DE102005036971A1

DE102005036971A1 - Zündkerze mit hohem Zündvermögen

Info

Publication number: DE102005036971A1
Application number: DE102005036971A
Authority: DE
Inventors: Shinichi Nishio Okabe; Tsunenobu Kariya Hori
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 2004-08-06
Filing date: 2005-08-05
Publication date: 2006-04-13
Anticipated expiration: 2025-08-06
Also published as: DE102005036971B4; JP2006049207A; US7408294B2; US20060028108A1

Abstract

Eine Zündkerze (S1) hat eine Metallhülle (4), einen hohlen Isolator (2), eine Mittelelektrode (3) und eine Masseelektrode (5). Der Isolator (2) hat ein in eine Brennkammer eines Motors hineinragendes erstes Ende (22) und ein in der Längsrichtung des Isolators (2) zum ersten Ende (22) entgegengesetztes zweites Ende. Der Außendurchmesser des Isolators (2) nimmt von der Kante (23) seiner Innenfläche am ersten Ende (22) zu einer Bezugsebene hin zu, die definitionsgemäß senkrecht zur Längsrichtung des Isolators (2) verläuft und in der Längsrichtung 0,1 mm von der Kante (23) der Innenfläche des Isolators (2) zu seinem zweiten Ende hin entfernt ist. Des Weiteren liegt ein erstes Volumen V1, das dem Volumen eines Abschnitts des Isolators (2) zwischen der Kante der Innenfläche des Isolators und der Bezugsebene entspricht, im Bereich 0,15 bis 0,38 mm³.

Description

Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der am 6. August 2004 eingereichten Japanischen Patentanmeldung Nr. 2004-231139, deren Inhalt hiermit durch Bezugnahme aufgenommen wird.
TECHNISCHER HINTERGRUND
1 Technisches Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Zündkerzen in Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen und Kraft-Wärme-Kopplungssystemen. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine Zündkerze mit einem verbesserten Aufbau, der eine hohe Befähigung der Zündkerze zum Zünden des Luft-Kraftstoff-Gemischs (nachstehend als Zündvermögen der Zündkerze bezeichnet) gewährleistet.

Herkömmliche Zündkerzen für Verbrennungsmotoren haben im Allgemeinen eine rohrförmige Metallhülle, einen Isolator, eine Mittelelektrode und eine Masseelektrode.

Die rohrförmige Metallhülle hat einen Gewindeabschnitt, um die Zündkerze in eine Brennkammer des Motors einzupassen.

Der Isolator hat eine durch ihn hindurchgehende Zentralbohrung und ist so in der Metallhülle fixiert, dass ein Ende von ihm aus einem Ende der Metallhülle vorragt.

Die Mittelelektrode ist in der Zentralbohrung des Isolators befestigt und hat ein aus dem Ende des Isolators vorragendes Ende.

Die Masseelektrode hat ein mit dem Ende der Metallhülle verbundenes Fußende und einen Spitzenabschnitt, der dem Ende der Mittelelektrode in der Axialrichtung des Isolators über einen Funkenspalt zugewandt ist.

In den letzten Jahren hat der Bedarf nach einer höheren Ausgangsleistung und einem besseren Kraftstoffverbrauch der Verbrennungsmotoren es erforderlich gemacht, die Größe der Einlass- und Auslassventile für den Motor zu erhöhen und für einen Wassermantel zu sorgen, um den Motor zu kühlen. Dadurch steht weniger Raum für den Einbau einer Zündkerze im Motor zur Verfügung, weswegen die Zündkerze einen kompakten (genauer gesagt schlankeren) Aufbau haben muss.

Und zwar hatte bei einer Zündkerze in der Vergangenheit der Gewindeabschnitt der Metallhülle eine Größe von M14 nach JIS (Japanischer Industriestandard); doch muss der Gewindeabschnitt nun eine Größe von kleiner oder gleich M12 nach JIS haben.

Wie in 13 gezeigt ist, ist in einer solchen kompakten Zündkerze 9 der Isolierabstand, der dem Mindestabstand zwischen dem Isolator 92 und einem Fußendenabschnitt 951 der Masseelektrode 95 entspricht, entsprechend kleiner.

Wenn sich auf der Oberfläche des Isolators 92 Kohlenstoff abgelagert hat, können mithin anstelle normaler Funken, die über den Funkenspalt G entladen werden, „Seitenfunken" P entladen werden. Die Seitenfunken P stehen dabei für Funken, die von der Mittelelektrode 93 aus an der Außenfläche des Isolators 92 entlang kriechen und zum Fußendenabschnitt 951 der Masseelektrode 95 springen.

Falls die Oberfläche des Isolators 92 mit elektrisch leitendem Kohlenstoff verschmutzt ist, erhöht sich nämlich beim Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen der Mittelelektrode 93 und der Masseelektrode 95 das elektrische Potenzial auf der Außenfläche des Isolators 92. Wenn sich das elektrische Potenzial über ein bestimmtes Niveau hinaus erhöht hat, können dann die Seitenfunken P über den Luftspalt zwischen der Außenfläche des Isolators 92 und dem Fußendenabschnitt 951 der Masseelektrode 95 entladen werden. Anders als normale Funken können die Seitenfunken P das Luft-Kraftstoff-Gemischs in der Brennkammer des Motors nicht zuverlässig zünden, weswegen das Zündvermögen der Zündkerze abnimmt.

Dementsprechend sind Seitenfunken zu einer großen Hürde bei der Entwicklung von kompakten Zündkerzen geworden.

Um das Entstehen von Seitenfunken zu verhindern, schlägt die japanische Offenlegungsschrift Nr. S60-235379 eine Zündkerze vor, die geeignet festgelegte Abmessungsparameter wie den Enddurchmesser des Isolators hat.

Allerdings hat der Isolator bei der offenbarten Zündkerze einen langen Abschnitt, der in die Brennkammer des Motors hineinragen soll. Obwohl die Entstehung von Seitenfunken verhindert werden kann, ist es dadurch nach wie vor schwierig, ein hohes Zündermögen der Zündkerze zu gewähr leisten. Da der in die Brennkammer hineinragende Abschnitt des Isolators lang ist, ist nämlich auch die Länge vom Ende des Isolators zu dem Bereich, wo der Isolator über einen Metallring mit der Metallhülle verbunden ist, entsprechend lang. Dadurch wird die Temperatur am Ende des Isolators hoch, so dass es Kohlenstoff schwer fällt, sich auf der Oberfläche des Isolators abzulagern, was die Entstehung von Seitenfunken verhindert. Allerdings kann die hohe Temperatur am Ende des Isolators gleichzeitig eine Vorzündung des Luft-Kraftstoff-Gemischs verursachen, wodurch das Zündvermögen der Zündkerze abnimmt.

Da der in die Brennkammer hineinragende Abschnitt des Isolators lang ist, ist auch, wie in 13 gezeigt ist, der Raum S zwischen dem Isolator und der Masseelektrode entsprechend klein. Dadurch fällt es der entstehenden Flamme schwer sich auszubreiten, weswegen das Zündvermögen der Zündkerze abnimmt.

Es ist demnach wünschenswert, das Entstehen von Seitenfunken zu verhindern, ohne dass der in die Brennkammer hineinragende Abschnitt des Isolators lang ist.

KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung erfolgte mit Blick auf das oben genannte Problem.

Es ist daher eine Hauptaufgabe der Erfindung, eine Zündkerze mit einem verbesserten Aufbau zur Verfügung zu stellen, der das Auftreten von Seitenfunken verhindert und ein hohes Zündvermögen der Zündkerze gewährleistet.

Gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist eine Zündkerze vorgesehen, die eine rohrförmige Metallhülle, einen Isolator, eine Mittelelektrode und eine Masseelektrode hat. Die rohrförmige Metallhülle hat ein Ende. Der Isolator hat eine Länge sowie ein erstes Ende und ein zweites Ende, die sich in der Längsrichtung des Isolators gegenüberliegen. Der Isolator hat außerdem eine Bohrung, die in der Längsrichtung des Isolators verläuft. Der Isolator ist so in der Metallhülle fixiert, dass sein erstes Ende aus dem Ende der Metallhülle vorragt. Die Mittelelektrode ist in der Bohrung des Isolators befestigt und hat ein aus dem ersten Ende des Isolators vorragendes Ende. Die Masseelektrode hat ein mit dem Ende der Metallhülle verbundenes Fußende und einen Spitzenabschnitt, der dem Ende der Mittelelektrode in der Längsrichtung des Isolators über einen Funkenspalt zugewandt ist.

Bei der obigen Zündkerze nimmt der Außendurchmesser des Isolators von der Kante der Innenfläche des Isolators am ersten Ende des Isolators zu einer ersten Bezugsebene hin zu, die definitionsgemäß senkrecht zur Längsrichtung des Isolators verläuft und in der Längsrichtung 0,1 mm von der Kante der Innenfläche des Isolators zum zweiten Ende des Isolators hin entfernt ist.

Des Weiteren liegt bei der obigen Zündkerze ein erstes Volumen V1, das dem Volumen eines Abschnitts des Isolators zwischen der Kante der Innenfläche des Isolators und der ersten Bezugsebene entspricht, im Bereich 0,15 bis 0,38 mm³.

Es vorzuziehen, dass das erste Volumen V1 im Bereich 0,15 bis 0,34 mm³ liegt.

Gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung nimmt bei der obigen Zündkerze der Außendurchmesser des Isolators von der Kante der Innenfläche des Isolators am ersten Ende des Isolators zu einer zweiten Bezugsebene hin zu, die definitionsgemäß senkrecht zur Längsrichtung des Isolators verläuft und in der Längsrichtung 0,2 mm von der Kante der Innenfläche des Isolators zum zweiten Ende des Isolators hin entfernt ist.

Des Weiteren liegt bei der obigen Zündkerze ein zweites Volumen V2, das dem Volumen eines Abschnitts des Isolators zwischen der Kante der Innenfläche des Isolators und der zweiten Bezugsebene entspricht, im Bereich 0,5 bis 0,84 mm³.

Es ist vorzuziehen, dass das zweite Volumen V2 im Bereich 0,5 bis 0,79 mm³ liegt.

Gemäß einer dritten Ausgestaltung der Erfindung nimmt bei der obigen Zündkerze der Außendurchmesser des Isolators von der Kante der Innenfläche des Isolators am ersten Ende des Isolators zu einer dritten Bezugsebene hin zu, die definitionsgemäß senkrecht zur Längsrichtung des Isolators verläuft und in der Längsrichtung 0,3 mm von der Kante der Innenfläche des Isolators zum zweiten Ende des Isolators hin entfernt ist.

Des Weiteren liegt bei der obigen Zündkerze ein drittes Volumen V3, das dem Volumen eines Abschnitts des Isolators zwischen der Kante der Innenfläche des Isolators und der dritten Bezugsebene entspricht, im Bereich 0,8 bis 1,42 mm³.

Es ist vorzuziehen, dass das dritte Volumen V3 im Bereich 0,8 bis 1,39 mm³ liegt.

Gemäß einer vierten Ausgestaltung der Erfindung liegt bei der obigen Zündkerze der Mindestabstand C zwischen der Innenfläche der Metallhülle und der Außenfläche des Isolators in einer vierten Bezugsebene, die definitionsgemäß senkrecht zur Längsrichtung des Isolators durch die Innenkante des Endes der Metallhülle verläuft, im Bereich 0,4 bis 1,6 mm.

Gemäß einer fünften Ausgestaltung der Erfindung enthält bei der obigen Zündkerze die Mittelelektrode ein Grundelement und ein Entladungselement. Das Entladungselement hat eine Länge mit einem das Ende der Mittelelektrode bildenden ersten Ende und einem mit dem Grundelement verbundenen zweiten Ende.

Des Weiteren liegt bei der obigen Zündkerze eine Querschnittsfläche S1 des Entladungselements, die senkrecht zur Längsrichtung des Entladungselements verläuft, im Bereich 0,1 bis 0,8 mm² und liegt ein Abstand F1 vom ersten Ende des Entladungselements zum Grundelement in der Längsrichtung des Entladungselements im Bereich 0,3 bis 1,5 mm.

Es ist vorzuziehen, dass das Entladungselement der Mittelelektrode aus einer Legierung auf die Ir-Basis besteht, die eine Menge von mehr als 50 Gewichtsprozent Ir und mindestens einen Zusatzstoff enthält und einen Schmelzpunkt von mehr als 2000°C hat.

Es ist außerdem vorzuziehen, dass der mindestens eine Zusatzstoff aus Pt, Rh, Ni, W, Pd, Ru, Re, Al, Al₂O₃, Y und Y₂O₃ gewählt ist.

Gemäß einer sechsten Ausgestaltung der Erfindung enthält bei der obigen Zündkerze die Masseelektrode ein Grund element und ein Entladungselement. Das Entladungselement hat eine Länge mit einem dem Ende der Mittelelektrode zugewandten ersten Ende und einem mit dem Grundelement verbunden zweiten Ende.

Des Weiteren liegt bei der obigen Zündkerze eine Querschnittsfläche 52 des Entladungselements, die senkrecht zur Längsrichtung des Entladungselements verläuft, im Bereich 0,1 bis 0,8 mm² und liegt ein Abstand F2 vom ersten Ende des Entladungselements zum Grundelement in der Längsrichtung des Entladungselements im Bereich 0,3 bis 1,5 mm.

Es ist vorzuziehen, dass das Entladungselement der Masseelektrode aus einer Legierung auf Pt-Basis besteht, die eine Menge von mehr als 50 Gewichtsprozent Pt und mindestens einen Zusatzstoff enthält und einen Schmelzpunkt von mehr als 1500°C hat.

Es ist außerdem vorzuziehen, dass der mindestens eine Zusatzstoff aus Ir, Rh, Ni, W, Pd, Ru und Re gewählt ist.

Gemäß einer siebten Ausgestaltung der Erfindung liegt bei der obigen Zündkerze die Mindestwanddicke T des Isolators in der vierten Bezugsebene im Bereich 0,3 bis 1,8 mm.

Es ist vorzuziehen, dass der Außendurchmesser d der Mittelelektrode in der vierten Bezugsebene im Bereich 0,8 bis 2,6 mm liegt.

