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Die Erfindung bezieht sich auf eine Zündkerze, die bei einem Motor für Kogenerationszwecke Anwendung finden kann, und außerdem auf ein Einstellverfahren für diese Zündkerze, das routinemäßig durchgeführt wird, um den Funkenspalt als Reaktion auf eine durch Funkenaufbrauch verursachte Ausdehnung des Funkenspalts wieder auf einen Anfangswert einzustellen. Unter „Kogeneration“ ist die Erzeugung von zwei nutzbaren Energieformen zu verstehen.
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Die angesprochene Zündkerzenbauart weist allgemein eine Mittelelektrode, einen um die Mittelelektrode herum angeordneten Isolator, ein um den Isolator herum angeordnetes Metallanschlussstück, eine Masseelektrode, deren eines Ende mit dem Metallanschlussstück verbunden ist und deren anderes Ende gegenüber der Mittelelektrode gelegen ist, und auf den einander gegenüber liegenden Oberflächen der Mittel- und Masseelektrode aufgebrachte Edelmetallspitzen auf. Die Edelmetallspitzen enthalten vor allem Ir (Iridium). Zwischen den auf den gegenüberliegenden Oberflächen der Mittel- und Masseelektrode aufgebrachten Edelmetallspitzen ist somit ein Funkenspalt ausgebildet.
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Eine Zündkerze der angesprochenen Bauart ist aus der
DE 697 06 739 T2 bekannt. Eine Zündkerze mit einer auf der Mittelelektrode aufgebrachten Edelmetallspitze und ohne Edelmetallspitze auf der Masseelektrode ist aus der
EP 0 834 973 A2 bekannt. Zündkerzen ganz ohne Edelmetallspitzen sind aus der
DE 30 19 251 A ,
DE 33 11 487 A ,
GB 2 189 545 A und
US 2 845 566 A bekannt.
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Die für Kogenerationszwecke dienenden Zündkerzen werden im Vergleich zu Zündkerzen für Kraftfahrzeuge bei höheren Temperaturen eingesetzt. Die Edelmetallspitzen der Masse- und Mittelelektrode unterliegen daher einem starken Aufbrauch. Der Funkenspalt ist verhältnismäßig klein. Dabei hat die durch das Aufbrauchen der Edelmetallspitzen bedingte Ausdehnung des Funkenspalts einen schlechten Einfluss auf die Spannungskennwerte der Zündkerze.
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Deswegen ist bei dieser Zündkerzenbauart eine (allgemein als „Spaltneueinstellung“ bezeichnete) Einstellung erforderlich, um den Funkenspalt wieder auf einen Anfangswert zu bringen, wobei diese Einstellung routinemäßig durchgeführt wird, wenn sich der Funkenspalt infolge des Aufbrauchens der Edelmetallspitzen um ein gewisses Maß ausgedehnt hat. Die Spaltneueinstellung erfolgt im Allgemeinen unter Verformung des entfernten Endes (d.h. des freien Endes) der Masseelektrode um ihr nahes Ende (d.h. feststehendes Ende), sodass die Masseelektrode der Mittelelektrode angenähert wird. Dadurch wird der Funkenspalt, nachdem er sich einmal infolge des Aufbrauchens der Edelmetallspitzen ausgedehnt hat, auf den Anfangswert verkürzt.
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Bei dieser Zündkerzenbauart wird der Funkenspalt in der Regel auf diese Weise genau einmal zu einem passenden Zeitpunkt neu eingestellt, nachdem der Funkenbetrieb ausgehend vom nagelneuen Zustand aufgenommen wurde. Nach der Spaltneueinstellung werden die Edelmetallspitzen kontinuierlich abgetragen, bis sie an ihre Grenze (d.h. ihre Aufbrauchgrenze) stoßen. Für die Lebensdauer der Zündkerze wird im Allgemeinen die Zeitdauer herangezogen, die die Edelmetallspitzen brauchen, um den unbrauchbaren Zustand zu erreichen. Wenn die Lebensdauer endet, muss die aufgebrauchte Zündkerze durch eine neue ersetzt werden.
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Nach Aussage der Erfinder sind folgende Probleme zu lösen, wenn die Lebensdauer herkömmlicher Zündkerzen verlängert werden soll. Um eine zufriedenstellende Entladungsfläche zu erzielen (d.h. um ein ausreichendes Verschleißverhalten zu gewährleisten), kommt für die Mittelelektrode und die Masseelektrode bei herkömmlichen Zündkerzen eine parallele Funkenspaltanordnung zum Einsatz, bei der die Edelmetallspitzen beider Elektroden parallel zueinander sind.
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Die Edelmetallspitzen werden auch dann parallel gehalten, wenn sie aufgebraucht werden oder nachdem sie aufgebraucht wurden. Bei Durchführung der Spaltneueinstellung wird die Masseelektrode jedoch dazu gezwungen, sich um ihr feststehendes Ende herum zu neigen oder zu verformen. Nach der Spaltneueinstellung ist die Lagebeziehung zwischen den auf der Masse- und Mittelelektrode aufgebrachten Edelmetallspitzen daher nicht mehr länger parallel. Der Funkenspalt, d.h. der räumliche Abstand zwischen den gegenüberliegenden, auf der Masse- und Mittelelektrode aufgebrachten Edelmetallspitzen, wird daher auf der näher an dem freien Ende der Masseelektrode liegenden Seite schmaler und auf der entgegengesetzten, näher an dem feststehenden Ende der Masseelektrode liegenden Seite breiter.
