnittsflächen der Ausnehmungen 7 zum Volumen des Atmungsraumes 8 der Zündkerze von besonderer Bedeutung. Vorzugsweise sollte dieses Verhältnis größer sein, als 0,03. The ratio of the sum of the flow cross-sectional areas of the recesses 7 to the volume of the breathing space 8 of the spark plug is of particular importance. Preferably this ratio should be greater than 0.03.

[0064] In Fig. 2 und in Fig. 3 ist der Atmungsraum 8 der Zündkerze schematisch in jeweils einem Schnittbild dargestellt, wobei die Mittelachse in der Schnittebene liegt. Der Atmungsraum wird begrenzt vom Keramikfuß 9, der Innenwand des Kerzengrundkörpers 6 am oberen Gewindeende, der dem Brennraum abgewandten Oberflächen der Masse- sowie der Mittelelektrode sowie den oberen Teil des Stems 2. In Fig. 2 and in Fig. 3, the breathing space 8 of the spark plug is shown schematically in a sectional view, the central axis lying in the sectional plane. The breathing space is delimited by the ceramic foot 9, the inner wall of the plug body 6 at the upper end of the thread, the surfaces of the ground and central electrodes facing away from the combustion chamber and the upper part of the stem 2.

[0065] In Fig. 2 ist die Schnittebene dabei so gewählt, dass sie die Masseelektroden in der Mitte schneidet und dementsprechend zwischen 2 Sternzacken hindurchgeführt wird. Daraus ist der maximale Abstand A1 der Spitze der Masseelektrode 4 vom brennraumseitigen Gewindeansatz 10 ersichtlich. Dieser Abstand im Verhältnis zum Gewindedurchmesser der Zündkerze ist ein wichtiges Gestaltungsmerkmal, für das erfindungsgemäß ein oberer Grenzwert angegeben wird. In FIG. 2, the section plane is selected in such a way that it intersects the ground electrodes in the middle and is accordingly guided through between 2 star points. From this, the maximum distance A1 of the tip of the ground electrode 4 from the threaded extension 10 on the combustion chamber side can be seen. This distance in relation to the thread diameter of the spark plug is an important design feature for which an upper limit is specified according to the invention.

[0066] In Fig. 3 geht die Schnittebene durch die Mitte der Sternzacken 1 sowie durch die Atmungskanäle 7 im Kerzengrundkörper. An der Höhe (H1) der Zacken der Mittelelektrode ist der UÜberstand der Elektroden über den Stem 2 ersichtlich. Des Weiteren ist in dieser Abbildung die Strömungskontur der Atmungskanäle erkennbar. In Fig. 3, the sectional plane goes through the middle of the star points 1 and through the breathing channels 7 in the candle body. The protrusion of the electrodes over the stem 2 can be seen from the height (H1) of the prongs of the center electrode. Furthermore, the flow contour of the breathing channels can be seen in this figure.

[0067] Für den Atmungsraum 8 ist es zur optimalen Funktion der erfindungsgemäßen Zündkerzenausführung sehr vorteilhaft, ein möglichst gut abgestimmtes Volumen vorzusehen. Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass das Volumen (Va) des Atmungsraumes (in mm®) zur Querschnittsfläche (Q) der Zündkerze (in mm®) im Bereich des Kerzengewindes in einem Verhältnis (Va/Q) steht, das größer als 0,16 mm, jedoch kleiner als 0,30 mm ist. Bei einem größeren Volumen ergeben sich deutlich verschlechterte Bedingungen für die Spülung des Atmungsraumes, sowie für die Wärmeableitung von den Elektroden. For the breathing space 8, it is very advantageous for the optimal function of the spark plug design according to the invention to provide a volume that is as well matched as possible. It is preferably provided that the volume (Va) of the breathing space (in mm.RTM.) to the cross-sectional area (Q) of the spark plug (in mm.RTM.) in the area of the plug thread is in a ratio (Va/Q) that is greater than 0.16 mm but less than 0.30 mm. With a larger volume, the conditions for flushing the breathing space and for dissipating heat from the electrodes are significantly worse.

[0068] Die Höhe (H2) der Elektroden parallel zur Kerzenachse gibt zugleich auch die Breite der Elektrodenfläche an. Diese Höhe (H2) bzw. Breite soll erfindungsgemäß in einem Verhältnis zur Gesamtsumme der Längen (L2) der Elektrodenflächen der Mittelelektrode stehen, das größer als 0,03 jedoch kleiner als 0,1 ist. The height (H2) of the electrodes parallel to the plug axis also indicates the width of the electrode surface. According to the invention, this height (H2) or width should be in a ratio to the total sum of the lengths (L2) of the electrode surfaces of the center electrode, which is greater than 0.03 but less than 0.1.