Wenn die effektiven Bereiche der Abmessungsparameter V1, V2, V3, C, F1, S1, F2, S2, T und d wie oben festgelegt werden, kann das Entstehen von Seitenfunken in der Zündkerze verhindert und ein hohes Zündvermögen der Zündkerze gewährleistet werden.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ein vollständiges Verständnis der Erfindung ergibt sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung, die jedoch nicht als Einschränkung der Erfindung auf bestimmte Ausführungsbeispiele verstanden werden sollten, sondern lediglich der Erläuterung und dem Verständnis dienen.
Es zeigen:
1 im Teilschnitt den Gesamtaufbau einer Zündkerze gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 vergrößert im Teilschnitt das erste Volumen V1 in der Zündkerze von 1;
3 vergrößert im Teilschnitt das zweite Volumen V2 in der Zündkerze von 1;
4 vergrößert im Teilschnitt das dritte Volumen V3 in der Zündkerze von 1;
5 vergrößert im Teilschnitt einen Endabschnitt der Zündkerze von 1;
6A grafisch den Zusammenhang zwischen dem ersten Volumen V1 und dem Isolierwiderstand der Zündkerze von 1;
6B grafisch den Zusammenhang zwischen dem ersten Volumen V1 und der Häufigkeit von Seitenfunken in der Zündkerze von 1;
7 eine Darstellung des ersten Volumens V1 und der Form eines Isolatorendabschnitts der Zündkerze von 1;
8 grafisch die Wirkung des Durchmessers d der Mittelelektrode auf den Zusammenhang zwischen dem ersten Volumen V1 und der Häufigkeit von Seitenfunken in der Zündkerze von 1;
9 grafisch den Zusammenhang zwischen dem zweiten Volumen V2 und der Häufigkeit von Seitenfunken in der Zündkerze von 1;
10 grafisch den Zusammenhang zwischen dem dritten Volumen V3 und der Häufigkeit von Seitenfunken in der Zündkerze von 1;
11 vergrößert im Teilschnitt einen Endabschnitt einer Zündkerze gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
12 grafisch den Zusammenhang zwischen dem ersten Volumen V1 und der Häufigkeit von Seitenfunken in der Zündkerze von 11;
13 vergrößert im Teilschnitt einen Endabschnitt einer herkömmlichen Zündkerze.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Die bevorzugten Ausführungsbeispiele werden nun unter Bezugnahme auf die 1-12 beschrieben. Es ist zu beachten, dass aus Gründen der Klarheit und des Verständnisses gleiche Bauteile mit gleichen Funktionen in verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung, wann immer möglich, in jeder Figur mit der gleichen Bezugszahl markiert worden sind.
[Erstes Ausführungsbeispiel]
1 zeigt den Gesamtaufbau einer Zündkerze S1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Zündkerze 51 ist zur Verwendung in Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen ausgelegt.
Wie in 1 gezeigt ist, enthält die Zündkerze S1 einen Isolator 2, eine Mittelelektrode 3, eine rohrförmige Metallhülle 4 und eine Masseelektrode 5.
Die rohrförmige Metallhülle 4 ist an ihrem Außenrand mit einem Außengewindeabschnitt 42 ausgebildet und hat einen sechseckigen Kopfabschnitt 43. Der Außengewindeabschnitt 42 hat eine Größe im Bereich M8 bis M14 nach JIS. Die Metallhülle 4 besteht aus einem leitenden Metallmaterial, z.B. aus Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgestalt.
Der Einbau der Zündkerze S1 in einen Verbrennungsmotor erfolgt, indem sie in eine (nicht gezeigte) Brennkammer des Motors eingepasst wird. Und zwar wird beim Einbau auf den sechseckigen Kopfabschnitt 43 ein Drehmoment aufgebracht, um so für eine Verbindung zwischen dem Außengewindeabschnitt 42 der Metallhülle 4 und einer im (nicht gezeigten) Zylinderkopf der Brennkammer vorgesehenen Innengewindebohrung zu sorgen.
Der Isolator 2 hat ein erstes Ende 22 und ein zweites Ende 22a, die sich in der Längsrichtung des Isolators 2 gegenüberliegen. Der Isolator 2 hat außerdem eine Durchgangsbohrung 21, die in der Längsrichtung des Isolators 2 verläuft. Der Isolator 2 ist so in der Metallhülle 4 fixiert und teilweise in ihr enthalten, dass sein erstes Ende 22 aus einem Ende 41 der Metallhülle 4 vorragt. Der Isolator 2 besteht aus einer Aluminiumoxidkeramik (Al₂O₃).
Zwischen dem Isolator 2 und der Metallhülle 4 befindet sich ein Metallring 6, über den Wärme von dem Isolator 2 zur Metallhülle 4 übertragen wird, wodurch sich die Temperatur des Isolators 2 verringert.
Die zylinderförmige Mittelelektrode 3 ist in der Durchgangsbohrung 21 des Isolators 2 befestigt, so dass sie elektrisch von der Metallhülle 4 isoliert ist. Die Mittelelektrode 3 ist zusammen mit dem Isolator 2 teilweise in der Metallhülle 4 enthalten, so dass ein Ende 39 der Mittelelektrode 3 aus dem ersten Ende 22 des Isolators 2 vorragt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel besteht die Mittelelektrode 3 aus einem Grundelement 30 und einem Entladungselement 33.
Das Grundelement 30 besteht aus einem hochgradig wärmeleitfähigen Metallmaterial wie Cu als Kernmaterial und einem hochgradig wärmebeständigen und korrosionsbeständigen Metallmaterial wie einer Legierung auf Ni-Basis (Ni: Nickel) als Überzugsmaterial.
Das Entladungselement 33 hat ein das Ende 39 der Mittelelektrode 3 bildendes erstes Ende und ein durch z.B. Laserschweißen mit dem Grundelement 30 verbundenes zweites Ende.
Das Entladungselement 33 besteht vorzugsweise aus einer Legierung auf Ir-Basis (Ir: Iridium), die eine Menge von mehr als 50 Gewichtsprozent Ir und mindestens einen Zusatzstoff enthält und deren Schmelzpunkt mehr als 2000°C beträgt.
Des Weiteren wird der mindestens eine Zusatzstoff für das Entladungselement 33 vorzugsweise aus Pt (Platin), Rh (Rhodium), Ni, W (Wolfram), Pd (Palladium), Ru (Ruthenium), Re (Rhenium), Al (Aluminium), Al₂O₃ (Aluminiumoxid), Y (Yttrium) und Y₂O₃ (Yttriumoxid) gewählt.
Wird das Material des Entladungselements 33 wie oben festgelegt, lässt sich die Haltbarkeit des Entladungselements 33 sicherstellen. Darüber hinaus sollte das Entladungselement 33 die unten beschriebenen Abmessungsparameter haben.
Die Masseelektrode 5 hat einen Fußendenabschnitt 51, der durch z.B. Widerstandsschweißen mit dem Ende 41 der Metallhülle 4 verbunden ist. Die Masseelektrode 5 hat außerdem einen Spitzenabschnitt 52, der dem Ende 39 der Mittelelektrode 3 in der Längsrichtung des Isolators 2 über einen Funkenspalt G zugewandt ist.
Bei diesem Ausführungsbeispiel besteht die Masseelektrode 5 aus einem Grundelement 50 und einem Entladungselement 53.
Das Grundelement 50 ist säulenförmig und entspricht bei diesem Ausführungsbeispiel z.B. ungefähr einem L-förmigen Prisma. Das Grundelement 50 besteht aus einer Legierung auf Ni-Basis, die hauptsächlich aus Ni besteht.
Das Entladungselement 53 ist zylinderförmig und hat ein erstes Ende 59, das dem Ende 39 der Mittelelektrode 3 über den Funkenspalt G zugewandt ist, und ein zweites Ende, das z.B. durch Laserschweißen mit dem Grundelement 50 verbunden ist.
Das Entladungselement 53 besteht vorzugsweise aus einer Legierung auf Pt-Basis, die eine Menge von mehr als 50 Gewichtsprozent Pt und mindestens einen Zusatzstoff enthält und deren Schmelzpunkt großer als 1500°C ist.
Des Weiteren wird der mindestens eine Zusatzstoff für das Entladungselement 53 vorzugsweise aus Ir, Rh, Ni, W, Pd, Ru, Re gewählt.