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Der durch die Spaltneueinstellung geschaffene ungleichmäßige Funkenspalt hat einen schlechten Einfluss auf die Edelmetallspitzen. Und zwar ist die Verschleiß- oder Aufbrauchgeschwindigkeit auf der näher an dem freien Ende der Masseelektrode liegenden Seite der Edelmetallspitzen schneller und auf der entgegengesetzten, näher an dem feststehenden Ende der Masseelektrode liegenden Seite der Edelmetallspitzen langsamer. Mit anderen Worten setzt sich der Verschleiß oder der Aufbrauch der Edelmetallspitzen der Zündkerze nach der Spaltneueinstellung in schräger Weise ungleichmäßig fort. Die Edelmetallspitzen erreichen in diesem Fall die Aufbrauchgrenze zuerst an einem lokalen Punkt, an dem die Abrasion besonders rasch fortgeschritten ist. Die Lebensdauer der Zündkerze endet daher vorzeitig, auch wenn der übrige Teil der Edelmetallspitzen noch verwendungsfähig wäre.
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Wie vorstehend beschrieben ist, sind die herkömmlichen Zündkerzen insofern mit einem Nachteil verbunden, als die teuren Edelmetallspitzen nach Durchführung der Spaltneueinstellung nicht effektiv genutzt werden. Infolgedessen ließ sich bislang kein Verschleißverhalten erzielen, das zufrieden stellen konnte. Die Lebensdauer herkömmlicher Zündkerzen war verhältnismäßig kurz.
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Angesichts der angesprochenen Probleme beim Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine Zündkerze für Kogenerationszwecke zur Verfügung zu stellen, die zwar dem Grunde nach eine Spaltneueinstellung erfordert, aber nach Durchführung der Spaltneueinstellung ein verbessertes Verschleißverhalten zeigt, wodurch die Lebensdauer der Zündkerze verlängert wird.
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Um die obige Aufgabe und damit zusammenhängende Aufgaben zu lösen, sieht die Erfindung eine für Kogenerationszwecke zu verwendende Zündkerze vor, wie sie im Anspruch 1 definiert ist.
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Erfindungsgemäß werden die Edelmetallspitzen bei der abgeschrägten Funkenspaltanordnung bis zur Durchführung der Spaltneueinstellung lokal und ungleichmäßig abgetragen. Dadurch wird die Lebensdauer der Zündkerze in der Anfangsphase, in der keine Spaltneueinstellung erforderlich ist, im Vergleich zu einer herkömmlichen Zündkerze etwas verkürzt. Allerdings ermöglicht die Erfindung es, die Masseelektrode bei der Durchführung der Spaltneueinstellung parallel zur Mittelelektrode auszurichten. Dementsprechend werden die verbliebenen Edelmetallspitzen nach der Spaltneueinstellung vollständig abgetragen. Mit anderen Worten kann in der Endphase des Funkenaufbruchs fast der gesamte Rest der Edelmetallspitzen effektiv genutzt werden. Die Erfindung führt daher nach der Spaltneueinstellung zu einem verbesserten Verschleißverhalten der Zündkerze und verlängert dementsprechend die Lebensdauer der Zündkerze.
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Durch den im Bereich von 2° bis 10° liegenden Neigungswinkel α wird die erfindungsgemäße Wirkung gewährleistet. Ein Neigungswinkel α von mehr als 10° würde dagegen das lokale und ungleichmäßige Aufbrauchen der Edelmetallspitzen vor der Spaltneueinstellung fördern. Dementsprechend würde die Lebensdauer der Zündkerze in der Anfangsphase vor der Spaltneueinstellung so sehr verkürzt werden, dass dadurch die Wirkung des verbesserten Verschleißverhaltens in der auf die Spaltneueinstellung folgenden Endphase aufgehoben wird.
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Erfindungsgemäß sollte die Edelmetallspitze der Masseelektrode und die Edelmetallspitze der Mittelelektrode vorzugsweise jeweils aus einer Ir-(Iridium-)Legierung, z.B. 90Ir-10Rh, bestehen, welche ein hervorragendes Verschleißverhalten zeigt. Dadurch kann die Lebensdauer der Zündkerze verlängert werden.
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Erfindungsgemäß ist es außerdem vorzuziehen, dass sich der Mindestabstand ΔG des Funkenspalts, der zwischen der auf der Masseelektrode aufgebrachten Edelmetallspitze und der auf der Mittelelektrode aufgebrachten Edelmetallspitze ausgebildet ist, im Bereich von 0,2 mm bis 0,5 mm liegt.
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Ein Funkenspalt von weniger als 0,2 mm würde keine zufriedenstellende Zündfähigkeit mit sich bringen, was eine der Grundvoraussetzungen für die Zündkerze ist. Wenn der Funkenspalt dagegen größer als 0,5 mm ist, würde die Wirkung der abgeschrägten Funkenspaltanordnung, die die Erfindung mit sich bringt, nicht gewährleistet sein. Die Lebensdauer der Zündkerze ließe sich daher weniger stark verlängern.
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Darüber hinaus sieht die Erfindung ein Einstellverfahren für eine zu Kogenerationszwecken dienende Zündkerze vor, wie es im Anspruch 4 definiert ist.
