DE102005043636A1

DE102005043636A1 - Zündkerze mit höherer Haltbarkeit und Beständigkeit gegenüber Kohlenstoffverschmutzung

Info

Publication number: DE102005043636A1
Application number: DE102005043636A
Authority: DE
Inventors: Taiji Kariya Koyama; Keiji Kariya Kanao
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-09-14
Filing date: 2005-09-13
Publication date: 2006-03-30
Also published as: JP2006114476A; US20060055299A1; US7554253B2

Abstract

Es ist eine Zündkerze (1) für einen Verbrennungsmotor, die eine Metallhülle (4), einen Porzellanisolator (2), eine Mittelelektrode (3), eine Hauptmasseelektrode (51) und Nebenmasseelektroden (52) aufweist. Die Nebenmasseelektroden (52) haben jeweils eine Endfläche (520), die so dem Isolator (2) zugewandt ist, dass eine Nebenfunkenstrecke (12) gebildet wird. Die Endfläche (520) weist eine Oberfläche zunehmenden Radialabstands (521) auf, die sich in einem Abstand von einer Längsachse (M) der Zündkerze in Radialrichtung von ihr befindet, der mit Annäherung an die Metallhülle (4) zunimmt. Die Isolatornase hat eine Wanddicke T, die die Beziehung 0,3 mm T 0,7 mm erfüllt. Dies vermeidet einen starken lokalen Anstieg der elektrischen Feldstärke an der Nebenmasseelektrode (52), sodass eine übertriebene Entladung innerhalb der Nebenfunkenstrecke (12) minimiert wird und die Beständigkeit gegenüber Kohlenstoffverschmutzung und die Haltbarkeit der Zündkerze (1) gesteigert werden.

Description

Die Erfindung beansprucht die Prioritäten der am 14. September 2004 eingereichten japanischen Patentanmeldung Nr. 2004-267097 und der am 09. Mai 2005 eingereichten japanischen Patenanmeldung Nr. 2005-136162, deren Offenbarungen hiermit vollständig durch Bezugnahme aufgenommen werden.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Zündkerze für Verbrennungsmotoren mit höherer Haltbarkeit und Beständigkeit gegenüber Kohlenstoffverschmutzung, die in Kraftfahrzeugen, Kraft-Wärme-Kopplungssystemen oder Gasspeisepumpen verwendet werden kann.

Die japanische Patentschrift Nr. 3140006 ( US 6,229,253 B1 ) offenbart eine Mehrfachmasseelektrodenzündkerze für Verbrennungsmotoren. 22 zeigt eine Mehrfachmasseelektrodenzündkerze 9 der gleichen Bauart.

Die Zündkerze 9 weist einen Porzellanisolator 92, eine innerhalb des Porzellanisolators 92 gehaltene Mittelelektrode 93, eine Metallhülle 94, in der der Porzellanisolator 92 mit einem außerhalb der Metallhülle 94 frei liegenden Isolatorkopf 921 gehalten wird, und eine Mittelelektrode 951 auf, die zwischen sich selbst und einer Spitze 931 der Mittelelektrode 93 eine Hauptfunkenstrecke 911 definiert.

Wenn die Verbrennungstemperatur im Motor extrem niedrig ist, sodass die Oberflächentemperatur des Porzellanisolators 92 kaum ansteigt, kann dies im Motor ein Glimmen (engl.: smolder) verursachen, wodurch sich auf dem Porzellanisolator 92 eine Kohlenstoffschicht ablagert, was zu einer Abnahme des Isolationswiderstands zwischen der Mittelelektrode 93 und der Metallhülle 94 führt, die schlimmstenfalls eine Fehlzündung des Motors zur Folge hat.

Um das obige Problem zu vermeiden, weist die Zündkerze 9 außerdem Nebenmasseelektroden 952 auf, die mit der Metallhülle 94 verschweißt sind und über die Isolatornase 921 hinweg der Seitenfläche der Mittelelektrode 93 zugewandt sind, sodass sie Nebenfunkenstrecken 912 bilden. Wenn sich auf dem Porzellanisolator 92 Kohlenstoff abgelagert hat, sodass der Isolationswiderstand zwischen der Mittelelektrode 93 und der Metallhülle 94 abnimmt, werden innerhalb der Nebenfunkenstrecken 912 Funken erzeugt, um die Kohlenstoffablagerung abzubrennen und die Oberfläche des Porzellanisolators 92 zu säubern.