Wird das Material des Entladungselements 53 wie oben festgelegt, lässt sich die Haltbarkeit des Entladungselements 53 sicherstellen. Darüber hinaus sollte das Entladungselement 53 die unten beschriebenen Abmessungsparameter haben.
Die Zündkerze S1 ist so gestaltet, dass sie entlang des Funkenspalts G zwischen dem Ende 39 der Mittelelektrode 3 und dem Ende 59 der Masseelektrode 5 Funken abgibt, wodurch das Luft-Kraftstoff-Gemisch innerhalb der Brennkammer des Motors entzündet wird.
Nachdem der Gesamtaufbau der Zündkerze S1 beschrieben wurde, werden im Folgenden nun die Abmessungsparameter V1, V2, V3, C, T, d, F1, S1, F2 und S2 definiert und festgelegt, die für das Zündvermögen der Zündkerze S1 kritisch sind.
Wie in 2 gezeigt ist, nimmt der Außendurchmesser des Isolators 2 von der Kante der Innenfläche des Isolators 2 am ersten Ende 22 (d.h. von der Innenkante des ersten Endes 22) zu einer ersten Bezugsebenen 101 hin ab. Die erste Bezugsebene 101 verläuft definitionsgemäß senkrecht zur Längsrichtung des Isolators 2 und ist in der Längsrichtung 0,1 mm von der Kante der Innenfläche des Isolators 2 entfernt.
Der Parameter V1 ist als das Volumen eines Endabschnitts des Isolators 2 zwischen der Kante der Innenfläche des Isolators 2 und der ersten Bezugsebene 101 definiert. Der Parameter V1 wird im Folgenden einfach als erstes Volumen V1 bezeichnet.
Der Endabschnitt, der in 2 schraffiert ist, ist in jedem Längsschnitt des Isolators 2 ungefähr bogenförmig. Der Endabschnitt enthält einen inneren Endabschnitt 23 um die Innenkante des ersten Endes 22 herum und einen äußeren Endabschnitt 24 um die Schnittlinie zwischen der Außenfläche des Isolators 2 und der ersten Bezugsebene 101 herum.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wurde das erste Volumen V1 anhand von experimentellen Untersuchungen so festgelegt, dass es im Bereich 0,15 bis 0,38 mm³ liegt.
Durch Festlegung des obigen Bereichs wird das Auftreten von Seitenfunken P verhindert, die ansonsten entlang des Luftspalts zwischen der Außenfläche des Isolators 2 und dem Fußendenabschnitt 51 der Masseelektrode 5 entladen würden.
Und zwar ragt der innere Endabschnitt 23 tiefer als jeder andere Abschnitt des Isolators 2 in die Brennkammer des Motors hinein, da der Außendurchmesser des Isolators 2 von der Innenkante des ersten Endes 22 aus zur ersten Bezugsebene 101 zunimmt. Da das erste Volumen V1 so klein ist, dass es nicht mehr als 0,38 mm³ beträgt, ist auch die Wärmekapazität des inneren Endabschnitts 23 ausreichend klein. Folglich erwärmt sich der innere Endabschnitt 23 leicht auf eine hohe Temperatur, so dass es möglich ist, Kohlenstoff, der am inneren Endabschnitt 23 anhaftet, abzubrennen, was den Kohlenstoff daran hindert, sich darauf abzulagern.
Dementsprechend kann auch dann, wenn sich Kohlenstoff auf dem äußeren Endabschnitt 24 abgelagert hat, zwischen der Mittelelektrode 3 und dem äußeren Endabschnitt 24 ein hoher Isolierwiderstand sichergestellt werden. Wenn zwischen der Mittelelektrode 3 und der Masseelektrode 5 eine elektrische Spannung angelegt wird, ist das elektrische Potenzial auf dem äußeren Endabschnitt 24, von dem ansonsten die Seitenfunken P entladen würden, somit sehr niedrig. Dadurch kann das Entstehen von Seitenfunken P verhindert werden und werden normale Funken entlang des Funkenspalts G entladen.
Des Weiteren geht bei herkömmlichen Zündkerzen im Allgemeinen die Vorzündung des Luft-Kraftstoff-Gemischs vom äußeren Endabschnitt 24 aus, an dem die Temperatur des Isolators am höchsten ist. Bei der Zündkerze S1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann jedoch der innere Endabschnitt 23 auf eine hohe Temperatur erwärmt werden, ohne den in die Brennkammer des Motors vorragenden Abschnitt des Isolators 2 lang zu machen. Daher kann die Temperatur des äußeren Endabschnitts 24 niedrig gehalten werden, so dass das Entstehen einer Vorzündung des Luft-Kraftstoff-Gemischs verhindert werden kann.
Da bei der Zündkerze S1 der in die Brennkammer des Motors vorragende Abschnitt des Isolators kurz gehalten und das erste Volumen V1 verringert werden kann, wird darüber hinaus ausreichender Raum zwischen dem Isolator 2 und der Masseelektrode 5 für die Ausbreitung der entstehenden Flamme sichergestellt. Dadurch wird verhindert, dass sich das Zündvermögen der Zündkerze S1 aufgrund unzureichenden Raums für die Ausbreitung der entstehenden Flamme verringert.
Indem also die Obergrenze des ersten Volumens V1 wie oben festgelegt wird, wird das Auftreten von Seitenfunken P verhindert und ein hohes Zündvermögen der Zündkerze S1 gewährleistet.
Es ist vorzuziehen, dass das erste Volumen V1 kleiner oder gleich 0,34 mm³ beträgt, um noch zuverlässiger das Auftreten der Seitenfunken P zu verhindern und ein hohes Zündvermögen der Zündkerze S1 zu gewährleisten.
Indem andererseits die Untergrenze des ersten Volumens V1 wie oben festgelegt wird, wird eine ausreichende Festigkeit des Endabschnitts des Isolators 2 sichergestellt.
Wie in 3 gezeigt ist, nimmt der Außendurchmesser des Isolators 2 von der Kante der Innenfläche des Isolators 2 am ersten Ende 22 zu einer zweiten Bezugsebene 102 hin zu. Die zweite Bezugsebene 102 verläuft definitionsgemäß senkrecht zur Längsrichtung des Isolators 2 und ist in der Längsrichtung 0,2 mm von der Kante der Innenfläche des Isolators 2 entfernt.
Der Parameter V2 ist als das Volumen des Abschnitts des Isolators 2 zwischen der Kante der Innenfläche des Isolators 2 und der zweiten Bezugsebene 102 definiert, der in 3 schraffiert ist. Der Parameter V2 wird im Folgenden einfach als zweites Volumen V2 bezeichnet.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wurde das zweite Volumen V2 anhand von experimentellen Untersuchungen so festgelegt, dass es im Bereich 0,5 bis 0,84 mm³ liegt.
Indem die Obergrenze des zweiten Volumens V2 wie oben festgelegt wird, wird das Auftreten der Seitenfunken P zuverlässiger verhindert und wird das Zündvermögen der Zündkerze S1 zuverlässiger gewährleistet.
Es ist vorzuziehen, dass das zweite Volumen V2 kleiner oder gleich 0,79 mm³ ist.
Indem andererseits die Untergrenze des zweiten Volumens V2 wie oben festgelegt wird, wird eine ausreichende Festigkeit des Abschnitts des Isolators 2 zwischen der Kante der Innenfläche des Isolators 2 und der zweiten Bezugsebene 102 sichergestellt.
Wie in 4 gezeigt ist, nimmt der Außendurchmesser des Isolators 2 von der Kante der Innenfläche des Isolators 2 am ersten Ende 22 zu einer dritten Bezugsebene 103 hin zu. Die dritte Bezugsebene 103 verläuft definitionsgemäß senkrecht zur Längsrichtung des Isolators 2 und ist in der Längsrichtung 0,3 mm von der Kante der Innenfläche des Isolators 2 entfernt.
Der Parameter V3 ist als das Volumen des Abschnitts des Isolators 2 zwischen der Kante der Innenfläche des Isolators 2 und der dritten Bezugsebene 103 definiert, der in 4 schraffiert ist. Der Parameter V3 wird im Folgenden einfach als drittes Volumen V3 bezeichnet.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wurde das dritte Volumen V3 anhand von experimentellen Untersuchungen so festgelegt, dass es im Bereich von 0,8 bis 1,42 mm³ liegt.
Indem die Obergrenze des dritten Volumens V3 wie oben festgelegt wird, wird das Auftreten der Seitenfunken P zuverlässiger verhindert und wird das Zündvermögen der Zündkerze 51 zuverlässiger gewährleistet.