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Genauer gesagt werden bei dem erfindungsgemäßen Einstellverfahren die Edelmetallspitzen der jeweiligen Elektroden derart angeordnet, dass der Funkenspalt auf der näher an dem einen Ende der Masseelektrode gelegenen Seite einen ersten Spalt G1 und auf der entgegengesetzten, näher an dem anderen Ende der Masseelektrode gelegenen Seite einen zweiten Spalt G2 umfasst, wobei der erste Spalt G1 kürzer als der zweite Spalt G2 ist, sodass eine erste Gerade S1, die beide Kanten der auf der Masseelektrode aufgebrachten Edelmetallspitzen verbindet, bezogen auf eine zweite Gerade S2, die beide Kanten der auf der Mittelelektrode aufgebrachten Edelmetallspitze verbindet, um einen Neigungswinkel α geneigt ist, und die beiden Kanten der Edelmetallspitze der Masseelektrode und die beiden Kanten der Edelmetallspitze der Mittelelektrode gemeinsam den ersten Spalt G1 und den zweiten Spalt G2 definieren. Wenn der Funkenspalt infolge des Aufbrauchens der Edelmetallspitzen beider Elektroden größer geworden ist, wird der Funkenspalt eingestellt, indem die auf der Masseelektrode aufgebrachte Edelmetallspitze näher an die auf der Mittelelektrode aufgebrachte Edelmetallspitze gebracht wird, um so den Neigungswinkel α auf einen negativen Wert zu verringern.
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Aus den gleichen Gründen wie zuvor führt das erfindungsgemäße Einstellverfahren nach der Spaltneueinstellung zu einem verbesserten Verschleißverhalten der Zündkerze und verlängert dementsprechend die Lebensdauer der Zündkerze.
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Die obigen und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen zu lesen ist, die Folgendes zeigen:
- 1 eine Halbschnittansicht des Gesamtaufbaus einer Zündkerze gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2A eine Querschnittansicht der Einzelheiten eines in 1 gezeigten, mit einer Kreislinie umgebenen Abschnitts A;
- 2B eine vergrößerte Ansicht wesentlicher Teile der 2A;
- 3 eine zum Vergleich der Erfindung mit einem herkömmlichen Produkt dienende Abbildungsfolge, die den Aufbrauchzustand von Edelmetallspitzen skizziert;
- 4 ein zum Vergleich der Erfindung mit dem Stand der Technik dienende Darstellung, die den Verlauf eines Spaltausdehnungsbetrags bezogen auf die Dauer eines Langzeitversuchs wiedergibt;
- 5 eine grafische Darstellung mit dem effektiven Bereich für den Neigungswinkel α bezogen auf die Lebensdauer der Zündkerze;
- 6 eine grafische Darstellung der Wirkung auf die Lebensdauer, wenn bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Zündkerze eine Ir-Legierungsspitze Verwendung findet;
- 7 eine grafische Darstellung des effektiven Bereichs des Funkenspalts ΔG bezogen auf die Lebensdauer des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Zündkerze;
- 8A eine Querschnittansicht eines Beispiels für eine erste Abwandlung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Zündkerze;
- 8B eine Querschnittansicht eines weiteren Beispiels für die erste Abwandlung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Zündkerze;
- 9 eine Querschnittansicht einer zweiten Abwandlung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Zündkerze;
- 10A eine Querschnittansicht einer dritten Abwandlung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Zündkerze;
- 10B eine Querschnittansicht einer vierten Abwandlung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Zündkerze;
- 11A und 11B jeweils eine Querschnittansicht der Gestaltung der Edelmetallspitzen gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
- 12A und 12B jeweils eine Perspektivansicht der Gestaltung der Edelmetallspitzen gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen werden nun bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Die folgenden Ausführungsbeispiele offenbaren Zündkerzen, die bei einem gasbetriebenen Motor eines Generators für Kogenerationszwecke Anwendung finden können. 1 zeigt eine Halbschnittansicht des Gesamtaufbaus einer Zündkerze 100 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung. 2A zeigt im Querschnitt Einzelheiten eines in 1 gezeigten, mit einem Kreis umgebenen Abschnitts A. 2B zeigt eine vergrößerte Ansicht eines wesentlichen Teils von 2A.
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Die Zündkerze 100 hat ein zylinderförmiges Metallanschlussstück (d.h. Gehäuse) 10. Das Metallanschlussstück 10 umfasst einen Gewinderücken 11, der fest mit einem entsprechenden, an einem (nicht gezeigten) Motorblock ausgebildeten Gewindeloch in Verbindung gebracht wird. Im Inneren des Metallanschlussstücks 10 ist ein Isolator 20 aus Aluminiumoxidkeramik (Al2O3) etc. festgehalten. Der Isolator 20 hat ein vorderes Ende 21, das von einer Öffnung an einem Axialende 12 des Metallanschlussstücks 10 nach außen hin frei liegt.
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Der Isolator 20 hat ein Innenloch 22, um darin fest eine säulenförmige Mittelelektrode 30 aufzunehmen. Das vordere Ende 31 der Mittelelektrode 30 liegt vom vorderen Ende 21 des Isolators 20 nach außen hin frei. Das Metallanschlussstück 10 trägt die Mittelelektrode 30 daher über den Isolator 20.
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Die Mittelelektrode 30 weist ein inneres Metallelement aus beispielsweise Cu (d.h. Kupfer) mit hervorragender Wärmeleitfähigkeit und ein äußeres Metallelement aus einer Legierung auf Basis von Ni (d.h. Nickel) mit hervorragender Wärmebeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit auf. Auf dem vorderen Ende 31 ist durch Schweißen oder dergleichen eine Edelmetallspitze 32 (aus z.B. Ir oder einer Ir-Legierung) aufgebracht, die beispielsweise in Scheibenform vorliegen kann. Die Edelmetallspitze 32 wird nachstehend als Mittelelektrodenspitze bezeichnet und bildet einen Teil der Mittelelektrode 30.