[0069] Die Einschränkung des erfindungsgemäß anzustrebenden Wertebereiches ist unter anderem deshalb von Bedeutung, weil in diesem Wertebereich die Neigung des Elektrodenwerkstoffes zur Perlen- oder Fadenbildung innerhalb des Elektrodenspaltes am geringsten ist. The restriction of the range of values to be aimed at according to the invention is important, among other things, because the tendency of the electrode material to form beads or threads within the electrode gap is lowest in this range of values.

[0070] Zum Zweck einer optimalen Kühlung der Masseelektroden ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zwischen dem brennraumseitigen Gewindeansatz 10 der Zündkerze und der davon am weitesten entfernten Stelle der Masseelektrode 4 keine größere Distanz besteht, als das 0,5fache des Gewindedurchmessers (D) der Zündkerze. Damit können die Temperaturen der Masseelektroden auf einem Niveau gehalten werden, das die Verwendung von Nickel als Masseelektrodenträger erlaubt und damit durch dessen hohe Wärmeleitfähigkeit die Kühlung der Elektrodenflächen weiter verbessert werden kann. For the purpose of optimal cooling of the ground electrodes, the invention provides that the distance between the combustion chamber-side threaded extension 10 of the spark plug and the point of the ground electrode 4 that is furthest away from it is no greater than 0.5 times the thread diameter (D) of the spark plug. In this way, the temperatures of the ground electrodes can be kept at a level that allows the use of nickel as a ground electrode carrier and thus the cooling of the electrode surfaces can be further improved due to its high thermal conductivity.

[0071] Die Sternzacken der Mittelelektrode können im Bereich der Spitze auch abgeflacht ausgeführt sein, sodass sie eine Ahnlichkeit mit gleichseitigen Trapezen aufweisen. Die im Folgenden ausgeführten Kriterien und Angaben hinsichtlich der speziellen Merkmale beziehen sich auf ein den Sternzacken eingeschriebenes gleichschenkeliges Referenzdreieck (9) mit maximaler UÜberdeckung, dessen Schenkel mit den Elektrodenflächen der Sternkörper auf einer gleichen Linie liegen. The star prongs of the center electrode can also be flattened in the area of the tip, so that they are similar to equilateral trapezoids. The criteria and information given below with regard to the special features relate to an isosceles reference triangle (9) inscribed in the star points with maximum U overlap, the sides of which lie on the same line as the electrode surfaces of the star bodies.

[0072] Fig. 4 zeigt einen Segmentbereich der Mittelelektrode mit 2 Sternzacken, wobei der linke Zacken zur Illustration eine abgeflachte Spitze aufweist. Dieser trapezförmige Zacken ist mit einem gleichschenkeligen Referenzdreieck zur Deckung gebracht, dessen mit unterbrochener Linie dargestellte Spitze aus dem Trapez herausragt. Die Höhe des gleichschenkeligen Dreieckes von der Basislinie wird mit H1 bezeichnet, die Seitenlänge der Schenkel mit L2 und die Länge der Basislinie mit L1. 4 shows a segment area of the center electrode with 2 star points, the left-hand point having a flattened tip for illustration. This trapezoidal peak is brought into alignment with an isosceles reference triangle, the apex of which, shown with a broken line, protrudes from the trapezium. The height of the isosceles triangle from the base line is denoted by H1, the side length of the legs by L2 and the length of the base line by L1.

[0073] Ein Kriterium für die optimale Funktion der vorgeschlagenen Zündkerzenbauart bildet das Verhältnis der Seitenlänge (L1) zur Länge der Basislinie (H1). Für dieses Verhältnis (L1/H1) wird erfindungsgemäß ein Wertebereich zwischen 0,75 und 1,40 vorgeschlagen. A criterion for the optimal functioning of the proposed spark plug design is the ratio of the side length (L1) to the length of the base line (H1). A range of values between 0.75 and 1.40 is proposed according to the invention for this ratio (L1/H1).

[0074] Ein weiteres wichtiges Funktionskriterium ist das Verhältnis der Länge der Basislinie (H1) zum Gewindedurchmesser (D) der Zündkerze. Zur Erzielung optimaler Ergebnisse sollte dieses Verhältnis (H1/D) nicht geringer als 0,11, jedoch nicht größer als 0,21 sein. Another important performance criterion is the ratio of the baseline length (H1) to the thread diameter (D) of the spark plug. For best results, this ratio (H1/D) should be no less than 0.11 but no greater than 0.21.

[0075] Die wesentlichen Gründe für die Definition und Einschränkung dieser Wertebereiche ergeben sich aus der umfassenden Optimierung von teilweise gegenläufigen Effekten einzelner Maßnahmen zur Steigerung der Lebensdauer und der Verbesserung der Entflammungseigenschaften der Zündkerze. The main reasons for the definition and restriction of these value ranges result from the comprehensive optimization of partially opposing effects of individual measures to increase the service life and improve the ignition properties of the spark plug.

