AT523772A1

AT523772A1 - Zündkerze für Verbrennungskraftmaschinen

Info

Publication number: AT523772A1
Application number: ATA50262/2020A
Authority: AT
Inventors: Herdin Dipl Ing Rüdiger; Axel Herdin David
Original assignee: Pges Gmbh
Priority date: 2020-03-31
Filing date: 2020-03-31
Publication date: 2021-11-15
Also published as: EP4128456A1; WO2021198013A1; AT523772B1; US20230378722A1; EP4128456B1

Abstract

Eine Zündkerze (1) für Verbrennungskraftmaschinen weist eine entlang einer Mittelachse (2) der Zündkerze (1) angeordnete Mittelelektrode (6), die wenigstens abschnittsweise von einem Isolator (5) umschlossen ist, und ein Gehäuse (9) in dem der Isolator (5) wenigstens abschnittsweise aufgenommen ist, auf. Zwischen dem Isolator (5) und dem Gehäuse (9) ist wenigstens abschnittsweise ein Spalt (20) gebildet. Der Spalt (20) ist wenigstens teilweise mit einem eine Wärmeleitfähigkeit (λ) ≥ 1 W/(m*K) aufweisenden Material (23) gefüllt.

Description

wenigstens abschnittsweise ein Spalt gebildet ist.

Bei herkömmlichen Zündkerzen ist eine in der Regel stabförmige Mittelelektrode aus Metall derart von einem Isolator aus Keramik umschlossen, dass nur der vordere Teil der Mittelelektrode frei bleibt. Der Isolator isoliert die Mittelelektrode von einem Gehäuse aus Metall, an dem eine Außen- bzw. Masseelektrode angeordnet ist. Der Isolator ist wenigstens bereichsweise, insbesondere in dem Bereich der Zündkerze, der im Einbauzustand der Zündkerze zum Brennraum hin gerichtet ist, vom Gehäuse umschlossen. Das Gehäuse weist ein Gewinde zum Einschrauben und einen, beispielsweise im Querschnitt sechseckigen, Ansatz für einen Werkzeugschlüssel auf, sodass die Zündkerze fest in einen Zylinderkopf eingeschraubt und auf diese Art und Weise mit diesem verbunden

werden kann.

Bei einigen Ausführungsformen von Zündkerzen liegt das Gehäuse nicht über eine größere Länge am Isolator an, sondern ist von diesem über einen Teil ihrer Längserstreckung durch einen

Spalt beabstandet.

Der zwischen dem Gehäuse und dem Isolator gebildete schmale Spalt ist bei herkömmlichen Zündkerzen mit Luft gefüllt. Um den Spalt zum Brennraum hin abzudichten, sitzt der Isolator mit einer Schulter auf einer Innenschulter im Gehäuse auf, wobei zwischen der Innenschulter und dem Isolator ein Dichtungsring angeordnet sein kann, um den Spalt gasdicht

abzudichten. Der Bereich, in dem der Isolator direkt oder

Isolatorsitz.

Zum Zünden des im Brennraum aufgenommenen Verbrennungsgases wird zwischen der frei liegenden Spitze der Mittelelektrode und der über einen Zündspalt davon beabstandeten, mit dem Gehäuse verbundenen, Außen- bzw. Masseelektrode ein Zündfunke ausgebildet. Beim Zünden und Verbrennen des Verbrennungsgases entstehen im Brennraum Temperaturen von mehr als 1000°C, wodurch auch die Spitze der Mittelelektrode auf bis zu 1000°C aufgeheizt werden kann. Im Normalfall erreicht die Spitze der

Mittelelektrode jedoch eine Temperatur von 400°C bis 850°C.

Die an der Spitze der Mittelelektrode entstehende Wärme wird bei Zündkerzen bekannter Bauart von der Mittelelektrode über eine an die Mittelelektrode anschließende, im Isolator angeordnete, Glasdichtung an den Isolator abgegeben. Aufgrund des Luftspaltes zwischen dem Isolator wird die Wärme vom Isolator fast ausschließlich über den Isolatorsitz an das Gehäuse übertragen. Vom Gehäuse wird die Wärme dann zu einem kleineren Teil an die Umgebung und zum größten Teil über das Gewinde an den Zylinderkopf, in den die Zündkerze

eingeschraubt ist, abgegeben.

Aufgrund des beschränkten Bauraumes ist die Übertragungsfläche zwischen dem Isolator und dem Gehäuse im Bereich des Isolatorsitzes relativ klein, sodass auch der Wärmefluss zwischen dem Isolator und dem Gehäuse begrenzt ist. Durch Optimierung lässt sich diese Übertragungsfläche zwar vergrößern, jedoch ist das Verbesserungspotential konstruktionsbeding relativ gering. Die Folge ist eine thermische Überbelastung des Mittelelektrodenträgers und der

Edelmetallelektrode.

zwischen der Mittelelektrode und dem Gehäuse ermöglicht.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß mit einer Zündkerze,

die die Merkmale von Anspruch 1 aufweist.

Bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung

sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Spalt wenigstens teilweise mit einem einer eine Wärmeleitfähigkeit A 2? 1

W/(m*K) aufweisenden Material gefüllt ist.

Bei herkömmlichen Zündkerzen ist der Spalt mit Luft gefüllt, die eine relativ geringe Wärmeleitfähigkeit A = 0,0262 W/(m*K) aufweist. Somit kann bei herkömmlichen Zündkerzen kaum Wärme über den Spalt übertragen werden. Die Wärmeübertragung findet daher fast ausschließlich über die sehr begrenzte Kontaktfläche zwischen dem Isolator und dem Gehäuse im Bereich des Isolatorsitzes statt. Da bei der erfindungsgemäßen Zündkerze das in den Spalt gefüllte Material eine wesentlich höhere Wärmeleitfähigkeit A als Luft aufweist, kann Wärme zwischen dem Isolator und dem Gehäuse über die gesamte mit dem Material befüllte Länge des Spaltes übertragen werden. Die Fläche für die Wärmeübertragung wird daher stark vergrößert, was zu einer signifikanten Steigerung des Wärmeflusses

zwischen Isolator und Gehäuse führt. Die Mittelelektrode ist umfangsseitig vom Isolator umschlossen

und der Isolator ist umfangsseitig im Gehäuse aufgenommen,

wobei vorzugsweise ein freies Ende der Mittelelektrode aus dem

heraus ragt.

Der Spalt weist im Wesentlichen die Form eines Hohlzylinders auf und verläuft, wie auch die Mittelachse, in Längsrichtung

der Zündkerze.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist das im Spalt aufgenommene Material eine Wärmeleitfähigkeit A 2 4 W/(m*K), vorzugsweise 2? 6 W/(m*K), auf. Dadurch erfolgt

zwischen Isolator und Gehäuse ein noch höherer Wärmeaustausch.

Insbesondere kann im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass das Material ein Metall bzw. eine Metalllegierung ist. Dies ist besonders vorteilhaft, da Metalle einerseits besonders gut Wärme leiten und andrerseits - im Vergleich zu mineralischen und keramischen Materialien - einfach

aufschmelzbar und in den Spalt einbringbar sind.

Das Material kann im Rahmen der Erfindung beispielsweise ein bei niedriger Temperatur flüssiges Metall bzw. eine niedrigschmelzende Legierung, insbesondere eine Legierung auf Galliumbasis, sein, das vorzugsweise in einer Legierung mit

Indium, Rhodium, Silber, Zink und/oder Zinn verwendet wird.

Im Rahmen der Erfindung kann das Material auch eine Suspension sein, die aus einer Flüssigkeit und darin verteilten Partikeln besteht. Die Flüssigkeit ist beispielsweise ein Öl, insbesondere ein Silikonöl, und als Partikel können beispielsweise Aluminium-, Kupfer-, Graphit- und/oder Silberbestandteile enthalten sein. Die Suspension weist bei

Raumtemperatur vorzugsweise einen pastöÖösen Zustand auf.

Bei niedriger Temperatur flüssige Metalle und Suspensionen

lassen sich besonders einfach in den Spalt einbringen, dringen

Wärmeleitfähigkeit des Materials auswirken würden.

Besonders bevorzugt ist, wenn das Material einen Schmelzpunkt < 200°C, insbesondere ein Schmelzpunkt © < 100°C, aufweist. Dadurch kann das Material besonders einfach durch vorheriges Schmelzen in den Spalt eingebracht werden. Da die Temperatur im Bereich des Spaltes im Betrieb der Zündkerze wenigstens über 150°C, eher aber deutlich über 200°C liegt, schmilzt das Material mit einem derart niedrigen Schmelzpunkt im Spalt ganz oder zumindest teilweise auf. Dies bewirkt ein optimales Ausfüllen des Spaltes mit dem Material, sodass ein möglichst großer Bereich für die Wärmeübertragung zwischen dem Isolator

und dem Gehäuse geschaffen wird.