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An dem Axialende 12 des Metallanschlussstücks 10 ist durch Schweißen oder dergleichen eine säulenförmige Masseelektrode 40 befestigt, die aus einer Legierung auf Ni-Basis oder dergleichen besteht. Die Masseelektrode 40 weist ein an dem Axialende 12 des Metallanschlussstücks 10 befestigtes erstes Ende (d.h. feststehendes Ende) 41, einen im Wesentlichen L-förmig gebogenen Mittelabschnitt und ein dem vorderen Ende 31 der Mittelelektrode 30 gegenüber liegendes anderes Ende (d.h. freies Ende) 42 auf.
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Auf dem gegenüber liegenden Abschnitt der Masseelektrode 40 ist durch Schweißen oder dergleichen eine Edelmetallspitze (z.B. Ir oder Ir-Legierung) 43 aufgebracht, die beispielsweise in Scheibenform vorliegen kann. Die Edelmetallspitze 43 wird nachstehend als Masseelektrodenspitze bezeichnet und bildet einen Teil der Masseelektrode 40. Die Masseelektrodenspitze 43 ist somit gegenüber der Mittelelektrodenspitze 32 gelegen, sodass dazwischen ein Funkenspalt 50 ausgebildet ist.
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Die Zündkerze 11 wird so in den Kogenerationsmotor eingebaut, dass der Funkenspalt 50 in einer (nicht gezeigten) Verbrennungskammer dieses Motors liegt. Im Funkenspalt 50 wird ein Funken erzeugt, wenn zwischen dem Metallanschlussstück 10 und der Mittelelektrode 30 eine hohe Spannung angelegt wird. Der Funke des Funkenspalts 50 zündet das Brennstoffgas in der Verbrennungskammer.
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Wie in den 2A und 2B gezeigt ist, kommt bei der Zündkerze gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine neuartige Anordnung für den Funkenspalt 50 zum Einsatz. Die Mittelelektrodenspitze 32 und die Masseelektrodenspitze 43 sind derart angeordnet, dass der Funkenspalt 50 auf der näher an dem feststehenden Ende (d.h. dem einen Ende) 41 der Masseelektrode 40 gelegenen Seite einen ersten Spalt G1 und auf der entgegengesetzten, näher an dem freien Ende (d.h. dem anderen Ende) 42 der Masseelektrode 40 gelegenen Seite einen zweiten Spalt G2 umfasst, wobei der erste Spalt G1 kürzer als der zweite Spalt G2 ist.
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Bei der Anordnung gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Masseelektrodenspitze 43 bezogen auf die Mittelelektrodenspitze 32 schräg angeordnet, sodass der Funkenspalt 50 auf der näher an dem feststehenden Ende (d.h. dem einen Ende) 41 der Masseelektrode 40 gelegenen Seite kleiner und auf der entgegengesetzten, näher an dem freien Ende (d.h. dem anderen Ende) 42 der Masseelektrode 40 gelegenen Seite breiter ist. Die gegenüber liegenden Oberflächen (d.h. die Entladungsoberflächen) 32a und 43a der Mittelelektrodenspitze 32 und der Masseelektrodenspitze 43 sind daher nicht parallel zueinander.
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Diese Anordnung wird als abgeschrägte Funkenspaltanordnung für die Edelmetallspitzen bezeichnet. Der Funkenspalt 50 der abgeschrägten Funkenspaltanordnung wird durch den kleinsten Abstand zwischen den gegenüber liegenden Elektrodenspitzen 43 und 32 definiert, der einem kürzesten Spalt ΔG des Funkenspalts 50 entspricht, der auf der einen, näher an dem feststehenden Ende 41 der Masseelektrode 40 liegenden Seite vorliegt.
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Bei der abgeschrägten Funkenspaltanordnung für die Edelmetallspitzen ist darüber hinaus eine erste Gerade S1, die beide Kanten der Masseelektrodenspitze 43 verbindet, bezogen auf eine zweite Gerade S2, die beide Kanten der Mittelelektrodenspitze 32 verbindet, um einen Winkel α geneigt, wobei die beiden Kanten der Masseelektrodenspitze 43 und die beiden Kanten der Mittelelektrodenspitze 32 gemeinsam den ersten Spalt G1 und den zweiten Spalt G2 definieren (siehe 2B).
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Bei diesem Ausführungsbeispiel entspricht der Neigungswinkel α einem Schnittwinkel zwischen den gegenüber liegenden Flächen 32a und 43a der Mittelelektrodenspitze 32 und der Masseelektrodenspitze 43. Als Wert für den Winkel α ist ein Bereich von 2° bis 10° vorzuziehen. Wie in den 2A und 2B gezeigt ist, ist der Neigungswinkel α als ein positiver Wert definiert, wenn er bezüglich der gegenüber liegenden Oberfläche 32 (= 0°) der Mittelelektrodenspitze 32 gegen den Uhrzeigersinn gemessen wird, oder ein negativer Wert, wenn er im Uhrzeigersinn gemessen wird. Obwohl nicht die Absicht besteht, die Erfindung unangemessen einzuschränken, sind die Abmessungen der beschriebenen Zündkerze 100 in der Praxis wie folgt.