[0076] Die Masseelektroden-Träger 3 können in den Kerzengrundkörper 6 (bzw. den Gewindekörper) versenkt sein, sodass die brennraumseitigen Begrenzungsflächen der Elektrodenträger und des Kerzengrundkörpers zumindest annähernd bündig sind. Dazu sind für die Elektrodenträ-The ground electrode carrier 3 can be sunk into the plug base body 6 (or the threaded body), so that the boundary surfaces of the electrode carrier and the plug base body on the combustion chamber side are at least approximately flush. For this purpose, the electrode carriers

ger Nuten vorgesehen, in die die Elektrodenträger möglichst spielfrei eingelassen sind und mit denen sie verschweißt oder verlötet werden. GER grooves are provided in which the electrode carriers are embedded with as little play as possible and with which they are welded or soldered.

[0077] Einfacher und vielfach ausreichend ist es jedoch, die Masseelektrodenträgen am brennraumseitigen Ende des Kerzengrundkörpers ohne Versenkung anzubringen, sodass die Masseelektroden gegenüber dem brennraumseitigen Ende des Grundkörpers überstehen bzw. erhaben sind, wie in Fig. 2 und Fig. 3 gezeigt. However, it is simpler and often sufficient to attach the ground electrode supports to the combustion chamber end of the main body of the plug without countersinking, so that the ground electrodes protrude or are raised in relation to the combustion chamber end of the main body, as shown in FIGS. 2 and 3.

[0078] Für den Elektrodenträger ist vorzugsweise ein sehr gut wärmeleitender Werkstoff vorgesehen, mit einem Wärmeleitkoeffizienten von > 60 W/m K, beispielsweise Nickel. A very good heat conducting material is preferably provided for the electrode carrier, with a thermal conductivity coefficient of >60 W/m K, for example nickel.

[0079] Besonders vorteilhaft hat sich eine Variante herausgestellt, bei der der Kerzengrundkörper aus zwei unterschiedlichen Materialien besteht, die unterschiedliche Wärmeleitkoeffizienten aufweisen. A variant in which the main body of the candle consists of two different materials which have different coefficients of thermal conductivity has proven to be particularly advantageous.

[0080] In Fig. 5 ist der Aufbau dieser Variante beispielhaft dargestellt. Der dem Brennraum zugewandte Teil 12 des Kerzengrundkörpers 6 besteht dabei aus einem Material mit einem Wärmeleitkoeffizienten von größer als 65 W/m K (z.B. Nickel oder Molybdän). Dieser ist durch eine Schweiß- oder Lötverbindung mit dem Kerzengrundkörper 6 verbunden. Das Material des Kerzengrundkörpers besteht dagegen aus einem kostengünstigen und gut bearbeitbaren Werkstoff mit den erforderlichen Festigkeitseigenschaften, beispielsweise aus einem Werkzeugstahl. The structure of this variant is shown as an example in FIG. The part 12 of the plug base body 6 facing the combustion chamber consists of a material with a thermal conductivity coefficient of more than 65 W/m K (e.g. nickel or molybdenum). This is connected to the plug base body 6 by a welded or soldered connection. In contrast, the material of the candle base consists of an inexpensive material that is easy to process and has the required strength properties, for example tool steel.

[0081] Anstatt einzelne Sternzacken aus Edelmetall getrennt voneinander auf einen Mittelelektroden-Stem durch einen Schweiß- oder Lötvorgang anzubringen, können die Sternzacken auch ring- bzw. kranzförmig miteinander verbunden sein, wobei die Befestigung am Stem z. B. durch eine einzige durchgehende Schweißverbindung (beispielsweise durch Laserschweißen) erfolgt. Instead of attaching individual star prongs made of precious metal separately from one another to a center electrode stem by welding or soldering, the star prongs can also be connected to one another in a ring or ring shape, with the attachment to the stem z. B. by a single continuous weld (e.g. by laser welding).

[0082] Im Fig. 6 ist eine Variante mit 5 Sternzacken und im Fig. 7 eine Variante mit 7 Sternzacken dargestellt. Die Masseelektroden sowie die Atmungskanäle sind nur in einem Sektorenausschnitt gezeigt. Auch diese Bauarten führen zu sehr günstigen Ergebnissen, besonders günstig erweist sich jedoch eine 6-zählige Form der Elektroden, der deshalb erfindungsgemäß der Vorzug gegeben wird. 6 shows a variant with 5 star points and FIG. 7 shows a variant with 7 star points. The ground electrodes and the breathing channels are only shown in a section of a sector. These designs also lead to very favorable results, but a 6-fold form of the electrodes has proven to be particularly favorable and is therefore preferred according to the invention.

