DE102005041094A1

DE102005041094A1 - Zündkerze mit höherer Haltbarkeit

Info

Publication number: DE102005041094A1
Application number: DE102005041094A
Authority: DE
Inventors: Nobuo Kariya Abe; Yasushi Kariya Kawashima; Tsunetoshi Kariya Goto
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-08-31
Filing date: 2005-08-30
Publication date: 2006-03-23
Also published as: US7234429B2; FR2877777A1; US20060042610A1; JP2006100250A

Abstract

Es wird eine Zündkerze (1) zur Verfügung gestellt, die kompakt gestaltet ist, ohne die mechanische Festigkeit eines Porzellanisolators (3) zu opfern. Die Zündkerze (1) hat eine Metallhülle (2) mit einem Fußende und einem Kopfende. Der Porzellanisolator (3) besteht aus einem Hohlzylinder, der einen Körper und einen Isolatorkopf (31) hat. Der Körper wird innerhalb der Metallhülle (2) gehalten. Der Isolatorkopf (31) läuft vom Fußende der Metallhülle (2) aus in Längsrichtung des Porzellanisolators (3) und hat eine Länge (L), die von einem zum Körper des Porzellanisolators (3) führenden Hauptkörper (366) und einem weit vom Körper weg liegenden Endabschnitt (311) gebildet wird. Der Hauptkörper (366) hat an seinem Abschnitt kleinsten Außendurchmessers einen Außendurchmesser D1, einen Innendurchmesser D2 und ein Widerstandsmoment Z, die die Beziehungen 7,1 mm D1 8,8 mm, D2 >= 2,8 mm und Z >= 33 mm·3· erfüllen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Technisches Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Zündkerze mit höherer Haltbarkeit für Verbrennungsmotoren, die in Kraftfahrzeugen, Kraft-Wärme-Kopplungssystemen oder Gasförderpumpen verwendet werden können.

Verbrennungsmotoren, die beispielsweise in Kraftfahrzeugen verwendet werden, setzen Zündkerzen ein, um ein Luft-Kraftstoff-Gemisch zu zünden. Von solchen Zündkerzen wird zunehmend gefordert, die Verbrennung im Motor zu verbessern, um seinen Kraftstoffverbrauch oder seine Emissionen zu verringern. Eine Verbesserung der Verbrennung erfordert eine Verbesserung des Wärmehaushalts und des Verdichtungsverhältnisses im Motor, was jedoch auf eine Selbstzündung des Gemisches in den Brennkammern des Motors hinauslaufen kann und somit zu Motorklopfen führt.

Das Motorklopfen kann beseitigt werden, indem ein Kühlsystem, etwa ein um die Zündkerzen herum vorgesehener Wassermantel, verbessert wird, um die Kühlung des Motors zu steigern.

Moderne Motoren sind mit einem Direkteinspritzungsmechanismus oder einem variablen Ventilverstellungsmechanismus ausgestattet, um sein Leistungsvermögen zu steigern, und haben einen komplizierten Motorkopfaufbau.

Eine Verbesserung der Motorkühlung erfordert daher einen geringeren Einbauraum für die Zündkerze. So offenbart zum Beispiel die JP 5-55489 U1 Techniken zur Verringerung des Durchmessers eines Zündkerzeneinbaugewindes, das an einer Metallhülle der Zündkerze ausgebildet ist. Dies verlangt jedoch nach einer Verringerung des Durchmesser eines Porzellanisolators der Zündkerze, was eine geringere mechanische Festigkeit von ihm zur Folge haben kann. Dies erhöht die Bruchwahrscheinlichkeit des Porzellanisolators aufgrund von Motorschwingungen.

Darüber hinaus sind Zündvorrichtungen bekannt, die zur Minimierung eines vom Verteiler stammenden elektrischen Rauschens oder zur Vereinfachung der Hochspannungsverkabelung gerade oberhalb der Zündkerze in direkter Verbindung mit ihr eingebaut sind. Die Zündspule ist auf den Porzellanisolator der Zündkerze gepasst und an einer am Motorkopf montierten Kopfabdeckung befestigt. Die Zündkerze ist direkt am Motorkopf montiert.

Der obige Aufbau hat jedoch das Problem, dass die Motorschwingungen zu einer Verbindungsstelle zwischen der Zündspule und der Zündkerze übertragen werden können, so dass auf den Kopf des Porzellanisolators der Zündkerze eine ungewünschte mechanische Last oder Spannung aufgebracht wird. Insbesondere dann, wenn sich die Motorschwingungen, die auf den Motorkopf, in dem die Zündkerze eingebaut ist, und auf die Kopfabdeckung, in der die Zündspule eingebaut ist, aufgebracht werden, voneinander in Richtung oder Phase unterscheiden, verursacht dies eine auf den Porzellanisolator wirkende Biegekraft oder -spannung. Ein dünnerer Porzellanisolator erhöht daher die Wahrscheinlichkeit eines Bruchs des Porzellanisolators aufgrund von Motorschwingungen.

Die elektrische Isolation der Zündkerze gegenüber der Zündspule, die funktionsgemäß eine hohe Spannung erzeugt, wird üblicher Weise erreicht, indem der Porzellanisolator fest mit einer Spulenmuffe der Zündspule verbunden wird. Und zwar wird die von der Zündspule aufgebaute Hochspannung über einen Anschluss der Zündkerze und einen im Porzellanisolator eingebauten Leiter zur Mittelelektrode der Zündkerze übertragen, um in einer Funkenstrecke zwischen der Mittelelektrode und der Masseelektrode Funken zu erzeugen und das Gemisch im Motor zu zünden. Wenn sich die Spulenmuffe vom Kopf des Porzellanisolators löst, so dass dazwischen ein größerer Spalt entsteht, kann dies einen sogenannten Funkenüberschlag nach sich ziehen, bei dem der Strom zum Kopf des Porzellanisolators entweicht, was einen Mangel an Funken in der Funkenstrecke zur Folge hat und dadurch die Zündfähigkeit des Gemischs im Motor verringert.