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Das vordere Ende 31 der Mittelelektrode 30 ist ein säulenförmiges Element aus einer Legierung auf Ni-Basis mit einem Durchmesser von 2,9 mm. Die Mittelelektrodenspitze 32 ist ein scheibenförmiges Element aus einer Ir-(Iridium-) Legierung mit einem Durchmesser von 2,4 mm und einer Dicke von 1,5 mm. Die Masseelektrode 40 ist ein rechteckiges stabförmiges Element aus einer Legierung auf Ni-Basis mit einer Breite von 3,3 mm und einer Dicke von 1,6 mm. Die Masseelektrodenspitze 43 ist ein scheibenförmiges Element aus einer Pt-(Platin-)Legierung mit einem Durchmesser von 2,2 mm und einer Dicke von 0,55 mm. Der Funkenspalt 50 beträgt 0,28 mm. Der Neigungswinkel α beträgt 6°.
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Die vorstehend beschriebene abgeschrägte Funkenspaltanordnung kann wie folgt ausgebildet werden. Ein Arbeiter baut die Mittelelektrode 30 und den Isolator mit dem Metallanschlussstück 10 zusammen. Dann befestigt der Arbeiter das eine Ende 41 der Masseelektrode 40 an dem einem Axialende 12 des Metallanschlussstücks 10 durch Schweißen oder dergleichen. Dann biegt oder verformt der Arbeiter die Masseelektrode 40 mit einer Einspannvorrichtung oder dergleichen, während er den Funkenspalt 50 mit einem Eichmaß misst, um das andere Ende 42 der Masseelektrode 40 bezüglich der Mittelelektrode 30 an eine vorbestimmte Position zu bringen und dadurch zwischen der Masseelektrodenspitze 43 und der Mittelelektrodenspitze 32 kontrolliert einen Funkenspalt 50 auszubilden.
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Unter Bezugnahme auf 3 wird nun die Funktionsweise und die Wirkungsweise der vorstehend beschriebenen abgeschrägten Funkenspaltanordnung für die Edelmetallspitzen erläutert. 3 zeigt einen Vergleich zwischen der Erfindung und einem herkömmlichen Produkt, wobei der Aufbrauchzustand der Edelmetallspitzen 32 und 43 in verschiedenen Phasen skizziert ist, und zwar (1) im brandneuen Zustand, (2) unmittelbar vor der Spaltneueinstellung, (3) unmittelbar nach der Spaltneueinstellung und (4) am Lebensdauerende.
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Die in 3 gezeigten Abbildungen gehen auf Langzeitversuche zurück, die von den Erfindern durchgeführt wurden. Für die Langzeitversuche wurden eine erfindungsgemäße Zündkerze 100 (Neigungswinkel α = 6°) sowie eine herkömmliche Zündkerze (α = 0°) mittels Funkenentladungsvorgängen in einer druckbeaufschlagten Kammer (Druck: 0,6 MPa) beurteilt. Der Anfangswert des Funkenspalts 50 wurde auf 0,28 mm eingestellt. Als sich der Funkenspalt 50 um einen Betrag von 0,3 mm ausgedehnt hatte, d.h. als der Funkenspalt 50 0,58 mm betrug, führten die Erfinder die Spaltneueinstellung durch, um den Funkenspalt 50 wieder auf den Anfangswert zu bringen. Als sich der Funkenspalt 50 anschließend erneut um 0,3 mm ausgedehnt hatte, betrachteten die Erfinder dies als das Ende der Lebensdauer der untersuchten Zündkerze.
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In der ersten Phase vom brandneuen Zustand bis zum Zeitpunkt unmittelbar vor der Spaltneueinstellung wurden die Elektrodenspitzen 32 und 43 der herkömmlichen Zündkerze gleichmäßig abgetragen, während die parallele Beziehung (d.h. Neigungswinkel α = 0°) zwischen den gegenüber liegenden Oberflächen (d.h. Entladungsoberflächen) 32a und 43a beibehalten wurde.
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Durch den Einsatz der abgeschrägten Funkenspaltanordnung wurden die Elektrodenspitzen 32 und 43 der Zündkerze 100 dagegen zwischen den gegenüber liegenden Oberflächen 32a und 43a umgekehrt proportional zu dem Spalt ungleichmäßig abgetragen. Genauer gesagt wurden die Elektrodenspitzen 32 und 43 auf der näher an dem feststehenden Ende 41 der Masseelektrode 40 gelegenen Seite, auf der der Funkenspalt 50 am kürzesten ist, am schnellsten abgetragen. Infolgedessen näherte sich der Neigungswinkel α zwischen den gegenüber liegenden Oberflächen 32a und 43a während des Aufbrauchens der Elektrodenspitzen 32 und 43 0°.
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Die Erfinder führten dann die Spaltneueinstellung durch, um den Funkenspalt 50 einzustellen, der sich infolge des Aufbrauchens der Spitzen (d.h. der Funkenentladungsabschnitte) 32 und 43 ausgedehnt hatte. Wie bei der Ausbildung der vorstehend beschriebenen abgeschrägten Funkenspaltanordnung kann die Spaltneueinstellung wie folgt vorgenommen werden.
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Der Arbeiter kann die Masseelektrode 40 mit dem Eichmaß und der Einspannvorrichtung (z.B. ein Hammer) biegen oder verformen, sodass sich das freie Ende der Masseelektrode 40 um ihr feststehendes Ende 41 neigt oder sich dem vorderen Ende 31 der Mittelelektrode 30 nähert, bis der Funkenspalt 50 wieder auf den Anfangswert gebracht ist.