Bevorzugt sind Ausführungsformen, bei denen das Material eine Legierung auf Bismutbasis ist. Derartige Legierungen weisen einen besonders niedrigen Schmelzpunkt auf. Besonders bevorzugt kann im Rahmen der Erfindung die Bismutlegierung Roses Metall verwendet werden. Roses Metall weist eine Wärmeleitfähigkeit A von 6 - 9 W/(m*K) und einen Schmelzpunkt © von ca. 94 - 98 °C auf. Vorteilhaft an Bismutlegierungen im Allgemeinen und an Roses Metall im Besonderen ist, dass diese aufgrund des hohen Anteils an Bismut sehr spröde sind. Dadurch reißt das in den Spalt gefüllte Material beim Erstarren, ist dann im Wesentlichen eigenspannungsfrei und gibt daher auch

kaum Spannungen an den angrenzenden Isolator ab.

Der Spalt ist zwischen einer Außenseite des Isolators und einer Innenseite des Gehäuses gebildet. Besonders bevorzugt ist es im Rahmen der Erfindung, wenn die Außenseite des Isolators und/oder die Innenseite des Gehäuses wenigstens im Bereich des Spaltes beschichtet ist, wobei die Beschichtung

eine hohe Benetzbarkeit aufweist. Die Innenseite des Gehäuses

und dem Gehäuse bzw. dem Isolator gebildet ist.

Weiters kann die Außenseite des Isolators und/oder die Innenseite des Gehäuses wenigstens im Bereich des Spaltes eine die Oberfläche vergrößernde Struktur aufweisen. Eine derartige Struktur kann beispielsweis durch Nuten oder Rillen gebildet sein. Durch die Vergrößerung der Oberfläche kann mehr Wärme vom Isolator an das Material im Spalt und von dem Material an

das Gehäuse abgegeben werden.

Die Zündkerze weist ein in einem Einbauzustand zu einem Brennraum hin gerichtetes, vorderes Ende und ein im Einbauzustand vom Brennraum weg gerichtetes, hinteres Ende auf. Insbesondere verläuft der mit dem Material gefüllte Teil des Spaltes vom Isolatorsitz im Bereich des vorderen Endes der

Zündkerze in Richtung hinteres Ende,

Insbesondere besteht der Isolator aus Keramik, z.B. aus

Aluminiumoxid, und das Gehäuse aus Metall, z.B. aus Stahl.

Weiters ist bevorzugt am Gehäuse eine Außenelektrode angeordnet, die radial vom Gehäuse zum freien Ende der Mittelelektrode hin verläuft, sodass zwischen der Außenelektrode und der Mittelelektrode ein Zündspalt gebildet ist. Diese Bauweise ermöglicht die Verwendung herkömmlicher Zündkerzenbestandteile, wodurch die Kosten für die Herstellung

der erfindungsgemäßen Zündkerze gesenkt werden können. Im

eingebracht werden.

Vorzugsweise ist im Bereich des Isolatorsitzes ein Dichtungsring zwischen dem Isolator und dem Gehäuse angeordnet. Dieser Dichtungsring verhindert ein Eintreten von Verbrennungs- bzw. Explosionsgas in den Spalt und ein

Austreten des hoch wärmeleitenden Materials in den Brennraum.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die angeschlossene Zeichnung, in welcher eine

bevorzugte Ausführungsformen dargestellt ist.

Die Figur zeigt einen Abschnitt einer erfindungsgemäßen

Zündkerze in einer teilgeschnittenen Seitenansicht.

In der Figur ist die linke Seite der Zündkerze 1 ungeschnitten dargestellt. Die rechte Seite der Zündkerze 1 ist hingegen entlang einer Schnittebene, die durch eine Mittelachse 2 der Zündkerze 1 verläuft und zur Sichtebene parallel ist,

geschnitten dargestellt.

Die Zündkerze 1 weist ein im Einbauzustand zu einem Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine hin gerichtetes, vorderes Ende 3 und ein im Einbauzustand vom Brennraum weg gerichtetes,

hinteres Ende 4 auf.

Ein aus einem elektrisch isolierenden Material, insbesondere

Keramik, bestehender Isolator 5 verläuft vom vorderen Ende 3

bis zum hinteren Ende 4 der Zündkerze 1.

nicht dargestellten Stromleiter verbindbar.

Zwischen der Mittelelektrode 6 und dem Anschlussbolzen 7 befindet sich eine im Inneren des Isolators 5 aufgenommene

elektrisch leitende Glasdichtung 8.

Der Isolator 5 ist in einem metallischen Gehäuse 9 aufgenommen. Dieses weist ein Außengewinde 11 zum Einschrauben in einen Zylinderkopf und einen Außensechskant zum Ansetzen

eines Werkzeuges auf.

Im Bereich des vorderen Endes 3 ist in der dargestellten Ausführungsform der Zündkerze eine Außenelektrode 13 am Gehäuse 9 angeordnet, die vom Gehäuse 9 zur Mittelachse 2 hin ragt, sodass zwischen der Außenelektrode 13 und einem freien

Ende 14 der Mittelelektrode 6 ein Zündspalt 15 gebildet ist.