So zieht insbesondere eine Vergrößerung der Funkenstrecke aufgrund einer Abnutzung der Elektroden der Zündkerze eine Erhöhung der Entladungsspannung nach sich. Darüber hinaus zieht eine durch einen langen Gebrauch der Zündkerze verursachte Schädigung oder Verhärtung der Spulenmuffe ein geringeres elektrisches Isolationsvermögen von ihr nach sich, was eine Entladung zur Oberfläche des Porzellan isolators (d.h. den Funkenüberschlag) nach sich ziehen kann und dadurch zu einer Fehlzündung des Motors führt.

Wenn die Spulenmuffe dagegen zu fest auf den Kopf des Porzellanisolators gepasst ist, sind größere Anstrengungen erforderlich, um die Spulenmuffe aus der Zündkerze zu ziehen. Und zwar wird sich, wenn die Spulenmuffe auf die Zündkerze gepasst ist, Luft innerhalb der Spulenmuffe bei laufendem Motor ausdehnen und bei ausgeschaltetem Motor zusammenziehen. Das Entfernen der Zündkerze erfolgt gewöhnlich, wenn der Motor in Ruhe und kühl ist. Es entsteht somit ein Unterdruck oder Vakuum in der Spulenmuffe, was größere Anstrengungen erforderlich macht, um die Spulenmuffe aus der Zündkerze zu ziehen. Wenn die Spulenmuffe mit Kraft herausgezogen wird, kann dies zu einer Beschädigung der Spulenmuffe oder zu einem Bruch oder Rissen im Porzellanisolator führen. Die feste Passung der Spulenmuffe mit dem Kopf des Porzellanisolators erleichtert es also, dazwischen eine elektrische Isolierung zu gewährleisten, kann jedoch auch ein Faktor für die Beschädigung der Spulenmuffe oder für den Bruch oder Risse im Porzellanisolator sein.

KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher eine Hauptaufgabe der Erfindung, die Nachteile des Stands der Technik zu vermeiden.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Aufbau für eine Zündkerze mit kompakter Größe zur Verfügung zu stellen, ohne ihre mechanische Festigkeit oder Haltbarkeit zu opfern.

Gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist eine Zündkerze für einen Verbrennungsmotor vorgesehen, mit:
einer Metallhülle, die ein Fußende und ein in Längsrichtung der Zündkerze zum Fußende entgegengesetztes Kopfende hat; (b) einem hohlzylinderförmigen Porzellanisolator mit einer Länge, die einen Körper und einen Isolatorkopf umfasst, wobei der Körper innerhalb der Metallhülle gehalten wird und der Isolatorkopf vom Fußende der Metallhülle aus in Längsrichtung des Porzellanisolators läuft und der Porzellanisolator eine im Körper und im Isolatorkopf verlaufende Innenkammer hat; (c) einer Mittelelektrode, die in Fluchtlinie mit der Länge des Porzellanisolators innerhalb der Innenkammer des Porzellanisolators gehalten wird; und (d) einer Masseelektrode, die vom Kopfende der Metallhülle ausgeht, um zwischen sich selbst und der Mittelelektrode eine Funkenstrecke zu definieren. Der Isolatorkopf des Porzellanisolators hat eine Länge, die von einem zum Körper des Porzellanisolators führenden Hauptkörper und einem weit vom Körper des Porzellanisolators weg liegenden Endabschnitt gebildet wird. Der Hauptkörper hat an seinem Abschnitt kleinsten Außendurchmessers einen Außendurchmesser D1, einen Innendurchmesser D2 und ein Widerstandsmoment Z, die die Bedingungen 7,1 mm ≤ D1 ≤ 8,8 mm, D2 ≥ 2,8 mm, und Z ≥ 33 mm³ erfüllen.

Ein Widerstandsmoment Z, das am Abschnitt kleinsten Außendurchmessers des Hauptkörpers größer oder gleich 33 mm³ ist, gewährleistet einen gewünschten Grad an Festigkeit des Porzellanisolators, insbesondere was die Beständigkeit gegenüber äußeren Druck betrifft, der senkrecht zur Länge des Porzellanisolators orientiert ist und ihn biegen will.

Ein Außendurchmesser D1 am Abschnitt kleinsten Außendurchmessers des Hauptkörpers, der in einem Bereich von 7,1 mm bis 8,8 mm liegt, erlaubt eine Verkleinerung der Zündkerze, ohne die mechanische Festigkeit des Porzellanisolators zu opfern. Und zwar erlaubt es ein Außendurchmesser D1 von 8,8 mm oder weniger, den Gewindedurchmesser der Metallhülle zu verringern, was zu einer Verkleinerung der Zündkerze führt. Ein Außendurchmesser D1 von 7,1 mm oder mehr garantiert, dass das Widerstandmoment Z innerhalb des obigen Bereichs liegt, sodass die erforderliche mechanische Festigkeit des Porzellanisolators gewährleistet wird.