[0083] Grundsätzlich ist der Aufbau der vorgeschlagenen Lösung komplexer und in der Herstellung aufwendiger als handelsübliche bzw. am Markt angebotene Zündkerzentypen. Allerdings können gerade durch die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Konstruktionsmerkmale und Materaleigenschaften eine Reihe sehr günstiger Effekte und Ergebnisse erreicht werden, sodass sich sowohl hinsichtlich der Standzeit als auch hinsichtlich der Entflammungseigenschaften deutliche Vorteile gegenüber Zündkerzentypen nach dem Stand der Technik ergeben. In principle, the design of the proposed solution is more complex and more expensive to produce than types of spark plugs that are commercially available or available on the market. However, a number of very favorable effects and results can be achieved precisely through the design features and material properties proposed according to the invention, so that there are clear advantages over spark plug types according to the prior art both in terms of service life and in terms of ignition properties.

[0084] Insbesondere ist der Mehraufwand in der Fertigung nur ein Bruchteil der Kosteneinsparungen aufgrund der gesteigerten Lebensdauer der Zündkerze. In particular, the additional outlay in production is only a fraction of the cost savings due to the increased service life of the spark plug.

[0085] Ein wesentlicher Aspekt, der der vorgeschlagenen Bauweise zugrunde liegt, bezieht sich auf die maximale Kühlung der Elektrodenflächen der Masseelektroden. Diese Temperaturen sind bei den herkömmlichen Kerzenbauarten üblicherweise in einer Größenordnung von 100 °C höher, als die Temperaturen an den Mittelelektroden. Dementsprechend hoch sind auch die Verschleißraten der Masseelektroden und die Heißkorrosion der Elektrodenträger, insbesondere im Einsatz in Vorkammern von Hochleistungsmotoren. [0085] An essential aspect on which the proposed design is based relates to the maximum cooling of the electrode surfaces of the ground electrodes. With conventional plug designs, these temperatures are usually about 100 °C higher than the temperatures at the center electrodes. The wear rates of the ground electrodes and the hot corrosion of the electrode carriers are correspondingly high, especially when used in the antechambers of high-performance engines.

[0086] Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Bauweise können die Temperaturen an der Masseelektrode jedoch um mehr als 100 °C gegenüber Zündkerzen nach dem Stand der Technik, bezogen auf gleiche Einsatzbedingungen, abgesenkt werden. However, due to the design proposed according to the invention, the temperatures at the ground electrode can be lowered by more than 100° C. compared to spark plugs according to the prior art, based on the same conditions of use.

[0087] Bei der Mittelelektrode wirkt sich besonders der sehr hohe Wärmeleitkoeffizient des Edelmetall-Materiales der Sternzacken günstig aus, insbesondere wenn z.B. Iridium oder eine IridiumRhodium-Legierung eingesetzt wird, deren Wärmeleitfähigkeit höher ist, als 120 W/m K. In the case of the center electrode, the very high thermal conductivity coefficient of the noble metal material of the star points has a particularly favorable effect, especially if, for example, iridium or an iridium-rhodium alloy is used, the thermal conductivity of which is higher than 120 W/m K.

[0088] Da der Stem der Mittelelektrode einen massiven Kern (11) aus einem hochwärmeleitfähigen Material aufweist (z.B. Kupfer) sowie einen relativ dünnen Mantel mit ebenfalls guter Wärmeleitfähigkeit (z.B. Nickel), ist die Wärmeableitung auch hier sehr effizient, sodass trotz ausla-Since the stem of the center electrode has a solid core (11) made of a highly thermally conductive material (e.g. copper) and a relatively thin jacket with good thermal conductivity (e.g. nickel), heat dissipation is also very efficient here, so that despite the

dender Geometrie der Mittelelektrode mit einer relativ großen, der Verbrennungshitze ausgesetzten Oberfläche der Sternzacken die Temperatur an den Elektrodenflächen relativ niedrig gehalten werden kann. Because of the geometry of the center electrode with a relatively large surface of the star points exposed to the combustion heat, the temperature at the electrode surfaces can be kept relatively low.

[0089] Durch die vorgeschlagene Elektrodenform kann eine maximal große, funkenwirksame Elektrodenfläche und damit eine sehr hohe Abbrandreserve realisiert werden. Damit werden auch ohne Elektrodennachstellung sehr lange Kerzenstandzeiten erreicht. [0089] The proposed electrode shape allows a maximally large, spark-effective electrode surface and thus a very high burn-up reserve to be implemented. This means that very long spark plug service lives can be achieved without having to readjust the electrodes.