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Wie aus 3 hervorgeht, weist die herkömmliche Zündkerze unmittelbar nach der Spaltneueinstellung eine unerwünschte Funkenspaltanordnung auf, gemäß der die gegenüber liegenden Oberflächen 32a und 43a der Elektrodenspitzen 32 und 43 übermäßig zueinander geneigt sind. Der Entladungsspalt 50 ist auf der näher an dem freien Ende 42 der Masseelektrode 40 gelegenen Seite am kürzesten. Dabei wurde die Spaltneueinstellung so durchgeführt, dass der kürzeste Entladungsspalt gleich dem Anfangswert (d.h. einem angemessenen Wert) war.
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Bei der Funkenspaltanordnung der herkömmlichen Zündkerze setzte sich das Aufbrauchen der Elektrodenspitzen 32 und 43 nach der Spaltneueinstellung auf der näher an dem freien Ende 42 der Masseelektrode 40 gelegenen Seite lokal und rasch fort. Mit anderen Worten erreichten die Elektrodenspitzen 32 und 43 die Aufbrauchgrenze (d.h. den vollständigen Verschleiß) zuerst auf der näher an dem freien Ende 42 der Masseelektrode 40 gelegenen Seite. In dieser Phase ist keine Spaltneueinstellung mehr möglich. Die Lebensdauer der Zündkerze endete daher, obwohl noch eine erhebliche Menge an Elektrodenspitze übrig war.
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Wie in 3 gezeigt ist, ist die Masseelektrode 40 bei dem vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel dagegen nach der Spaltneueinstellung bis zu einem gewissen Maß parallel zur Mittelelektrode 30 positioniert. Dadurch kann das ungleichmäßige Aufbrauchen der Elektrodenspitzen 32 und 43, das in der der Spaltneueinstellung vorausgehenden Anfangsphase festgestellt wurde, verhindert werden. Und zwar haben die gegenüber liegenden Oberflächen 32a und 43a der Elektrodenspitzen 32 und 43 nach der Spaltneueinstellung eine parallele Lagebeziehung zueinander. Dadurch wird eine effektive Nutzung der Elektrodenspitzen 32 und 43 ermöglicht, bis sämtliches Edelmetall, aus dem diese Spitzen 32 und 43 gebildet sind, gründlich abgetragen ist. Mit anderen Worten verbessert die Erfindung das Verschleißverhalten der Zündkerze in der auf die Spaltneueinstellung folgenden Endphase.
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4 zeigt eine grafische Darstellung mit dem Verlauf eines Spaltausdehnungsbetrags (mm) ausgehend vom Anfangswert bezogen auf die Dauer des Langzeitversuchs (Entladungszeit, Std.). Wie in 4 gezeigt ist, tritt bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel (Neigungswinkel α = 6°; mit einer durchgezogenen Linie gekennzeichnet) der Zeitpunkt für die Spaltneueinstellung im Vergleich zum Stand der Technik (mit einer Strichlinie gekennzeichnet) etwas früher ein. Die Dauer von der Spaltneueinstellung bis zum Lebensdauerende ist dagegen um einiges länger als beim Stand der Technik.
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Wie aus 4 hervorgeht, unterscheidet sich bei der herkömmlichen Zündkerze das Aufbrauchverhalten der Elektrodenspitzen vor und nach der Spaltneueinstellung stark. Bei der Erfindung unterscheidet sich das Aufbrauchverhalten der Elektrodenspitzen vor und nach der Spaltneueinstellung dagegen nicht so stark. Dies zeigt, dass die Edelmetalle, aus denen die Elektrodenspitzen 32 und 43 gebildet sind, bei der Erfindung effektiv genutzt werden können. Dadurch ermöglicht die Erfindung eine Verlängerung der Lebensdauer der Zündkerze in einer Größenordnung von ungefähr 30%. Da außerdem kein Unterschied beim Aufbrauchverhalten der Elektrodenspitzen vor und nach der Spaltneueinstellung festgestellt wurde, kann die der Spaltneueinstellung vorausgehende Zeitdauer im Wesentlichen gleich der auf die Spaltneueinstellung folgenden Zeitdauer sein. Das beschriebene Ausführungsbeispiel ermöglicht daher die Durchführung einer routinemäßigen Wartung.
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Beim Einsatz der abgeschrägten Entladungsspaltanordnung für die Edelmetallspitzen gemäß dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel muss der negative Einfluss der Anfangsphase berücksichtigt werden, die der Spaltneueinstellung vorausgeht und im Vergleich zur herkömmlichen Zündkerze verkürzt ist. Angesichts dessen sollte der Neigungswinkel α sorgfältig bestimmt werden.
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Der angemessene Bereich für den Neigungswinkel α hängt sowohl von der Länge der Masseelektrode 40 als auch von der Längsausdehnung der Spitzen (d.h. der Funkenentladungsabschnitte) 32 und 43 entlang der Masseelektrode 40 ab. Es ist daher in der Praxis nicht empfehlenswert, für alle Zündkerzen den gleichen Bereich für den Neigungswinkel α festzulegen. 5 zeigt das Ergebnis von Versuchen für den effektiven Neigungswinkel α auf Basis eines Metallanschlussstücks 10, das einen Gewinderücken 11 mit einem Durchmesser gemäß dem allgemeinen Standardwert M18 aufwies.