Ein Innendurchmesser D2 am Abschnitt kleinsten Außendurchmessers des Hauptkörpers, der innerhalb eines Bereichs von 2,8 mm oder mehr liegt, gewährleistet die mechanische Festigkeit der Verbindung von beispielsweise der Mittelelektrode, einer Anschlusselektrode und eines Widerstands innerhalb des Porzellanisolators mit dem Porzellanisolator. Und zwar garantiert ein Innendurchmesser D2 von 2,8 mm oder mehr die erforderliche Fläche für beispielsweise Glasdichtungen, die mit dem Porzellanisolator verschmolzen werden, wodurch sich die gewünschte Festigkeit zum Befestigen der Mittelelektrode im Porzellanisolator ergibt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Metallhülle mit einem Kerzeneinbauwerkzeug-Aufsetzabschnitt ausgestattet, der senkrecht zur Axialrichtung der Metallhülle einen regelmäßigen sechseckigen Querschnitt hat. Der Abstand H1 zwischen zwei sich gegenüberliegenden Seiten des sechseckigen Querschnitts ist so gewählt, dass er die Beziehung 11,7 mm ≤ H1 ≤ 14 mm erfüllt. Dies erlaubt eine Verkleinerung der Zündkerze.

Der Kerzeneinbauwerkzeug-Aufsetzabschnitt kann wahlweise ein Profil haben, dessen Kontur durch zwei regelmäßige sechseckige Schnitte gleicher Größe definiert ist, die so gelegt sind, dass sie einander überlappen und um die Achse der Metallhülle herum in Umfangsrichtung 30° versetzt sind. Der Abstand H2 zwischen zwei sich gegenüberliegenden Seiten jedes sechseckigen Querschnitts ist so gewählt, dass er die Beziehung 11,7 mm ≤ H2 ≤ 14 mm erfüllt.

Die Metallhülle weist für den Einbau der Zündkerze in einem Verbrennungsmotor ein Gewinde auf. Das Gewinde hat einen Gewindedurchmesser M, der die Beziehung 8 mm ≤ M ≤ 12 mm erfüllt.

Der Isolatorkopf des Porzellanisolators hat eine Länge L, die die Beziehung 22 mm ≤ L ≤ 28 mm erfüllt. Dies sichert die Beständigkeit des Isolatorkopfs gegenüber einer mechanischen Last, die in der senkrecht zur Länge des Porzellanisolators verlaufenden Richtung orientiert ist.

Der Hauptkörper des Isolatorkopfs des Porzellanisolators kann eine glatte Außenumfangsfläche ohne Sicken haben, die eine Fläche in einem Bereich von 400 mm² bis 600 mm² hat. Dadurch wird die gewünschte Passung des Isolatorkopfs mit beispielsweise einer Spulenmuffe einer Zündspule erreicht.