[0090] Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Elektrodengeometrie ergibt sich aus der Spitzenwirkung der Elektroden auf die für den Funkenüberschlag erforderliche Durchbruchsspannung. Durch die Feldstärkenüberhöhung an den Elektrodenspitzen wird die Durchbruchsspannung deutlich reduziert, und damit kann bei einem vom Zündsystem vorgegebenen Limit für das maximale Zündspannungsangebot ein deutlich größerer Elektrodenspalt (bzw. Elektrodenabstand) gefahren werden. A further advantage of the electrode geometry proposed according to the invention results from the peak effect of the electrodes on the breakdown voltage required for the sparkover. Due to the increase in field strength at the electrode tips, the breakdown voltage is significantly reduced, and a significantly larger electrode gap (or electrode distance) can therefore be used with a limit for the maximum ignition voltage available given by the ignition system.

[0091] Da trotz der maximal vergrößerten Elektrodenfläche beim vorgeschlagenen Design keine erhöhte Abschirmwirkung der Elektroden hinsichtlich der Gemisch-Zugänglichkeit in den Elektrodenspalt sowie der Energieabsorption durch die Elektrodenflächen gegeben ist, wird die Flammenkernbildung nicht behindert. Die erfindungsgemäße Zündkerze weist dementsprechend sehr gute Entflammungseigenschaften auch bei einem sehr kleinen Elektrodenspalt auf. Damit ergibt sich insgesamt ein sehr großer zulässiger Variationsbereich für den Elektrodenspalt, sodass eine sehr große Elektrodenmaterial-Reserve genützt werden kann und damit entsprechend hohe Kerzenstandzeiten ohne Nachstellerfordernisse erreichbar sind. Since, despite the maximally enlarged electrode area, there is no increased shielding effect of the electrodes with regard to the mixture accessibility in the electrode gap and the energy absorption by the electrode areas in the proposed design, flame core formation is not impeded. Accordingly, the spark plug according to the invention has very good ignition properties even with a very small electrode gap. Overall, this results in a very large permissible variation range for the electrode gap, so that a very large reserve of electrode material can be used and correspondingly long plug service lives can be achieved without the need for readjustment.

[0092] Das vorgeschlagene Konzept unterstützt die gegenwärtige Entwicklung von Zündsystemen für stationäre Hochleistungsmotoren, wo unter anderem daran gearbeitet wird, die Hochspannungsfestigkeit und das Zündspannungsangebot des gesamten Zündsystems inklusive der Zündkerzen zu steigern. The proposed concept supports the current development of ignition systems for stationary high-performance engines, where, among other things, work is being done to increase the high-voltage strength and the ignition voltage range of the entire ignition system, including the spark plugs.

[0093] Bei der Herstellung der Zündkerze können die Masseelektroden sehr präzise positioniert werden. Dadurch ergibt sich ein genauer und gut kontrollierbarer Elektrodenabstand, sodass für das Betreiberpersonal der Motoranlage von Beginn an keine Einstellarbeiten erforderlich sind. When manufacturing the spark plug, the ground electrodes can be positioned very precisely. This results in a precise and easily controllable electrode spacing, so that the operator of the engine system does not have to make any adjustments right from the start.

[0094] Grundsätzlich können bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen sternförmigen Geometrie der Mittelelektroden die Masseelektrodenträger auch hakenförmig oder gekrümmt ausgeführt sein, wobei ein gewisser Längenabschnitt des Trägers parallel zur Kerzenachse ausgerichtet ist. Damit kann der Elektrodenspalt durch Verbiegen der Elektrodenträger eingestellt bzw. die Elektrodenabstände auf diese Weise nachgestellt werden. Damit geht jedoch der Vorteil der starken Kühlwirkung teilweise verloren. Darüber hinaus ist eine präzise Ein- oder Nachstellung der Elektroden oft schwer zu erreichen und der bei den hohen Betriebstemperaturen schwer vermeidbare thermische Verzug führt häufig zu einer unerwünschten Veränderung des Elektrodenspaltes. In principle, with the star-shaped geometry of the central electrodes proposed according to the invention, the ground electrode carriers can also be hook-shaped or curved, with a certain longitudinal section of the carrier being aligned parallel to the plug axis. In this way, the electrode gap can be adjusted by bending the electrode carrier, or the electrode spacing can be readjusted in this way. However, this partially loses the advantage of the strong cooling effect. In addition, precise adjustment or adjustment of the electrodes is often difficult to achieve and the thermal distortion, which is difficult to avoid at the high operating temperatures, often leads to an undesirable change in the electrode gap.

[0095] Für den Einsatz in hochbelasteten Vorkammergasmotoren wird deshalb auf die Nachstellbarkeit der Elektroden zugunsten einer besseren Kühlung der Masseelektroden verzichtet. For use in highly loaded prechamber gas engines, the adjustability of the electrodes is therefore dispensed with in favor of better cooling of the ground electrodes.