Der Isolator 5 weist im Bereich des vorderen Endes 3 der Zündkerze 1 eine Schulter 16 auf, die entweder direkt oder über einen Dichtungsring 17 an einer Innenschulter des Gehäuses 9 anliegt. Zusammen bilden die Schulter 16 des Isolators 5 und die Innenschulter 18 des Gehäuses 9 den

Isolatorsitz 19.

Ausgehend vom Isolatorsitz 19 und in Richtung zum hinteren Ende 4 der Zündkerze 1 verlaufend ist ein Spalt 20 zwischen einer Außenseite 21 des Isolators 5 und einer Innenseite 22 des Gehäuses 9 gebildet. Der Spalt 20 weist somit die Form eines zwischen dem Isolator 5 und dem Gehäuse 9 angeordneten

Hohlzylinders auf.

verformbaren Zustand im Spalt 20 angeordnet werden.

Das im Spalt 20 angeordnete, wärmeleitende Material 23 ist im Betrieb, d.h. bei laufender Verbrennungskraftmaschine, zumindest teilweise, insbesondere jedoch vollständig, geschmolzen. Es bildet eine gut wärmeleitende Verbindung

zwischen dem Isolator 5 und dem Gehäuse 9.

Die Außenseite 21 des Isolators 5 und/oder die Innenseite 22 des Gehäuses 9 kann/können eine speziell geformte oder

bearbeitete Oberfläche, z.B. eine Oberfläche mit einer sehr geringen Oberflächenrauigkeit, aufweisen, sodass diese sehr

gut benetzbar ist.

Im Rahmen der Erfindung können auch anders aufgebaute Zündkerzen 1 verwendet werden, solange in dem Spalt 20 zwischen dem Isolator 5 und dem Gehäuse 9 ein wärmeleitendes Material 23 im Sinne der Erfindung aufgenommen, insbesondere

eingefüllt, ist.

Bezugszeichenliste:

1 Zündkerze

2 Mittelachse

3 vorderes Ende

4 hinteres Ende

5 Isolator

6 Mittelelektrode 7 Anschlussbolzen 8 Glasdichtung

9 Gehäuse

10 =

11 Außengewinde

12 Ansatzstelle

13 Außenelektrode

14 freies Ende Mittelelektrode 15 Zündspalt

16 Schulter

17 Dichtungsring

18 Innenschulter

19 Isolatorsitz

20 Spalt

21 Außenseite Isolator 22 Innenseite Gehäusee

Claims

Patentansprüche:

Zündkerze (1) für Verbrennungskraftmaschinen mit einer entlang einer Mittelachse (2) der Zündkerze (1) angeordneten Mittelelektrode (6), die wenigstens abschnittsweise von einem Isolator (5) umschlossen ist, und mit einem Gehäuse (9), in dem der Isolator (5) wenigstens abschnittsweise aufgenommen ist, wobei zwischen dem Isolator (5) und dem Gehäuse (9) wenigstens abschnittsweise ein Spalt (20) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (20) wenigstens teilweise mit einem eine Wärmeleitfähigkeit (A) 2 1 W/(m*K),

aufweisenden Material (23) gefüllt ist.

Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (23) eine Wärmeleitfähigkeit (A) 2 4

W/(m*K), vorzugsweise 2 6 W/(m*K), aufweist.

Zündkerze nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (23) einen Schmelzpunkt (®) < 200°C,

insbesondere einen Schmelzpunkt (6) < 100°C, aufweist.

Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (23) ein Metall, eine Metalllegierung, oder eine Suspension mit Metallpartikeln

ist.

Zündkerze nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (23) eine Bismutlegierung, vorzugsweise

Roses Metall, ist. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch

gekennzeichnet, dass eine Außenseite (21) des Isolators

(5) und/oder eine Innenseite (22) des Gehäuses (9)

wenigstens im Bereich des Spaltes (20) beschichtet ist,

wobei die Beschichtung eine hohe Benetzbarkeit aufweist.

Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Außenseite (21) des Isolators (5) und/oder eine Innenseite (22) des Gehäuses (9) wenigstens im Bereich des Spaltes (20) eine die Oberfläche vergrößernde Struktur, beispielsweise Nuten

oder Rillen, aufweist.

Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündkerze (1) ein in einem Einbauzustand zu einem Brennraum hin gerichtetes, vorderes Ende (3) und ein im Einbauzustand vom Brennraum weg gerichtetes, hinteres Ende (4) aufweist, und dass der mit dem Material (23) gefüllte Teil des Spaltes (20) von einem Isolatorsitz (19) im Bereich des vorderen Endes (3)

der Zündkerze (1) in Richtung hinteres Ende (4) verläuft.