Der Hauptkörper des Isolatorkopfs des Porzellanisolators kann auf seiner Außenumfangsfläche wahlweise auch mit Sicken ausgebildet sein. Die Außenumfangsoberfläche hat eine Fläche, die von der Oberseite jeder Sicke ausgehend einen Tiefenbereich von 0 mm bis 0,1 mm belegt und innerhalb eines Bereichs von 400 mm² bis 600 mm² liegt.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine Zündvorrichtung vorgesehen, die zum Zünden von Kraftstoff in einem Verbrennungsmotor verwendet werden kann, mit: (a) einer in einem Kopf eines Verbrennungsmotors einzubauenden Zündkerze; und (b) einer Zündspule, die im Eingriff mit dem Isolatorkopf der Zündkerze in einer Kopfabdeckung einzubauen ist, die den Kopf des Motors bedeckt. Die Zündkerze hat den oben beschriebenen Aufbau.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ein genaueres 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 Beispiele verstanden werden sollten, sondern lediglich der Erläuterung und dem Verständnis dienen.
Es zeigen:
1 im Längsschnitt eine Zündkerze gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 eine Aufsicht von der Seite des Fußendes der Zündkerze von 1 aus;
3 im Längsschnitt eine mit der Zündkerze von 1 ausgestattete Zündvorrichtung;
4 eine Aufsicht von der Seite des Fußendes einer Zündkerze des zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung aus;
5 im Teillängsschnitt eine Zündkerze gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
6 eine Vergrößerung von 5;
7 in Seitenansicht eine Schwingungsprüfungsmaschine, die zur Beurteilung der Beständigkeit einer Zündkerze gegenüber mechanischen Schwingungen verwendet wird; und
8 eine grafische Darstellung der Frequenz der Schwingungen, die auf die Zündkerze in der Schwingungsprüfungsmaschine von 7 gegeben wird.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
In den Zeichnungen, insbesondere in 1 ist eine Zündkerze 1 für Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt.
Die Zündkerze 1 hat generell eine hohlzylinderförmige Metallhülle 2, einen Porzellanisolator 3, eine Mittelelektrode 4 und eine Masseelektrode 5. Der Porzellanisolator 3 wird so in der Metallhülle 2 gehalten, dass er einen Isolatorkopf 31 hat, der außerhalb der Metallhülle 2 zum Fußende (d.h. in der Zeichnung zu einem oberen Abschnitt) der Zündkerze 1 läuft. Die Mittelelektrode 4 wird in einem Mittelloch 32 gehalten, das in dem Porzellanisolator ausgebildet ist. Die Masseelektrode 5 geht von der Metallhülle 2 aus und ist der Mittelelektrode 4 über eine Funkenstrecke 14 zugewandt.
Die Metallhülle 2 hat ein Gewinde 21 zum Einbau im Verbrennungsmotor und einen sechseckigen Kopf 22, auf den ein Schraubenschlüssel gepasst wird, um die Zündkerze 1 im Motor einzubauen oder aus ihm zu entfernen.
Der Isolatorkopf 31 hat eine außerhalb eines Endes der Metallhülle 2 verlaufende Länge L. Die Länge L wird von einem Hauptkörper 366 und einem sich verjüngendem Ende 311 gebildet. Der Hauptkörper 366 hat an seinem Abschnitt kleinsten Außendurchmessers einen Außendurchmesser D1, einen Innendurchmesser D2 und ein Widerstandsmoment Z, die die unten stehenden Bedingungen erfüllen. 7,1 mm ≤ D1 ≤ 8,8 mm D2 ≥ 2,8 mm Z ≥ 33 mm3 Das sich verjüngende Ende 311 hat vom Fußende (d.h. in der Zeichnung vom oberen Ende) des Isolatorkopfs 31 aus eine Länge von 4 mm.
Der Hauptkörper 366 kann gerade verlaufen und einen konstanten Durchmesser haben. In diesem Fall weist der Hauptkörper 366 den Durchmesse D1 über seine gesamte Länge auf.
Der Grund, warum der Abschnitt kleinsten Außendurchmessers des Isolatorkopfs 31 mit den Durchmessern D1 und D2 und dem Widerstandsmoment Z das sich verjüngende Ende 311 ausschließt, ist, dass sich die auf den Isolatorkopf 31 wirkende Biegelast oder -spannung gewöhnlich kaum an seinem Ende 311 konzentriert, was bedeutet, dass das Ende 311 des Isolatorkopfs 31 gegenüber Biegespannungen am unempfindlichsten ist.
Der Innendurchmesser D2 ist gleich dem Durchmesser des Mittellochs 32 am Abschnitt kleinsten Außendurchmessers des Isolatorkopfs 31.
Der sechseckige Kopf 22 hat, wie deutlich in 2 dargestellt ist, senkrecht zur längs verlaufenden Mittellinie der Metallhülle 2 (d.h. der Zündkerze 1) einen regelmäßigen sechseckigen Querschnitt. Der Abstand H1 der sich gegenüberliegenden Seiten des sechseckigen Querschnitts ist so gewählt, dass er die Beziehung 11, 7 mm ≤ H1 ≤ 14 mm erfüllt.
Das Gewinde 21 hat einen Gewindedurchmesser M, der die Beziehung 8 mm ≤ M ≤ 12 mm erfüllt.
Die Länge L des Isolatorkopfs 31 entspricht dabei, wie oben beschrieben wurde, dem Abschnitt des Porzellanisolators 3, der vom Fußende (d.h. in 1 dem oberen Ende) der Metallhülle 2 zur Spitze des sich verjüngenden Endes 311 läuft. Die Länge L ist so gewählt, dass sie die Beziehung 22 mm ≤ L ≤ 28 mm erfüllt.
Innerhalb des Mittellochs 32 des Porzellanisolators 3 befinden sich in Fluchtlinie zueinander die Mittelelektrode 4, der Widerstand 12 und eine Anschlusselektrode 11. Der Widerstand 12 liegt, mittels Glasdichtungen 13 abgeschlossen, zwischen der Mittelelektrode 4 und der Anschlusselektrode 11. Die Glasdichtungen 13 sind mit der Innenwand des Porzellanisolators 3 und dem Ende des Widerstands 12 verbunden oder verschmolzen, um den Widerstand 12 innerhalb des Mittellochs 32 an Ort und Stelle zu halten.