Es ist vorzuziehen, dass das dritte Volumen V3 kleiner oder gleich 1,39 mm³ ist.
Indem andererseits die Untergrenze des dritten Volumens V3 wie oben festgelegt wird, wird eine ausreichende Festigkeit des Abschnitts des Isolators 2 zwischen der Kante der Innenfläche des Isolators 2 und der dritten Bezugsebene 103 sichergestellt.
Wie in 5 gezeigt ist, ist der Parameter C als der Mindestabstand zwischen der Innenfläche der Metallhülle 4 und der Außenfläche das Isolators 2 in einer vierten Bezugsebene 104 definiert. Die vierte Bezugsebene 104 verläuft definitionsgemäß senkrecht zur Längsrichtung des Isolators 2 durch die Innenkante des Endes 41 der Metallhülle 4. Der Parameter C wird im Folgenden einfach als Abstand C bezeichnet.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wurde der Abstand C so festgelegt, dass er im Bereich 0,4 bis 1,6 mm liegt.
Indem der obige Bereich festgelegt wird, wird der Isolierwiderstand zwischen der Mittelelektrode 3 und der Metallhülle 4 sichergestellt, wird verhindert, dass der Isolator 2 mit Kohlenstoff verschmutzt, und wird das Zündvermögen der Zündkerze S1 gewährleistet.
Und zwar fällt es dem Kohlenstoff, wenn der Abstand C über der Obergrenze liegt, leicht, in das Innere eines zwischen der Außenfläche des Isolators 2 und der Innenfläche der Metallhülle 4 gebildeten Luftspalts einzudrängen. Dadurch lagert sich der Kohlenstoff leicht am Innenabschnitt der Außenfläche des Isolators 2 ab, was dazu führt, dass der Isolator 2 mit Kohlenstoff verschmutzt und der Isolierwiderstand zwischen der Mittelelektrode 3 und der Metallhülle 4 abnimmt.
Wenn andererseits der Abstand C unterhalb der Untergrenze liegt, werden leicht Seitenfunken von dem Isolator 2 zur Metallhülle 4 entladen, wenn der Isolator 2 mit Kohlenstoff verschmutzt ist, was das Zündvermögen der Zündkerze S1 verringert.
Der Parameter T ist, wie in 5 gezeigt ist, als Mindestwanddicke des Isolators 2 in der vierten Bezugsebene 104 definiert. Der Parameter T wird im Folgenden einfach als Wanddicke T des Isolators 2 bezeichnet.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wurde die Wanddicke T des Isolators 2 so festgelegt, dass sie im Bereich 0,3 bis 1,8 mm liegt.
Indem die Obergrenze der Wanddicke T des Isolators 2 wie oben festgelegt wird, wird die Wärmekapazität des Isolators 2 klein genug gehalten, um den Kohlenstoff, der an dem Isolator 2 anhaftet, abzubrennen, was eine Verschmutzung des Isolators 2 mit Kohlenstoff verhindert.
Indem andererseits die Untergrenze der Wanddicke T des Isolators 2 wie oben festgelegt wird, wird ein ausreichender Isolierwiderstand zwischen der Mittelelektrode 3 und der Masseelektrode 5 sichergestellt.
Der Parameter d ist, wie in 5 gezeigt ist, als der Außendurchmesser der Mittelelektrode 3 in der vierten Bezugsebene 104 definiert. Der Parameter d wird im Folgenden einfach als Durchmesser d der Mittelelektrode 3 bezeichnet.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wurde der Durchmesser d der Mittelelektrode 3 so festgelegt, dass er im Bereich 0,8 bis 2,6 mm liegt.
Indem die Obergrenze des Durchmessers d der Mittelelektrode 3 wie oben festgelegt wird, kann die Zündkerze S1 kompakt gehalten werden.
Indem andererseits die Untergrenze des Durchmessers d der Mittelelektrode 3 wie oben festgelegt wird, ist es möglich, den Erwärmungsbereich der Zündkerze S1 sicherzustellen, zuverlässig eine Vorzündung des Luft-Kraftstoff-Gemischs zu verhindern und die Haltbarkeit der Mittelelektrode 3 zu gewährleisten.
Wie oben beschrieben wurde, besteht die Mittelelektrode 3 aus dem Grundelement 30 und dem Entladungselement 33. Das Grundelement 30 hat, wie in 5 gezeigt ist, einen Abschnitt kleinen Durchmessers 34, dessen Außendurchmesser kleiner als der oben definierte Durchmesser d der Mittelelektrode 3 ist, und einen Abschnitt abnehmenden Durchmessers 35, der sich zum Ende 39 der Mittelelektrode 3 hin verjüngt. Der Abschnitt abnehmenden Durchmessers 35 hat ein Ende, mit dem das zweite Ende des Entladungselements 33 durch Laserschweißen verbunden ist. Dementsprechend befindet sich zwischen dem Abschnitt abnehmenden Durchmessers 35 und dem Entladungselement 33 eine Schweißschicht 36.
Der Parameter F1 ist, wie in 5 gezeigt ist, als der Abstand vom Abschnitt abnehmenden Durchmessers 35 des Grundelements 30 zum ersten Ende des Entladungselements 33 (d.h. zum Ende 39 der Mittelelektrode 3) in der Längsrichtung des Entladungselements 33 definiert. Der Parameter F1 wird im Folgenden einfach als Länge F1 des Entladungselements 33 bezeichnet.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wurde die Länge F1 des Entladungselements 33 so festgelegt, dass sie im Bereich 0,3 bis 1,5 mm liegt.
Indem der obige Bereich festgelegt wird, werden die Haltbarkeit des Entladungselements 33 und das Zündvermögen der Zündkerze S1 gewährleistet.
Und zwar wäre, wenn die Länge F1 des Entladungselements 33 oberhalb der Obergrenze läge, die Temperatur am ersten Ende Entladungselements 33 zu hoch, so dass der Verschleiß des Entladungselements 33 durch Heißgaskorrosion erleichtert würde. Wenn die Länge F1 des Entladungselements 33 andererseits unterhalb der Untergrenze läge, würde die entstehende Flamme mit dem Grundelement 30 in Kontakt kommen, so dass sie rasch abgekühlt würde. Dadurch würde sich das Zündvermögen der Zündkerze S1 verringern.
Der Parameter S1 ist als Querschnittfläche des Entladungselements 33 senkrecht zur Längsrichtung des Entladungselements 33 definiert. Der Parameter S1 wird im Folgenden einfach als Querschnittsfläche S1 des Entladungselements 33 bezeichnet.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wurde die Querschnittfläche S1 des Entladungselements 33 so festgelegt, dass sie im Bereich 0,1 bis 0,8 mm² liegt.
Indem der obige Bereich festgelegt wird, werden die Haltbarkeit des Entladungselements 33 und das Zündvermögen der Zündkerze S1 gewährleistet.
Und zwar würde, wenn die Querschnittfläche S1 des Entladungselements 33 oberhalb der Obergrenze läge, die entstehende Flamme rasch durch das Entladungselement 33 abgekühlt werden, wodurch das Zündvermögen der Zündkerze S1 abnähme. Wenn die Querschnittfläche S1 des Entladungselements 33 andererseits unterhalb der Untergrenze läge, würde das Entladungselement 33 rasch abgetragen werden.
Indem die beiden Bereiche F1 und S1 wie oben festgelegt werden, wird zudem das Entladungselement 33 verschlankt. Dadurch erhöht sich die Stärke des elektrischen Felds am ersten Ende des Entladungselements 33, so dass die erforderliche Zündspannung der Zündkerze S1 (d.h. die zum Entladen normaler Funken entlang des Funkenspalts G erforderliche elektrische Spannung) verringert werden kann, wodurch das Auftreten der Seitenfunken P wirksam verhindert wird.
Ähnlich wie die oben beschriebene Schweißschicht 36 ist, wie in 5 gezeigt ist, zwischen dem Grundelement 50 und dem Entladungselement 53 der Masseelektrode 5 eine weitere Schweißschicht 54 ausgebildet.
Der Parameter F2 ist als der Abstand vom Grundelement 50zum ersten Ende 59 des Entladungselements 53 in der Längsrichtung des Entladungselements 53 definiert. Der Parameter F2 wird im Folgenden einfach als Länge F2 des Entladungselements 53 bezeichnet.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Länge F2 des Entladungselements 53 so festgelegt, dass sie im Bereich 0,3 bis 1,5 mm liegt.