[0096] Ein weiteres vorteilhaftes Merkmal bezieht sich auf die mögliche Geometrie des Elektrodenspaltes 5. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Gestalt der Elektroden sowie die Implementierung der Atmungskanäle ermöglicht die Nutzung des gezielten Entladungskanal-Wandereffektes während der Bogenphase. Dabei handelt es sich um die Verlagerung und Dehnung des Entladungskanales während der Zeit der Funkenbrenndauer im Anschluss an den Funkendurchbruch. Diese Phase ist sowohl für die Ausbildung des Flammkernes und damit für die Einleitung der Verbrennung als auch für den Elektrodenverschleiß von großer Bedeutung. Im Idealfall sollte der Entladungskanal aus dem Inneren des Elektrodenspaltes an den äußeren Rand wandern und dort in den Brennraum ausgedehnt werden, sodass das freie Volumen des Flammkernes unbehindert zunehmen kann. A further advantageous feature relates to the possible geometry of the electrode gap 5. The shape of the electrodes proposed according to the invention and the implementation of the breathing channels enable use of the targeted discharge channel migration effect during the arc phase. This involves the shifting and stretching of the discharge channel during the time the spark burns after the spark breakdown. This phase is of great importance both for the formation of the flame core and thus for the initiation of combustion and for electrode wear. In the ideal case, the discharge channel should migrate from the inside of the electrode gap to the outer edge and be extended there into the combustion chamber so that the free volume of the flame core can increase unhindered.

[0097] Dieser Vorgang wirkt sich außer zur Verbesserung des Entflammungsverhaltens auch günstig auf den Elektrodenverschleiß aus, da der Ort, an dem der Entladungskanal die Elektrodenflächen berührt, sich während der Funkenbrennphase verlagert und durch die Dehnung des In addition to improving the ignition behavior, this process also has a favorable effect on electrode wear, since the location at which the discharge channel touches the electrode surfaces shifts during the spark burning phase and the expansion of the

Entladungskanals der lokale Energieeintrag in die Elektroden abnimmt. Discharge channel decreases the local energy input into the electrodes.

[0098] In Fig. 8 ist die vorgeschlagene Gestaltung der Elektrodenflächen in einem Schnittbild durch die Elektroden dargestellt. Die Schnittebene ist dabei senkrecht zu den Elektrodenkanten 34 und parallel zur Mittelachse der Zündkerze. Der Elektrodenspalt 5 wird von den gegenüberliegenden Elektrodenflächen der Masse- sowie der Mittelelektrode begrenzt, wobei es hier nicht von Bedeutung ist, auf welcher Seite sich die Masse- bzw. die Mittelelektrode befindet. Wie auf dem Bild gezeigt, sind die Elektrodenflächen im oberen, dem Brennraum des Motors zugewandten Bereich auf einer Länge H3 parallel zueinander. Im unteren, dem Atmungsraum der Zündkerze zugewandten Bereich weitet sich der Elektrodenspalt dagegen auf. 8 shows the proposed design of the electrode surfaces in a sectional view through the electrodes. The sectional plane is perpendicular to the electrode edges 34 and parallel to the central axis of the spark plug. The electrode gap 5 is delimited by the opposite electrode surfaces of the ground and the center electrode, it not being important here on which side the ground or the center electrode is located. As shown in the picture, the electrode surfaces in the upper area facing the combustion chamber of the engine are parallel to each other over a length H3. On the other hand, in the lower area facing the breathing space of the spark plug, the electrode gap widens.

[0099] Während der Kompressionsphase im Zylinder des Motors bildet sich eine Strömungskomponente durch den Elektrodenspalt in Richtung des Atmungsraumes des Motors aus, wie anhand des Pfeils 33 angedeutet. Der Funkenüberschlag erfolgt im Bereich der engsten Stelle des Elektrodenspaltes und der dabei ausgebildete Entladungsbogen wandert nach unten, wird dort ausgedehnt und reißt an der untersten Stelle des Elektrodenspaltes ab. During the compression phase in the engine cylinder, a flow component forms through the electrode gap in the direction of the breathing space of the engine, as indicated by arrow 33 . The spark flashover takes place in the area of the narrowest point of the electrode gap and the discharge arc formed in this way migrates downwards, is expanded there and tears off at the lowest point of the electrode gap.

[00100] Für die optimale Wirkung des Wandereffektes soll der Abstand (S) der Elektrodenflächen, gemessen an einer Stelle, die im Abstand von H4 = H2/6 von der unteren Grenzfläche der Elektroden entfernt ist, mindestens den doppelten Abstand der Elektrodenflächen im oberen, parallelen Bereich des Elektrodenspaltes im Neuzustand der Zündkerze aufweisen. For the optimal effect of the wandering effect, the distance (S) between the electrode surfaces, measured at a point which is at a distance of H4=H2/6 from the lower boundary surface of the electrodes, should be at least twice the distance between the electrode surfaces in the upper parallel area of the electrode gap when the spark plug is new.