Der Widerstand 12 besteht aus einem Material auf Kohlenstoffbasis und wird gebildet, indem das Mittelloch 32 unter Druck mit Kohlenstoffpulver gefüllt wird. Die Glasdichtungen 13 sind jeweils aus einem Kupferglas gebildet, das einem Gemisch aus Glas und Kupfer-(Cu-)Pulver entspricht.
Der Isolatorkopf 13 hat eine glatte Umfangsfläche ohne Sicken. Der Hauptkörper 366 des Isolatorkopfs 13 hat eine Außenumfangsfläche von 400 mm² bis 600 mm².
3 stellt eine mit der Zündkerze 1 und einer Zündspule 63 ausgestattete Zündvorrichtung 6 dar. Die Zündkerze 1 ist in einem Kopf 61 des Verbrennungsmotors eingebaut. Die Zündspule 63 ist in elektrischer Verbindung mit der Zünd kerze 1 in einer Kopfabdeckung 62 eingebaut, die sich oberhalb des Kopfs 61 des Motors befindet.
Die Zündspule 63 ist eine sogenannte Stabspule und hat eine aus hartem Gummi bestehende Spulenmuffe 631. Die Spulenmuffe 631 ist auf den Isolatorkopf 31 der Zündkerze 1 gepasst. Die Kontaktfläche der Spulenmuffe 631 mit dem Isolatorkopf 31 ist gleich der Außenumfangsfläche des oben beschriebenen Hauptkörpers 366. Mit anderen Worten ist die Spulenmuffe 631 so platziert, dass sie sich im Großen und Ganzen mit dem gesamten Umfang des Isolatorkopfs 31 in Kontakt befindet.
Im Kopf 61 und in der Kopfabdeckung 62 sind Kerzenlöcher 611 und 621 ausgebildet, in denen die Zündkerze 1 und die Zündspule 63 angeordnet werden. Im Kopf 61 ist außerdem in Fluchtlinie mit dem Kerzenloch 611, in das der Kopf 21 der Zündkerze 1 eingeschraubt wird, ein Kerzenmontageloch 612 ausgebildet.
Um das Kerzenloch 611 herum sind ein Wassermantel 613 und Ventile 614 des Motors angeordnet.
Die Zündkerze 1 hat wie oben beschrieben ein Widerstandsmoment Z, das am Abschnitt kleinsten Außendurchmessers des Hauptkörpers 366 des Isolatorkopfs 3.1 größer oder gleich 33 mm³ ist, wodurch dem Porzellanisolator 3 ein gewünschter Grad an Festigkeit verliehen wird, insbesondere was die Beständigkeit gegenüber einem äußeren Druck betrifft, der senkrecht zur Länge des Porzellanisolators 3 orientiert ist und ihn biegen will.
Der Isolatorkopf 31 hat am Abschnitt kleinsten Außendurchmessers des Hauptkörpers 366 einen Außendurchmesser D1, der innerhalb eines Bereichs von 7,1 mm bis 8,8 mm liegt, was eine Verkleinerung der Zündkerze 1 erlaubt, ohne die mechanische Festigkeit des Porzellanisolators 3 zu opfern. Und zwar erlaubt ein Außendurchmesser D1 von 8,8 mm oder weniger es, den Gewindedurchmesser der Metallhülle 2 zu verringern, wodurch die Zündkerze 1 verkleinert wird. Ein Außendurchmesser D1 von 7,1 mm oder mehr garantiert, dass das Widerstandsmoment Z innerhalb des obigen Bereichs liegt, sodass die erforderliche mechanische Festigkeit des Porzellanisolators 3 gewährleistet ist.
Der Isolatorkopf 31 hat außerdem am Abschnitt kleinsten Außendurchmessers des Hauptkörpers 366 einen Innendurchmesser D2, der so gewählt ist, dass er in einem Bereich von 2,8 mm oder mehr liegt, was die mechanische Festigkeit von Verbindungsstellen der Mittelelektrode 4, der Anschlusselektrode 11 und des Widerstands 12 mit dem Porzellanisolator 3 gewährleistet. Und zwar garantiert ein Innendurchmesser D2 von 2,8 mm oder mehr die erforderliche Fläche für die Glasdichtungen 13, die mit dem Porzellanisolator 3 zu verschmelzen sind, wodurch sich die gewünschte Festigkeit zum Befestigen der Mittelelektrode 4 im Porzellanisolator 3 ergibt.
Der Abstand H1 zwischen den gegenüberliegenden Seiten des sechseckigen Kopfs 22 liegt, wie oben bei 2 beschrieben wurde, innerhalb eines Bereichs von 11,7 mm bis 14 mm, was es wie oben beschrieben erlaubt, die Zündkerze 1 kompakt zu halten, ohne das Widerstandsmoment Z zu opfern.
Der Gewindedurchmesser M der Metallhülle 2 liegt wie bereits beschrieben innerhalb eines Bereich von 8 mm bis 12 mm, was es ebenfalls erlaubt, die Zündkerze 1 kompakt zu halten, ohne das Widerstandsmoment Z zu opfern.
Die Länge L des Isolatorkopfs 31 liegt wie oben beschrieben in einem Bereich von 22 mm bis 28 mm, wodurch seine mechanische Festigkeit gegenüber einem Druck, der senkrecht zur Länge des Porzellanisolators 3 orientiert ist, und der Isolationswiderstand zwischen der Metallhülle 2 und der Mittelelektrode 4 gewährleistet werden.
Der Hauptkörper 366 des Isolatorkopfs 13 hat wie oben beschrieben eine Außenumfangsfläche von 400 mm² bis 600 mm², wodurch ein gewünschter Passungsgrad mit der Spulenmuffe 631 der Zündspule 63 gewährleistet wird. Insbesondere wird dadurch eine enge Passung zwischen dem Isolatorkopf 31 und der Spulenmuffe 631 erreicht und das Entfernen der Spulenmuffe 631 vom Isolatorkopf 31 erleichtert. Dies garantiert das Isolationsvermögen des Porzellanisolators 3 und minimiert außerdem eine mechanische Beschädigung des Porzellanisolators 3 oder der Spulenmuffe 631.