Indem der obige Bereich festgelegt wird, werden die Haltbarkeit des Entladungselements 53 und das Zündvermögen der Zündkerze S1 gewährleistet.
Und zwar würde, wenn die Länge F2 des Entladungselements 53 oberhalb der Obergrenze läge, die Temperatur am ersten Ende 59 des Entladungselements 53 zu hoch werden, so dass der Verschleiß des Entladungselements 53 durch Heißgaskorrosion erleichtert würde. Wenn die Länge F2 des Entladungselements 53 andererseits unterhalb der Untergrenze läge, würde die entstehende Flamme mit dem Grundelement 50 in Kontakt kommen, wodurch sie rasch abgekühlt würde. Dadurch würde sich das Zündvermögen der Zündkerze S1 verringern.
Der Parameter S2 ist als Querschnittfläche des Entladungselements 53 senkrecht zur Längsrichtung des Entladungselements 53 definiert. Der Parameter S2 wird im Folgenden einfach als Querschnittfläche S2 des Entladungselements 53 bezeichnet.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wurde die Querschnittfläche S2 des Entladungselements 53 so festgelegt, dass sie im Bereich 0,1 bis 0,8 mm² liegt.
Indem der obige Bereich festgelegt wird, werden die Haltbarkeit des Entladungselements 53 und das Zündvermögen der Zündkerze S1 gewährleistet.
Und zwar würde, wenn die Querschnittfläche S2 des Entladungselements 53 oberhalb der Obergrenze läge, die entstehende Flamme rasch durch das Entladungselement 53 abgekühlt werden, wodurch das Zündvermögen der Zündkerze S1 abnähme: Wenn die Querschnittfläche S2 des Entladungselements 53 andererseits unterhalb der Untergrenze läge, würde das Entladungselement 53 leicht abgetragen werden.
Indem die beiden Bereiche F2 und S2 wie oben festgelegt werden, wird zudem das Entladungselement 53 verschlankt. Dadurch kann die erforderliche Zündspannung der Zündkerze S1 verringert werden, was das Auftreten der Seitenfunken P wirksam verhindert.
Zusammengefasst hat die Zündkerze S1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel einen verbesserten Aufbau, bei dem das erste Volumen V1, das zweite Volumen V2, das dritte Volumen V3, der Abstand C, die Wanddicke T des Isolators 2, der Durchmesser d der Mittelelektrode 3, die Länge F1 des Entladungselements 33, die Querschnittsfläche S1 des Entladungselements 33, die Länge F2 des Entladungselements 53 und die Querschnittfläche S2 des Entladungselements 53 so festgelegt sind, dass sie in die folgenden Bereiche fallen:
0,15 mm³ ≤ V1 ≤ 0,38 mm³;
(vorzugsweise 0,15 mm³≤ V1 ≤ 0,34 mm³)
0,5 mm³ ≤ V2 ≤ 0,84 mm³;
(vorzugsweise 0, 5 mm³ ≤ V2 ≤ 0,79 mm³)
0,8 mm³ ≤ V3 ≤ 1,42 mm³;
(vorzugsweise 0, 8 mm³ ≤ V3 ≤ 1,39 mm³)
0,4 mm ≤ C ≤ 1,6 mm;
0,3 mm ≤ T ≤ 1,8 mm;
0,8 mm ≤ d ≤ 2,6 mm;
0,3 mm ≤ F1 ≤ 1,5 mm;
0,1 mm² ≤ S1 ≤ 0,8 mm²;
0,3 mm ≤ F2 ≤ 1,5 mm; und
0,1 mm² ≤ S2 ≤ 0,8 mm².
Indem die obigen Bereiche festgelegt werden, wird das Auftreten von Seitenfunken in der Zündkerze S1 verhindert und ein hohes Zündvermögen der Zündkerze S1 gewährleistet.
Unter den obigen Bereichen wurden diejenigen für das erste Volumen V1, das zweite Volumen V2 und das dritte Volumen V3 anhand der unten beschriebenen Experimente festgelegt.
Experiment 1
Dieses Experiment wurde durchgeführt, um die Zusammenhänge zwischen dem ersten Volumen V1 und dem Isolierwiderstand der Zündkerze S1 und zwischen dem ersten Volumen V1 und der Häufigkeit von Seitenfunken in der Zündkerze S1 zu ermitteln.
Für das Experiment wurden Musterzündkerzen mit verschiedenen Werten für das erste Volumen V1 angefertigt, bei denen jeweils der Außendurchmesser des Isolators 2 an der in der Längsrichtung des Isolators 0,4 mm von seinem ersten Ende 22 beabstandeten Stelle 3,4 mm betrug; die Wanddicke des Isolators 2 an derselben Stelle 0,64 mm betrug; der Durchmesser d der Mittelelektrode 3 2,1 mm betrug; die Größe des Gewindeabschnitts 42 der Metallhülle 4 M10 entsprach; der Abstand C 1,6 mm betrug; die Querschnittfläche S1 des Entladungselements 33 0,24 mm² betrug; seine Länge F1 1,0 mm betrug, die Querschnittsfläche S2 des Entladungs elements 53 0,38 mm² betrug; seine Länge F2 1,0 mm betrug; und der Funkenspalt G 0,6 mm groß war.
Die Musterzündkerzen wurden gemäß dem Kohlenstoffverschmutzung-Untersuchungsverfahren untersucht, das in der JIS-D1606 spezifiziert ist. Dann wurde für jede dieser untersuchten Musterzündkerzen gemäß dem in JIS B8031 spezifizierten Messverfahren der Isolierwiderstand zwischen der Mittelelektrode 3 und der Masseelektrode ermittelt.
6A zeigt die Untersuchungsergebnisse, wobei die horizontale Achse das erste Volumen V1 angibt, während die vertikale Achse den sich ergebenden Isolierwiderstand angibt.
Wie in 6A zu erkennen ist, nahm der Isolierwiderstand mit dem ersten Volumen V1 zu.
Nach der obigen Untersuchung wurden die mit Kohlenstoff verschmutzten Musterzündkerzen eine Minute lang im Leerlauf getestet, um bei diesen Musterzündkerzen die Häufigkeit von Seitenfunken zu messen. Das Auftreten von Seitenfunken während der Untersuchung wurde basierend auf der Wellenform der Entladungsspannung der Musterzündkerze ermittelt, wobei dann das Verhältnis der Zahl der aufgetretenen Seitenfunken zur Gesamtzahl der Entladungen während der Untersuchung als Häufigkeit der Seitenfunken in der Musterzündkerze gezählt wurde.
6B zeigt die Untersuchungsergebnisse, wobei die horizontale Achse das erste Volumen V1 angibt, während die vertikale Achse die sich ergebende Häufigkeit von Seitenfunken angibt.
Wie in 6B zu erkennen ist, nahm die Häufigkeit an Seitenfunken mit dem ersten Volumen V1 ab. Als das erste Volumen V1 auf 0,38 mm³ sank, wurden die Seitenfunken deutlich unterdrückt. Als das erste Volumen V1 weiter auf 0,34 mm³ sank, wurden die Seitenfunken vollständig unterdrückt.
Die in den 6A und 6B gezeigten Untersuchungsergebnisse lassen sich unter Bezugnahme auf 7 wie folgt erklären.
Wie in 7 gezeigt ist, nimmt der Außendurchmesser D des Isolators 2 in der ersten Bezugsebene 101 mit dem ersten Volumen V1 zu. Mit zunehmendem Außendurchmesser D entfernt sich der äußere Endabschnitt 24 weiter von der Mittelelektrode 3, die Wärme vom Isolator 2 zur Außenseite der Brennkammer ableitet.
Wenn das erste Volumen V1 groß ist, ist auch die Temperatur am äußeren Endabschnitt 24 hoch, so dass es Kohlenstoff schwer fällt, sich darauf abzulagern. Dadurch kann, wie in 6A gezeigt ist, der Isolierwiderstand zwischen der Mittelelektrode 3 und der Masseelektrode 5 ein hohes Niveau halten.
Gleichzeitig fällt es jedoch schwer, die Ablagerung von Kohlenstoff auf dem inneren Endabschnitt 23 und dem Weg vom inneren Endabschnitt 23 zum äußeren Endabschnitt 24 zu verhindern, so dass das elektrische Potenzial am äußeren Endabschnitt 24 steigt. Deswegen ist, wie in 6B gezeigt ist, die Häufigkeit von Seitenfunken entsprechend hoch.
Wenn andererseits das erste Volumen V1 klein ist, fällt es schwer, die Ablagerung von Kohlenstoff auf dem äußeren Endabschnitt 24 zu verhindern. Dadurch nimmt, wie in 6A gezeigt ist, der Isolierwiderstand zwischen der Mittelelektrode 3 und der Masseelektrode 5 ab.