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Wie aus 5 hervorgeht, liegt der angemessene Wert für den Neigungswinkel α innerhalb eines Bereichs von 2° bis 10°. Es konnte bestätigt werden, dass eine Einstellung des Neigungswinkels α in diesem Bereich die Lebensdauer der Zündkerze in einer Größenordnung von mehr als 10% verlängerte. Bei einem Neigungswinkel α von weniger als 2° stellen sich die erfindungsgemäßen Wirkungen nicht ausreichend ein. Bei einem Neigungswinkel α von mehr als 10° nimmt dagegen die Ungleichmäßigkeit beim Aufbrauchen der Elektrodenspitzen 32 und 43 in der der Spaltneueinstellung vorausgehenden Anfangsphase so stark zu, dass die Wirkung des verbesserten Verschleißverhaltens während der auf die Spaltneueinstellung folgenden Endphase im Wesentlichen aufgehoben wird. Bei einer Zündkerze allgemeiner Größe sollte der Neigungswinkel α daher vorzugsweise innerhalb eines Bereichs von 0° bis 10° eingestellt werden.
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6 zeigt eine mit 5 vergleichbare Darstellung, in der jedoch die Wirkung wiedergegeben ist, die ein Austausch der vorstehend beschriebenen Spitzen (d.h. Massenelektrodenspitze 43: Pt-Legierung sowie Mittelelektrodenspitze 32: Ir-Legierung) der Zündkerze 100 durch jeweils aus einer Ir-Legierung bestehende Elektrodenspitzen 32 und 43 hat. Wie sich aus 6 ergibt, ermöglicht die Verwendung der Ir-Legierungsspitzen 32 und 43 eine deutliche Verlängerung der Lebensdauer der Zündkerze. Die Elektrodenspitzen 32 und 43 sollten daher vorzugsweise aus einer Ir-Legierung bestehen.
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7 zeigt Versuchsergebnisse über den effektiven Funkenspalt ΔG. Wie aus 7 hervorgeht, liegt der angemessene Funkenspalt ΔG innerhalb eines Bereichs von 0,2 mm bis 0,5 mm. Die Lebensdauer kann also im Vergleich zu einer herkömmlichen Zündkerze durch Wahl eines 0,2 mm bis 0,5 mm großen Funkenspalts ΔG verlängert werden.
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Ein Funkenspalt ΔG von weniger als 0,2 mm bringt keine zufriedenstellende Zündfähigkeit mit sich, was eine der Grundvoraussetzungen für die Zündkerze ist. Ein Funkenspalt von mehr als 0,5 mm gewährleistet dagegen die Wirkung der abgeschrägten Funkenspaltanordnung nicht ausreichend, die die Erfindung mit sich bringt. Die Lebensdauer der Zündkerze würde sich nicht besonders verlängern. Wenn das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel in die Praxis umgesetzt wird, ist es demnach vorzuziehen, dass der Funkenspalt (Anfangswert) im Bereich von 0,2 mm bis 0,5 mm liegt.
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Wie aus der vorstehenden Beschreibung hervorgeht, ermöglicht der Einsatz der abgeschrägten Funkenspaltanordnung für die Edelmetallspitzen, die Masseelektrode 40 parallel zu dem vorderen Ende 31 der Mittelelektrode 30 auszurichten, wenn die Spaltneueinstellung durchgeführt wird. Nach der Spaltneueinstellung wird das verbliebene Edelmetall der Elektrodenspitzen (Funkenentladungsabschnitt) 32 und 43 demnach vollständig abgetragen. Mit anderen Worten kann fast der ganze Rest der Edelmetallspitzen effektiv für die Endphase des Funkenaufbrauchs genutzt werden. Das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel der Erfindung führt daher nach der Spaltneueinstellung zu einem verbesserten Verschleißverhalten der Zündkerze und verlängert dementsprechend die Lebensdauer der Zündkerze.
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Darüber hinaus umfasst das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Einstellverfahren für die Zündkerze. Die Mittelelektrodenspitze 32 und die Masseelektrodenspitze 43 sind derart angeordnet, dass der Funkenspalt 50 auf der näher an dem feststehenden Ende 41 der Masseelektrode 40 gelegenen Seite den ersten Spalt G1 und auf der entgegengesetzten, näher an dem freien Ende 42 der Masseelektrode 40 gelegenen Seite den zweiten Spalt G2 umfasst, wobei der erste Spalt G1 kürzer als der zweite Spalt G2 ist, um den Neigungswinkel α einzustellen. Wenn sich der Funkenspalt 50 infolge des Aufbrauchens der Elektrodenspitzen 32 und 43 ausgedehnt hat, wird der Funkenspalt 50 auf einen angemessenen Wert eingestellt, indem die Masseelektrodenspitze 43 an eine Position gebracht wird, die näher an der Mittelelektrodenspitze 32 liegt, um so den Neigungswinkel α zu verringern.
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Genauer gesagt wird die Masseelektrodenspitze 43 so angeordnet, dass sie bezüglich der Mittelelektrodenspitze 32 einen Neigungswinkel α aufweist. Der Funkenspalt 50 ist dann auf der näher an dem freien Ende 42 der Masseelektrode 40 gelegenen Seite breiter. Wenn sich der Funkenspalt 50 infolge des Aufbrauchens der Elektrodenspitzen 32 und 43 ausgedehnt hat, wird die Masseelektrodenspitze 43 zu der Mittelelektrodenspitze 32 hin geneigt oder gedrückt, um so den Neigungswinkel α zu verringern. Das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel umfasst daher das Einstellverfahren für die Zündkerze, mit dem sich der Funkenspalt 50 auf einen angemessenen Wert einstellen lässt. Das Einstellverfahren gemäß dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel führt daher zu einem verbesserten Verschleißverhalten der Zündkerze nach der Spaltneueinstellung und verlängert dementsprechend die Lebensdauer der Zündkerze.