Die Zündvorrichtung 6 ist, wie in 3 zu erkennen ist, mit der Zündspule 63 ausgestattet, die auf den Isolatorkopf 31 der Zündkerze 1 gepasst wird. Gewöhnlich werden mechanische Schwingungen des Motors auf den Kopf 61 und die Kopfabdeckung 62 übertragen. In einigen Fällen können die auf den Kopf 61 wirkenden Schwingungen gegenüber den auf die Kopfabdeckung 62 wirkenden Schwingungen in Richtung oder Phase versetzt sein, was verursacht, dass die in dem Kopf 61 eingebaute Zündkerze 1 und die in der Kopfabdeckung 62 eingebaute Zündspule 63 in voneinander verschiedenen Richtungen oder Phasen vibrieren, und eine mechanische Spannung nach sich zieht, die auf den Isolatorkopf 31 einwirkt, der als Verbindungsstelle zwischen der Zündkerze 1 und der Zündspule 63 fungiert. Um dieser Spannung widerstehen zu können, ist die Zündkerze 1 so gestaltet, dass sie die oben beschriebenen Abmessungen hat.
Die Zündkerze 1 lässt sich also wie oben beschrieben verkleinern, was es erlaubt, die Einbauräume um die Zündkerze 1 herum, die von Teilen wie dem Wassermantel 613 oder den Ventilen 614 belegt werden, zu vergrößern, wodurch das Leistungsvermögen des Motors gesteigert wird.
4 ist eine Aufsicht, die die Metallhülle 2 der Zündkerze 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt. Die Metallhülle 2 hat einen Kerzeneinbauwerkzeug-Ansatzabschnitt 22, der die gleiche Funktion wie der sechseckige Kopf 22 der Zündkerze 1 des ersten Ausführungsbeispiels in den 1 und 2 hat.
Der Kerzeneinbauwerkzeug-Ansetzabschnitt 22 hat ein Profil, dessen Umriss durch zwei regelmäßige sechseckige Schnitte gleicher Größe definiert ist, die so gelegt sind, dass sie einander überlappen und um die Achse der Metallhülle herum in Umfangsrichtung 30° versetzt sind.
Der Abstand H2 der sich gegenüberliegenden Seiten jedes sich überlappenden sechseckigen Schnitts ist so gewählt, dass er die Beziehung 11,7 mm ≤ H1 ≤ 14 mm erfüllt.
Der übrige Aufbau ist der gleiche wie bei der Zündkerze 1 des ersten Ausführungsbeispiels, weswegen auf eine ausführliche Erläuterung verzichtet wird.
Die 5 und 6 zeigen die Zündkerze 1 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung, die einen Isolatorkopf 31 mit Rippen oder Sicken hat. Die Sicken verlaufen in Umfangsrichtung des Isolatorkopfs 31 und sind jeweils durch einen Boden oder eine Mulde 312 und eine Spitze oder eine Oberseite 313 definiert.
Der Isolatorkopf 31 hat, wie deutlich in 6 gezeigt ist, an den Mulden 312 den gleichen Außendurchmesser D1 wie im ersten Ausführungsbeispiel.
Der Hauptkörper 366 des Isolatorkopfs 31 hat wie im ersten Ausführungsbeispiel eine Außenumfangsfläche, d.h. einen Flächeninhalt der Außenfläche des Isolatorkopfs 31, der mit der Spulenmuffe 631 der Zündvorrichtung 6 von 3 in Kontakt zu bringen ist und in 6 durch eine durchgezogene, fette Linie dargestellt ist, von 400 mm³ bis 600 mm³. Und zwar entspricht die Außenumfangsfläche der Außenfläche des Hauptkörpers 366 innerhalb eines Tiefenbereichs von 0 mm bis 0,1 mm von der Oberseite 313 jeder Sicke aus. Mit anderen Worten entspricht sie der äußeren Fläche eines außerhalb der Metallhülle 2 verlaufenden Abschnitts des Porzellanisolators 3, ausgenommen der äußeren Fläche der sich verjüngenden Abschnitts 311 und einer äußeren Fläche jeder Mulde 312 innerhalb eines Tiefenbereichs von 0,1 mm oder mehr von der Oberseite 313 aus.
Der übrige Aufbau der Zündkerze 1 ist gleich dem des ersten Ausführungsbeispiels, weswegen auf eine ausführliche Erläuterung verzichtet wird.
Bei dem obigen Aufbau der Zündkerze 1 haben die Abschnitte des Isolatorkopfs 31, in denen die Mulden 312 ausgebildet sind, im Vergleich eine geringere mechanische Festigkeit. Um die erforderliche mechanische Festigkeit sicherzustellen, ist der Isolatorkopf 31 so gestaltet, dass der Außendurchmesser D1, der Innendurchmesser D2 und das Widerstandsmoment 2 an den Mulden 312 jeweils die folgenden Beziehungen erfüllen. 7,1 mm ≤ D1 ≤ 8,8 mm D2 ≥ 2,8 mm Z ≥ 33 mm3
Der Isolatorkopf 13 ist wie oben beschrieben so gestaltet, dass er eine Außenumfangsfläche von 400 mm² bis 600 mm² hat, auf die die Spulenmuffe 631 der Zündspule 63 zu passen ist, wodurch der gewünschte Grad des Kontakts mit der Spulenmuffe 631 der Zündspule 63 gewährleistet wird. Und zwar wird dadurch eine enge Passung zwischen dem Isolatorkopf 31 und der Spulenmuffe 631 erreicht und das Entfernen der Spulenmuffe 631 vom Isolatorkopf 31 erleichtert. Dies stellt das Isolationsvermögen des Porzellanisolators 3 sicher und minimiert außerdem die mechanische Beschädigung des Porzellanisolators 3 oder der Spulenmuffe 631.
Die Sicken dienen dazu, die Außenfläche des Porzellanisolators 31 pro Einheitslänge zu erhöhen, was dessen Isolationsvermögen steigert.
Es wurden Versuche durchgeführt, um die Beständigkeit der Zündkerze 1 gegenüber mechanischen Schwingungen zu ermitteln. Dazu wurden die in 3 dargestellte Zündvorrichtung 6 und Zündkerzenmuster verwendet, die mit Ausnahme der Abmessungen D1, D2 und Z den gleichen Aufbau wie die in den 5 und 6 dargestellte Zündkerze 1 des dritten Ausführungsbeispiels hatten.
Und zwar wurden Kerzenmuster angefertigt, die innerhalb eines Bereichs von 7,0 bis 7,6 mm verschiedene Werte für den Außendurchmesser D1, innerhalb eines Bereichs von 2,5 bis 4,5 mm verschiedene Werte für den Innendurchmesser D2 und innerhalb eines Bereichs von 27,9 bis 42,6 mm³ verschiedene Werte für das Widerstandsmoment Z hatten, wobei die Versuche durchgeführt wurden, indem, wie deutlich in 7 dargestellt ist, jedes dieser Kerzenmuster und die Zündspule 63 in die Kerzenlöcher 611 und 621 des Motorkopfs 61 eingebaut wurden, der Motorkopf 61 auf einem Tisch 71 eines Schwingungserregers 7 montiert wurde und der Tisch 71 unter konstanten Bedingungen wie durch den Pfeil A in 7 gezeigt in Horizontalrichtung schwingen gelassen wurde. Die Kopfabdeckung 62 wurde auf die Oberseite des Kopfs 61 geschraubt.