Gleichzeitig ist jedoch die Temperatur am inneren Endabschnitt 23 so hoch, dass es Kohlenstoff schwer fällt, sich auf dem inneren Endabschnitt 23 abzulagern. Daher kann ein hoher Isolierwiderstand zwischen der Mittelelektrode 3 und dem äußeren Endabschnitt 24 sichergestellt werden, wodurch das elektrische Potenzial am äußeren Endabschnitt 24 abnimmt. Deswegen ist, wie in 6B gezeigt ist, die Häufigkeit von Seitenfunken entsprechend gering.
Um das Auftreten von Seitenfunken zu verhindern und ein hohes Zündvermögen der Zündkerze S1 zu gewährleisten, ist es also notwendig, das erste Volumen V1 so festzulegen, dass es nicht größer als 0,38 mm³ ist. Außerdem ist es vorzuziehen, das erste Volumen V1 so festzulegen, dass es nicht größer als 0,34 mm³ ist.
Experiment 2
Dieses Experiment wurde durchgeführt, um die Wirkung des Durchmessers d der Mittelelektrode 3 auf den Zusammenhang zwischen dem ersten Volumen V1 und der Häufigkeit von Seitenfunken in die Zündkerze S1 zu untersuchen.
8 zeigt die Ergebnisse des Experiments, wobei die sich ergebenden Häufigkeiten der Seitenfunken für verschiedene Durchmesser d der Mittelelektrode 3 mit den Eintragungen "O" für 2, 1 mm, den Eintragungen "☐" für 1,4 mm und den Eintragungen "Δ" für 0,7 mm unterschieden werden.
Wie in 8 zu erkennen ist, wurde für alle verschiedenen Durchmesser d der Mittelelektrode 3 die gleiche Tendenz beobachtet. Und zwar wurden die Seitenfunken ungeachtet des Durchmessers d der Mittelelektrode 3 deutlich unterdrückt, wenn das erste Volumen V1 nicht größer als 0,38 mm³ war.
Die obigen experimentellen Ergebnisse lassen sich wie folgt erklären.
Wenn der Durchmesser d der Mittelelektrode 3 abnimmt, entfernt sich der innere Endabschnitt 23 von der Metallhülle 4, was das Auftreten von Seitenfunken erschwert.
Um jedoch gleichzeitig den Durchmesser d der Mittelelektrode 3 zu verringern, ohne das erste Volumen V1 zu ändern, muss die Dicke des Endabschnitts des Isolators 2 erhöht werden. Dadurch fällt es schwer, den inneren Endabschnitt 23 auf eine hohe Temperatur zu erhitzen, was es erschwert, eine Ablagerung von Kohlenstoff auf dem inneren Endabschnitt 23 zu verhindern.
Die beiden obigen Wirkungen des Durchmessers d der Mittelelektrode heben sich also gegenseitig auf, so dass sich bei der Häufigkeit von Seitenfunken für die verschiedenen Durchmesser d der Mittelelektrode 3 die gleiche Tendenz beobachten lässt.
Experiment 3
Dieses Experiment wurde auf die gleiche Weise wie das Experiment 1 durchgeführt, um bei der Zündkerze S1 den Zusammenhang zwischen dem zweiten Volumen V2 und der Häufigkeit von Seitenfunken zu ermitteln.
9 zeigt die experimentellen Ergebnisse, wobei die horizontale Achse das zweite Volumen V2 angibt, während die vertikale Achse die sich ergebende Häufigkeit der Seitenfunken angibt.
Wie in 9 zu erkennen ist, nahm die Häufigkeit von Seitenfunken mit dem zweiten Volumen V2 ab. Als das zweite Volumen V2 auf 0,84 mm³ sank, wurden die Seitenfunken deutlich unterdrückt. Als das zweite Volumen V2 weiter auf 0,79 mm³ sank, wurden die Seitenfunken vollständig unterdrückt.
Um das Auftreten von Seitenfunken zu verhindern und eine hohes Zündvermögen der Zündkerze S1 zu gewährleisten, ist es also notwendig, das zweite Volumen V2 so festzulegen, dass es nicht größer als 0,84 mm³ ist. Darüber hinaus ist es vorzuziehen, das zweite Volumen V2 so festzulegen, dass es nicht größer als 0,79 mm³ ist.
Experiment 4
Dieses Experiment wurde auf die gleiche Weise wie das Experiment 1 durchgeführt, um den Zusammenhang zwischen dem dritten Volumen V3 und der Häufigkeit von Seitenfunken in der Zündkerze S1 zu ermitteln.
10 zeigt die experimentellen Ergebnisse, wobei die horizontale Achse das dritte Volumen V3 angibt, während die vertikale Achse die sich ergebende Häufigkeit der Seitenfunken angibt.
Wie in 10 zu erkennen ist, nahm die Häufigkeit der Seitenfunken mit dem dritten Volumen V3 ab. Als das dritte Volumen V3 auf 1,42 mm³ sank, wurden die Seitenfunken deutlich unterdrückt. Als das dritte Volumen V3 weiter auf 1,39 mm³ sank, wurden die Seitenfunken vollständig unterdrückt.
Um das Auftreten von Seitenfunken zu verhindern und ein hohes Zündvermögen der Zündkerze S1 zu gewährleisten, ist es also notwendig, das dritte Volumen V3 so festzulegen, dass es nicht größer als 1,42 mm³ ist. Darüber hinaus ist es vorzuziehen, das dritte Volumen V3 so festzulegen, dass es nicht größer als 1,39 mm³ ist.
[Zweites Ausführungsbeispiel]
Dieses Ausführungsbeispiel befasst sich mit einer Zündkerze S2, die beinahe den gleichen Aufbau wie die Zündkerze S1 gemäß dem vorigen Ausführungsbeispiel hat.
Wie in 11 gezeigt ist, hat die Masseelektrode 5 der Zündkerze S2 jedoch kein Entladungselement 53, so dass eine Seitenfläche 59 des Spitzenabschnitts 52 der Masseelektrode 5 direkt dem Ende 39 der Mittelelektrode 3 zugewandt ist.
Die Abmessungsparameter V1, V2, V3, C, T, d, F1 und S1 haben bei dieser Zündkerze S2 die gleichen Definitionen wie bei der Zündkerze S1.
Des Weiteren wurden bei der Zündkerze S2 die obigen Parameter so festgelegt, dass sie in den gleichen Bereichen wie bei der Zündkerze S1 liegen, damit auch bei der Zündkerze S2 die beim vorigen Ausführungsbeispiel beschriebenen Wirkungen erzielt werden können.
Experiment 5
Dieses Experiment wurde auf die gleiche Weise wie das Experiment 1 durchgeführt, um den Zusammenhang zwischen dem ersten Volumen V1 und der Häufigkeit von Seitenfunken in der Zündkerze S2 zu ermitteln.
12 zeigt die experimentellen Ergebnisse im Vergleich mit denen von Experiment 1, wobei die Eintragungen
die Ergebnisse mit der Zündkerze S2 angeben, während die Eintragungen "O" diejenigen mit der Zündkerze S1 angeben.
Wie in 12 zu erkennen ist, ergab sich mit der Zündkerze S2 die gleiche Tendenz wie mit der Zündkerze S1. Und zwar wurden, als das erste Volumen V1 nicht größer als 0,38 mm³ war, die Seitenfunken auch in der Zündkerze S2 deutlich unterdrückt.
Gleichzeitig war aber bei der Zündkerze S2 die Häufigkeit der Seitenfunken insgesamt höher als bei der Zündkerze S1. Dies lag daran, dass die erforderliche Zündspannung der Zündkerze S2 aufgrund des fehlenden Entladungselements 53 höher als bei der Zündkerze S1 war.
Nachdem nun die obigen besonderen Ausführungsbeispiele der Erfindung aufgezeigt und beschrieben wurden, wird der Praktiker und Fachmann verstehen, dass verschiedene Abwandlungen, Änderungen und Verbesserungen an der Erfindung vorgenommen werden können, ohne vom Grundgedanken des hier offenbarten Konzepts abzuweichen. Solche im fachlichen Können liegenden Abwandlungen, Änderungen und Verbesserungen sollen von den beigefügten Ansprüchen abgedeckt werden.
Eine erfindungsgemäße Zündkerze hat eine Metallhülle, einen hohlen Isolator, eine Mittelelektrode und eine Masseelektrode. Der Isolator hat ein in eine Brennkammer eines Motors hineinragendes erstes Ende und ein in der Längsrichtung des Isolators zum ersten Ende entgegengesetztes zweites Ende. Der Außendurchmesser des Isolators nimmt von der Kante seiner Innenfläche am ersten Ende zu einer Bezugsebene hin zu, die definitionsgemäß senkrecht zur Längsrichtung des Isolators verläuft und in der Längsrichtung 0,1 mm von der Kante der Innenfläche des Isolators zu seinem zweiten Ende hin entfernt ist. Des Weiteren liegt ein erstes Volumen V1, das dem Volumen eines Abschnitts des Isolators zwischen der Kante der Innenfläche des Isolators und der Bezugsebene entspricht, im Bereich 0,15 bis 0,38 mm³.