[00101] Die geometrischen Merkmale der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Zündkerze inklusive der integrierten Atmungskanäle eröffnen darüber hinaus die Möglichkeit einer effizienten Elektrodenkühlung durch Anblasen der Elektroden über Spülbohrungen im oberen Bereich des Zündkerzengewindes. The geometric features of the spark plug proposed according to the invention, including the integrated breathing channels, also open up the possibility of efficient electrode cooling by blowing on the electrodes via flushing bores in the upper area of the spark plug thread.

[00102] In Fig. 9 wird dazu anhand eines Schnittes durch die Zündkerze gemäß Figur 3 beispielhaft eine Bohrung 35 gezeigt, die den Außenbereich des Zündkerzengewindes an einer Stelle, die mindestens einen vollen Gewindegang (H5) unterhalb des brennraumseitigen Gewindeendes beginnt, mit dem Atmungsraum der Zündkerze verbindet. Um den Umfang des Zündkerzengewindes können mehrere solcher Bohrungen auf etwa gleicher Höhe angeordnet sein. 9 shows a section through the spark plug according to FIG. 3 as an example of a bore 35 that connects the outer area of the spark plug thread to the breathing chamber at a point that begins at least one full thread turn (H5) below the end of the thread on the combustion chamber side the spark plug connects. Several such bores can be arranged at approximately the same height around the circumference of the spark plug thread.

[00103] Im Außenbereich des Zündkerzengewindes ist auf der Höhe der Bohrungen eine (z.B. umlaufende) Nut vorhanden, über die das Spülgas zu den Bohrungen im Kerzengewinde geführt wird. In diese Nut wiederum wird das Spülgas über eine Bohrung eingeleitet, die den Brennraum bzw. die Vorkammer des Motors mit Spülgas versorgt. In the outer area of the spark plug thread there is a (e.g. circumferential) groove at the height of the bores, via which the flushing gas is guided to the bores in the spark plug thread. In turn, the scavenging gas is introduced into this groove via a borehole, which supplies the combustion chamber or the antechamber of the engine with scavenging gas.

[00104] Das Spülgas selbst kann aus demselben Gas bestehen, das dem Motor als Hauptkraftstoff zugeführt wird, oder allgemein aus einem Gemisch aus einem oder mehrerer brennbarer Gase und einem oder mehreren inerten Gasen. The purge gas itself may consist of the same gas that is supplied to the engine as the main fuel, or more generally of a mixture of one or more combustible gases and one or more inert gases.

[00105] Beim Spülvorgang der Vorkammer innerhalb des Ladungswechselzyklus strömt das Spülgas über ein Vorkammergasventil, durch einen Verbindungskanal im Zylinderkopf bzw. in der Zündkerzenhülse zu der oben beschriebenen Nut und von dort durch die Spülbohrungen in den Atmungsraum der Zündkerze. Bevor das Spülgas in die Vorkammer des Motors gelangt, umströmt und kühlt es die Elektroden. During the scavenging process of the prechamber within the gas exchange cycle, the scavenging gas flows via a prechamber gas valve, through a connecting channel in the cylinder head or in the spark plug sleeve to the groove described above and from there through the scavenging bores into the breathing chamber of the spark plug. Before the flushing gas reaches the pre-chamber of the engine, it flows around and cools the electrodes.

Claims

patent claims

1. Spark plug, comprising a center electrode (2) and at least one ground electrode (4),

the center electrode (2) being star-shaped on the front side with spikes (1), so that n outer corners (20), n inner corners (21) and 2n center electrode edges (22) are formed,

wherein the at least one ground electrode (4) has n convex corners (30), which are each formed by 2n ground electrode edges (32),

wherein each of the 2n center electrode edges (22) is formed at least in sections parallel to one of the 2n ground electrode edges (32) and forms an electrode gap (5), characterized in that

Bores (35) are arranged in the threaded area of the spark plug, which connect the outer area of the spark plug thread to the breathing chamber of the spark plug and through which the flushing gas for a prechamber is conducted, with at least one complete thread turn being present between the bores (35) and the end of the thread on the combustion chamber side .

2. Spark plug according to claim 1, characterized in that the width of the electrode gap (5) along the respective ground electrode edge (32) and the respective center electrode edge (22) is substantially constant.

3. Spark plug according to claim 1 or claim 2, characterized in that n = 5 to 7, preferably 6.

4. Spark plug according to one of claims 1 to 3, characterized in that n ground electrodes (4) are provided, each ground electrode (4) forming a convex corner (30).

5. Spark plug according to one of claims 1 to 4, characterized in that at least the outer corners (20) of the center electrodes (2) have a noble metal or a noble metal alloy.