Die Maximalbeschleunigung der Schwingungen, die auf die Verbindungsstelle des Kerzenmusters mit dem Kopf 61 aufgebrachten wurden, wurde auf 50 G eingestellt, was zweimal so hoch wie die Maximalbeschleunigung von 25 G ist, der ein Abschnitt einer Zündkerze unterliegt, die direkt in einem typischen, mit 8400 U/min laufenden 2000 ccm Vierzylinder-Hochleistungsmotor eingebaut ist.
Die Frequenz der auf die Kerzenmuster gegebenen Schwingungen wurde, wie in 8 dargestellt ist, innerhalb eines Bereichs von 0 Hz bis 300 Hz geändert. Und zwar wurde die Schwingungsfrequenz in einem ersten Zeitraum von zehn (10) Minuten von 0 Hz auf 300 Hz erhöht und dann in einem anschließenden Zeitraum von zehn Minuten von 300 Hz auf 0 Hz gesenkt. Dies wurde eine Stunde lang wiederholt.
Nach der Schwingungsprüfung wurden die Kerzenmuster jeweils aus dem Schwingungserreger 7 entfernt und auf Risse im Porzellanisolator 3 überprüft, und es wurde die mechanische Festigkeit der Verbindung der Anschlusselektrode 11 mit dem Porzellanisolator 3 ermittelt. Die unten stehende Tabelle 1 gibt das Vorhandensein von Rissen im Porzellanisolator 3 der Kerzenmuster an. Die Tabelle 2 gibt die Verbindungsfestigkeit der Anschlusselektrode der Kerzenmuster an. In der Tabelle 1 steht "0" für das Fehlen von Rissen im Porzellanisolator 3 und "X" für das Vorhandensein von Rissen im Porzellanisolator 3. Das Widerstandsmoment ergibt sich aus der Beziehung Z = (π/32) × (D1⁴ – D2⁴)/D1. In der Tabelle 2 steht "0" für den Fall, dass die Festigkeit der Verbindung zwischen der Anschlusselektrode 11 und dem Porzellanisolator 3 bei 70% oder mehr des Werts vor dem Versuch blieb. "X" steht für den Fall, dass die Festigkeit der Verbindung zwischen der Anschlusselektrode 11 und dem Porzellanisolator 3 auf weniger als 70% des Werts vor dem Versuch fiel. TABELLE 1
TABELLE 2
Tabelle 1 zeigt, dass bei einem Widerstandsmoment Z von mehr als 33 mm³ und bei einem Innendurchmesser D2 von 4,0 mm oder weniger und einem Außendurchmesser D1 von 7,2 mm oder mehr keine Risse im Porzellanisolator 3 auftraten.
Tabelle 2 zeigt, dass die Verbindungsfestigkeit der Anschlusselektrode 11 aufgrund der darauf aufgebrachten Schwingungen bei einem Innendurchmesser D2 von 2,5 mm sank und dass die Anschlusselektrode 11 bei einem Innendurchmesser D2 von 3,0 mm oder mehr den gewünschten Grad an Verbindungsfestigkeit hatte.
Es wurden außerdem anhand von Kerzenmustern mit verschiedenen, innerhalb eines Bereichs von 2,5 mm bis 3,0 mm gewählten Werten des Innendurchmessers D2 des Isolatorkopfs 31 Haltbarkeitsversuche durchgeführt, um den Verlust an Verbindungsfestigkeit der Anschlusselektrode 11 beurteilen zu können.
Und zwar wurden Kerzenmuster angefertigt, die den gleichen Außendurchmesser D1 von 7,6 mm, aber verschiedene Werte von 2,6 mm, 2,7 mm, 2,8 mm und 2,9 mm für den Außendurchmesser D2 hatten. Der übrige Aufbau der Musterkerzen und die Versuchsbedingungen waren ansonsten die gleichen wie beim oben beschriebenen Versuch.
Die Versuchsergebnisse zeigten, dass die Verbindungsfestigkeit bei einem Innendurchmesser D2 von 2,6 mm und 2,7 mm auf unter 70% der Werte vor dem Versuch fällt und dass die Verbindungsfestigkeit bei Innendurchmessern D2 von 2,8 mm und 2,9 mm bei 70% oder mehr der Werte vor dem Versuch blieb. Es ließ sich also feststellen, dass der Innendurchmesser D2 des Isolatorkopfs 31 vorzugsweise 2,8 mm oder mehr beträgt.
Die vorliegende Erfindung wurde zwar im Hinblick auf bevorzugte Ausführungsbeispiele offenbart, um das Verständnis zu erleichtern, doch versteht sich, dass die Erfindung auf verschiedene anderen Weisen umgesetzt werden kann, ohne vom Erfindungsprinzip abzuweichen. Die Erfindung sollte daher so verstanden werden, dass sie sämtliche Ausführungsbeispiele und Abwandlungen der gezeigten Ausführungsbeispiele umfasst, in die sie umgesetzt werden kann, ohne von dem in den beigefügten Ansprüchen dargelegten Erfindungsprinzip abzuweichen.
Es wird eine Zündkerze zur Verfügung gestellt, die kompakt gestaltet ist, ohne die mechanische Festigkeit eines Porzellanisolators zu opfern. Die Zündkerze hat eine Metallhülle mit einem Fußende und einem Kopfende. Der Porzellanisolator besteht aus einem Hohlzylinder, der einen Körper und einen Isolatorkopf hat. Der Körper wird innerhalb der Metallhülle gehalten. Der Isolatorkopf läuft vom Fußende der Metallhülle aus in Längsrichtung des Porzellanisolators und hat eine Länge, die von einem zum Körper des Porzellanisolators führenden Hauptkörper und einem weit vom Körper weg liegenden Endabschnitt gebildet wird. Der Hauptkörper hat an seinem Abschnitt kleinsten Außendurchmessers einen Außendurchmesser D1, einen Innendurchmesser D2 und ein Widerstandsmoment Z, die die Beziehungen 7,1 mm ≤ D1 ≤ 8,8 mm, D2 ≥ 2,8 mm, und Z ≥ 33 mm³ erfüllen.