Claims

Zündkerze, mit: einer rohrförmigen Metallhülle mit einem Ende; einem Isolator mit einer Länge sowie einem ersten Ende und einem zweiten Ende, die sich in Längsrichtung des Isolators gegenüberliegen, wobei der Isolator außerdem eine Bohrung hat, die in der Längsrichtung des Isolators verläuft, und der Isolator so in der Metallhülle fixiert ist, dass sein erstes Ende aus dem Ende der Metallhülle vorragt; einer in der Bohrung des Isolators befestigten Mittelelektrode, die ein aus dem ersten Ende des Isolators vorragendes Ende hat; und einer Masseelektrode, die ein mit dem Ende der Metallhülle verbundenes Fußende und einen Spitzenabschnitt hat, der dem Ende der Mittelelektrode in der Längsrichtung des Isolators über einen Funkenspalt zugewandt ist, wobei der Außendurchmesser des Isolators von einer Kante einer Innenfläche des Isolators am ersten Ende des Isolators zu einer ersten Bezugsebene hin zunimmt, die definitionsgemäß senkrecht zur Längsrichtung des Isolators verläuft und in der Längsrichtung 0,1 mm von der Kante der Innenfläche des Isolators zum zweiten Ende des Isolators hin entfernt ist, und ein erstes Volumen V1, das dem Volumen eines Abschnitts des Isolators zwischen der Kante der Innenfläche des Isolators und der ersten Bezugsebene entspricht, in einem Bereich von 0,15 bis 0,38 mm³ liegt.
Zündkerze nach Anspruch 1, bei der das erste Volumen V1 in einem Bereich von 0,15 bis 0,34 mm³ liegt.
Zündkerze nach Anspruch 1, bei der der Außendurchmesser des Isolators von der Kante der Innenfläche des Isolators am ersten Ende des Isolators zu einer zweiten Bezugsebene hin zunimmt, die definitionsgemäß senkrecht zur Längsrichtung des Isolators verläuft und in der Längsrichtung 0,2 mm von der Kante der Innenfläche des Isolators entfernt ist, und ein zweites Volumen V2, das dem Volumen eines Abschnitts des Isolators zwischen der Kante der Innenfläche des Isolators in der zweiten Bezugsebene entspricht, in einem Bereich von 0,5 bis 0,84 mm³ liegt.
Zündkerze nach Anspruch 3, bei der das zweite Volumen V2 in einem Bereich von 0,5 bis 0,79 mm³ liegt.
Zündkerze nach Anspruch 1, bei der der Außendurchmesser des Isolators von der Kante der Innenfläche des Isolators am ersten Ende des Isolators zu einer dritten Bezugsebene hin zunimmt, die definitionsgemäß senkrecht zur Längsrichtung des Isolators verläuft und in der Längsrichtung 0,3 mm von der Kante der Innenfläche des Isolators zum zweiten Ende des Isolators hin entfernt ist, und ein drittes Volumen V3, das dem Volumen eines Abschnitts des Isolators zwischen der Kante der Innenfläche des Isolators und der dritten Bezugsebene entspricht, in einem Bereich von 0,8 bis 1,42 mm³ liegt.
Zündkerze nach Anspruch 5, bei der das dritte Volumen V3 in einem Bereich von 0,8 bis 1,39 mm³ liegt.
Zündkerze nach Anspruch 1, bei der ein Mindestabstand C zwischen einer Innenfläche der Metallhülle und einer Außenfläche des Isolators in einer vierten Bezugsebene, die definitionsgemäß senkrecht zur Längsrichtung des Isolators durch eine Innenkante des Endes der Metallhülle verläuft, in einem Bereich von 0,4 bis 1,6 mm liegt.
Zündkerze nach Anspruch 1, bei der die Mittelelektrode ein Grundelement und ein Entladungselement enthält, wobei das Entladungselement eine Länge mit einem das Ende Mittelelektrode bildenden ersten Ende und einem mit dem Grundelement verbundenen zweiten Ende hat, eine Querschnittfläche S1 des Entladungselements, die senkrecht zur Längsrichtung des Entladungselements verläuft, in einem Bereich von 0,1 bis 0,8 mm² liegt und ein Abstand F1 vom ersten Ende des Entladungselements zum Grundelement in der Längsrichtung des Entladungselements in einem Bereich von 0,3 bis 1,5 mm liegt.
Zündkerze nach Anspruch 8, bei der das Entladungselement der Mittelelektrode aus einer Legierung auf Ir-Basis besteht, die eine Menge von mehr als 50 Gewichtsprozent Ir und mindestens einen Zusatzstoff enthält und einen Schmelzpunkt von mehr als 2000°C hat.
Zündkerze nach Anspruch 9, bei der der mindestens eine Zusatzstoff aus Pt, Rh, Ni, W, Pd, Ru, Re, Al, A₂O₃, Y und Y₂O₃ gewählt ist.
Zündkerze nach Anspruch 1, bei der die Masseelektrode ein Grundelement und ein Entladungselement enthält, wobei das Entladungselement eine Länge mit einem dem Ende der Mittelelektrode zugewandten ersten Ende und einem mit dem Grundelement verbundenen zweiten Ende hat, eine Querschnittfläche S2 des Entladungselements, die senkrecht zur Längsrichtung des Entladungselements verläuft, in einem Bereich von 0,1 bis 0,8 mm² liegt und ein Abstand F2 vom ersten Ende des Entladungselements zum Grundelement der Längsrichtung des Entladungselements in einem Bereich von 0,3 bis 1,5 mm liegt.
Zündkerze nach Anspruch 1, bei der das Entladungselement der Masseelektrode aus einer Legierung auf Pt-Basis besteht, die eine Menge von mehr als 50 Gewichtsprozent Pt und mindestens einen Zusatzstoff enthält und einen Schmelzpunkt von mehr als 1500°C hat.
Zündkerze nach Anspruch 12, bei der der mindestens eine Zusatzstoff aus Ir, Rh, Ni, W, Pd, Ru und Re gewählt ist.
Zündkerze nach Anspruch 1, bei der eine Mindestwanddicke T des Isolators in einer vierten Bezugsebene, die definitionsgemäß senkrecht zur Längsrichtung des Isolators durch eine Innenkante des Endes der Metallhülle verläuft, in einem Bereich von 0,3 bis 1,8 mm liegt.
Zündkerze nach Anspruch 14, bei der ein Außendurchmesser d der Mittelelektrode in der vierten Bezugsebene in einem Bereich von 0,8 bis 2,6 mm liegt.