6. Spark plug according to one of Claims 1 to 5, characterized in that the prongs (1) of the star-shaped center electrode (2) on the front side can each be assigned an isosceles triangle with maximum overlap as a reference triangle, the limbs of which coincide with the side lines of the prongs (1st ) lie on the same line and whose base line forms the connection between the two base points of the points (1), the height H1 of this inscribed reference triangle being in a ratio H1/L1 to the length L1 of the base line, which is between 0.75 and 1.40 lies.

7. Spark plug according to claim 6, characterized in that the height H1 of the reference triangle in relation to the diameter (D) of the thread of the spark plug is in a ratio H1/D which is between 0.11 and 0.21.

8. Spark plug according to one of Claims 1 to 6, characterized in that a reference triangle can be assigned to the prongs (1) of the star-shaped center electrode (2) on the front side, the distance between the base line of the prong (1) and the center point of the star being at least 1.5 mm.

9. Spark plug according to one of Claims 5 to 8, characterized in that the sections made of noble metal or noble metal alloy are connected to the central electrode stamp by a welded or soldered joint, this stamp having a core made of copper or a copper-based alloy and a jacket, made of a material with a thermal conductivity greater than 60 W/m K.

10. Spark plug according to one of Claims 1 to 9, characterized in that the ground electrodes (4) in the area of the electrode surfaces consist of a precious metal or a precious metal alloy, which are connected to the respective ground electrode carrier (3) by a welded or soldered connection and wherein these ground electrode carriers (3) in turn consist of a material whose thermal conductivity coefficient has a value that is greater than 60 W/mK.

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Austrian AT 522 986 B1 2023-06-15

Spark plug according to one of claims 1 to 10, characterized in that in the base body (6) of the spark plug between two ground electrodes (4) channel-shaped clearances are provided, which connect the breathing space of the spark plug with the combustion chamber or the prechamber of an Otto engine and via the the pressure is equalized and the flame passes after ignition, with the sum (Qf) of the cross-sectional areas of the flow channels perpendicular to the direction of flow to the total cross-sectional area (Q) of the spark plug at the end of the thread on the combustion chamber side being in a ratio (Qf/Q) that is greater than 0, 03

Spark plug according to one of Claims 1 to 11, characterized in that the base body of the spark plug consists of two different materials in the area of the thread, which are connected to one another by a welded or soldered joint, the material on the threaded area on the combustion chamber side having a greater thermal conductivity coefficient than 65 W/m box.

Spark plug according to one of claims 11 or 12, characterized in that the volume (Va) of the breathing space in mm? to cross-sectional area (Q) in mm? in the area of the thread is in a ratio (Va/Q) that is greater than 0.16 mm but less than 0.30 mm.

Spark plug according to one of claims 1 to 13, wherein the sum of the frontal surfaces (O0), which have the center electrode (2) and the ground electrodes (4), including the ground electrode carrier (3) and the star of the center electrode (2), to the total cross-sectional area (Q) the spark plug has a ratio (O/Q) at the combustion chamber threaded end that is greater than 0.50.

Spark plug according to one of Claims 1 to 14, characterized in that the thickness (H2) of the center electrode (2) and/or ground electrode (4) along the longitudinal axis of the center electrode (2) to the overall length of the respective ground electrode edge (22) of the center electrode (2 is in a ratio whose value range can vary between a minimum of 0.03 and a maximum of 0.1.

Spark plug according to one of Claims 1 to 15, characterized in that the entire electrode surface of the central electrode (2) is greater than 35 mm®.

Spark plug according to one of Claims 1 to 16, characterized in that the maximum distance (A1) between the tip of the ground electrode (4) and the threaded shoulder (10) of the spark plug on the combustion chamber side is less than 0.5 times the diameter (D) of the thread.

Spark plug according to one of Claims 1 to 17, characterized in that the at least one electrode gap (5) has a defined contour in the direction of the longitudinal axis of the spark plug, the adjacent electrode surfaces being arranged parallel to one another in an upper region facing towards a combustion chamber or an antechamber of a Otto engine and in the lower area facing the breathing space the electrode gap (5) is widened in such a way that the distance between the opposing electrode surfaces at a point which is one-sixth of the electrode thickness or the gap height H2 above the lower edge of the electrodes is at least twice the distance between the electrodes in the upper, parallel area of the electrode gap, based on the new condition of the spark plug.

Otto engine, in particular gas Otto engine, with a combustion chamber or an antechamber, comprising a spark plug according to one of claims 1 to 17, characterized in that in the base body (6) of the spark plug between each two ground electrodes (4) channel-shaped clearances are provided, which connect the breathing chamber of the spark plug with the combustion chamber or the pre-chamber of a gasoline engine and via which the pressure equalization and a flame passage after ignition takes place, whereby the sum (Qf) of the cross-sectional areas of the flow channels perpendicular to the flow direction to the total cross-sectional area

(Q) of the spark plug at the combustion chamber threaded end has a ratio (Qf/Q) greater than 0.03.

4 sheets of drawings