Claims

Zündkerze für einen Verbrennungsmotor, mit: einer Metallhülle, die ein Fußende und ein in Längsrichtung der Zündkerze zum Fußende entgegengesetztes Kopfende hat; einem hohlzylinderförmigen Porzellanisolator mit einer Länge, die einen Körper und einen Isolatorkopf umfasst, wobei der Körper innerhalb der Metallhülle gehalten wird und der Isolatorkopf vom Fußende der Metallhülle aus in Längsrichtung des Porzellanisolators läuft und der Porzellanisolator eine im Körper und im Isolatorkopf verlaufende Innenkammer hat; einer Mittelelektrode, die in Fluchtlinie mit der Länge des Porzellanisolators innerhalb der Innenkammer des Porzellanisolators gehalten wird; und einer Masseelektrode, die vom Kopfende der Metallhülle ausgeht, um zwischen sich selbst und der Mittelelektrode eine Funkenstrecke zu definieren, wobei der Isolatorkopf des Porzellanisolators eine Länge hat, die von einem zum Körper des Porzellanisolators führenden Hauptkörper und einem weit vom Körper des Porzellanisolators weg liegenden Endabschnitt gebildet wird und der Hauptkörper an seinem Abschnitt kleinsten Außendurchmessers einen Außendurchmesser D1, einen Innendurchmesser D2 und ein Widerstandsmoment Z hat, die die unten stehenden Bedingungen erfüllen: 7,1 mm ≤ D1 ≤ 8,8 mm D2 ≥ 2,8 mm Z ≥ 33 mm3.
Zündkerze nach Anspruch 1, bei der die Metallhülle mit einem Kerzeneinbauwerkzeug-Aufsetzabschnitt ausgestattet ist, der senkrecht zur Axialrichtung der Metallhülle einen regelmäßigen sechseckigen Querschnitt hat, und bei der der Abstand H1 zwischen zwei sich gegenüberliegenden Seiten des sechseckigen Querschnitts so gewählt ist, dass er die Beziehung 11,7 mm ≤ H1 ≤ 14 mm erfüllt.
Zündkerze nach Anspruch 1, bei der die Metallhülle mit einem Kerzeneinbauwerkzeug-Aufsetzabschnitt ausgestattet ist, der ein Profil hat, dessen Kontur durch zwei regelmäßige sechseckige Schnitte gleicher Größe definiert ist, die so gelegt sind, dass sie einander überlappen und um die Achse der Metallhülle herum in Umfangsrichtung 30° versetzt sind, und bei der der Abstand H2 zwischen zwei sich gegenüberliegenden Seiten jedes sechseckigen Querschnitts so gewählt ist, dass er die Beziehung 11,7 mm ≤ H2 ≤ 14 mm erfüllt.
Zündkerze nach Anspruch 1, bei der die Metallhülle für den Einbau der Zündkerze in einem Verbrennungsmotor ein Gewinde aufweist, das einen Gewindedurchmesser M hat, der die Beziehung 8 mm ≤ M ≤ 12 mm erfüllt.
Zündkerze nach Anspruch 1, bei der der Isolatorkopf des Porzellanisolators eine Länge L hat, die die Beziehung 22 mm ≤ L ≤ 28 mm erfüllt.
Zündkerze nach Anspruch 1, bei der der Hauptkörper des Isolatorkopfs des Porzellanisolators eine glatte Außenumfangsfläche ohne Sicken hat, die eine Fläche in einem Bereich von 400 mm² bis 600 mm² hat.
Zündkerze nach Anspruch 1, bei der der Hauptkörper des Isolatorkopfs des Porzellanisolators auf seiner Außenumfangsfläche mit Sicken ausgebildet ist, wobei die Außenumfangsoberfläche eine Fläche hat, die von der Oberseite jeder Sicke ausgehend einen Tiefenbereich von 0 mm bis 0,1. mm belegt und innerhalb eines Bereichs von 400 mm² bis 600 mm² liegt.
Zündvorrichtung, mit: einer in einem Kopf eines Verbrennungsmotors einzubauenden Zündkerze, die einen Aufbau hat, wie er in einem der Ansprüche 1 bis 7 definiert ist; und einer Zündspule, die im Eingriff mit dem Isolatorkopf der Zündkerze in einer Kopfabdeckung einzubauen ist, die den Kopf des Motors bedeckt.