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Die 8A bis 10B zeigen abgewandelte Ausführungsbeispiele der Erfindung. Der Einsatz der erfindungsgemäßen abgeschrägten Funkenspaltanordnung für die Edelmetallspitzen bringt die gleichen Wirkungen mit sich wie bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel. Die 8A und 8B zeigen beide eine erste Abwandlung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Masseelektrode 40 ein im Wesentlichen gerader Stab ist.
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Wie in 8A gezeigt ist, ist das feststehende Ende 41 der Masseelektrode 40 bei der ersten Abwandlung an das eine Axialende 12 des Metallanschlussstücks 10 über ein Zwischenelement 45 aus einer Legierung auf Ni-Basis angeschweißt. Wie in 8B gezeigt ist, kann das feststehende Ende 41 der Masseelektrode 40 auch direkt an das Axialende 12 des Metallanschlussstücks 10 angeschweißt sein, wenn sich das vordere Ende 31 der Mittelelektrode 30 bezogen auf das Axialende 12 des Metallanschlussstücks 10 an einer zurückgezogenen Position befindet. Bei dieser ersten Abwandlung kann der Arbeiter die Spaltneueinstellung durchführen, indem er das freie Ende 42 um das feststehende Ende 41 zu der Mittelelektrode 30 hin neigt oder drückt.
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9 zeigt eine zweite Abwandlung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Masseelektrode 40 einen Befestigungsblock (aus einer Legierung auf Ni-Basis oder dergleichen) 40a, der an das Axialende 12 des Metallanschlussstücks 10 über das Zwischenelement 45 angeschweißt ist, und eine stabförmige Masseelektrodenspitze (aus Ir oder dergleichen) 43 umfasst, die in den Befestigungsblock 40a eingesetzt und mit diesem fest verschweißt ist. Bei dieser zweiten Abwandlung kann der Arbeiter die Spaltneueinstellung durchführen, indem er den Befestigungsblock 40a oder die stabförmige Spitze 43 zu der Mittelelektrode 30 hin verformt.
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10A zeigt eine dritte Abwandlung, bei der die Oberseite des vorderen Endes 21 der Mittelelektrode 30 geneigt ist, sodass sich die erfindungsgemäße abgeschrägte Funkenspaltanordnung ergibt. Der Arbeiter kann beispielsweise das Oberende des vorderen Endes 31 schräg abtrennen und dann die Mittelelektrodenspitze 32 auf der schrägen Oberseite des vorderen Endes 31 aufschweißen.
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10B zeigt darüber hinaus eine vierte Abwandlung, bei der das freie Ende 42 der Masseelektrode 40 schräg ist, sodass sich die erfindungsgemäße abgeschrägte Funkenspaltanordnung ergibt. Die oben genannten Ausführungsbeispiele lassen sich natürlich flexibel miteinander kombinieren.
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Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen befindet sich der Funkenspalt 50 zwischen den gegenüber liegenden Oberflächen (d.h. Entladungsoberflächen) 32a und 43a der Elektrodenspitzen 32 und 43. Der Funkenspalt 50 nimmt daher entlang den gegenüber liegenden Oberflächen 32a und 43a vom ersten Spalt G1 bis zum zweiten Spalt G2 linear zu, sodass der erste Spalt G1 bei der abgeschrägten Funkenspaltanordnung schmaler als der zweite Spalt G2 ist. Die erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele können jedoch auch wie in den 11A und 11B gezeigt abgewandelt werden.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die gegenüber liegende Oberfläche 43a der Masseelektrodenspitze 43 gestuft (siehe 11A) oder ist die gegenüber liegende Oberfläche 32a der Mittelelektrodenspitze 32 gestuft (siehe 11B). Der Funkenspalt 50 nimmt daher vom ersten Spalt G1 zum zweiten Spalt G2 schrittweise und nicht linear zu.
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In diesem Fall verbindet die Gerade S1 die beiden Kanten der Masseelektrodenspitze 43 und die Gerade S2 die beiden Kanten der Mittelelektrodenspitze 32, wie in den 11A und 11B gezeigt ist.
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Abgesehen davon gehen die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele von einer einzigen Mittelelektrodenspitze 32 und einer einzigen Masseelektrodenspitze 43 aus. Bei der vorliegenden Erfindung ist jedoch die Gesamtzahl der Elektrodenspitzen 32 und 43 nicht beschränkt. Außerdem lässt die Erfindung es zu, dass die Elektrodenspitzen 32 und 43 als ein rechteckiger Stab ausgeführt sind.
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12A zeigt ein Ausführungsbeispiel, das dadurch gekennzeichnet ist, dass auf der Mittelelektrode 30 vier Edelmetallspitzen 32 vorgesehen sind. Die abgeschrägte Funkenspaltanordnung kann durch Einstellung der Länge oder Höhe jeder Spitze 32 verwirklicht werden.
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12B zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, das dadurch gekennzeichnet ist, dass auf der Mittelelektrode 30 eine viereckige stabförmige Edelmetallspitze 32 vorgesehen ist.
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Sämtliche hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele dienen lediglich darstellenden Zwecken und sind nicht als Einschränkung zu verstehen.