Die Zündkerze 9 ist so gestaltet, dass sie die Entlandung von Funken in der Nebenfunkenstrecke 912 nur dann einleitet, wenn der Motor glimmt, sodass sich auf dem Porzellanisolator 92 eine Kohlenstoffschicht ablagert, und dass sie die Funken zumeist in der Hauptfunkenstrecke entlädt, wodurch eine Furchenbildung (d.h. die Bildung von wie in den 20 und 21 gezeigten Furchen in der Oberfläche des Porzellanisolators 92 durch die Entladung von Funken in der Nebenfunkenstrecke 912) ausgeschlossen und eine wie in 18 dargestellte Abnutzung der Mittelelektrode 93 minimiert wird, um die Antiverschmutzungseigenschaften (d.h. die Beständigkeit gegenüber Kohlenstoffverschmutzung) und die Lebensdauer der Zündkerze 9 zu steigern.

In modernen Verbrennungsmotoren haben jedoch höhere Verdichtungsverhältnisse, Turboladung, Magerverbrennung oder höhere Abgasrückführungsmengen zu einer höheren Strömungsgeschwindigkeit des Gemischs innerhalb der Brennkammern des Motors geführt, was die Häufigkeit von Funken in den Nebenfunkenstrecken 912 erhöht. Dies verursacht, dass auch dann, wenn der Motor nicht glimmt, Funken innerhalb der Nebenfunkenstrecken 912 entlanden werden, was die Furchenbildung und Abnutzung der Mittelelektrode 93 beschleunigt und eine deutliche Verkürzung der Lebensdauer der Zündkerze 9 zur Folge hat.

Die Nebenmasseelektroden 952 rufen jeweils ein starkes elektrisches Feld an der näher an der Metallhülle 94 liegenden Kante 954 der Endfläche 953 hervor, was verursachen kann, dass in der Nebenfunkenstrecke 912 häufig Funken entlanden werden, wenn der Porzellanisolator 92 nicht mit Kohlenstoff verschmutzt ist, wodurch die Furchenbildung und Abnutzung der Mittelelektrode 93 beschleunigt werden.

Die Nebenmasseelektrode 952 kann so geformt sein, dass sie kein starkes elektrisches Feld hervorruft. Dies führt jedoch zu weniger Funken in den Nebenfunkenstrecken 912, wenn der Motor glimmt, was eine schlechtere Beständigkeit der Zündkerze 9 gegenüber Kohlenstoffverschmutzung zur Folge hat.

KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Hauptaufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile des Stands der Technik zu vermeiden.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen verbesserten Aufbau einer Zündkerze für Verbrennungsmotoren zur Verfügung zu stellen, durch den die Beständigkeit gegenüber Kohlenstoffverschmutzung und die Haltbarkeit gesteigert werden.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist eine Zündkerze für einen Verbrennungsmotor vorgesehen, mit: (a) einer Metallhülle, die in Längsrichtung der Zündkerze ein Fußende und ein zum Fußende entgegengesetztes Kopfende hat; (b) einem hohlen Porzellanisolator, der eine einen Körper und eine Isolatornase einschließende Länge hat, wobei der Körper innerhalb der Metallhülle gehalten wird und die Isolatornase von dem Kopfende der Metallhülle vorragt; (c) einer Mittelelektrode, die so innerhalb des Porzellanisolators gehalten wird, dass sie ein von der Isolatornase vorragendes Kopfende hat; (d) einer Hauptmasseelektrode, die zwischen sich selbst und der Mittelelektrode eine Hauptfunkenstrecke definiert; und (e) einer Nebenmasseelektrode mit einem Fußende und einem zum Fußende entgegengesetzten Kopfende. Das Fußende ist mit der Metallhülle verbunden, um zwischen dem Kopfende und einem Umfang des Porzellanisolators eine Nebenfunkenstrecke zu definieren. Das Kopfende hat eine einer Längsachse der Zündkerze zugewandte Endfläche. Die Endfläche der Nebenmasseelektrode weist eine Oberfläche zunehmenden Radialabstands auf, die näher am Fußende der Nebenmasseelektrode eine Fußkante und fern vom Fußende der Nebenmasseelektrode eine Kopfkante hat und die in Radialrichtung der Zündkerze in einem Abstand von der Längsachse der Zündkerze gelegen ist, der von der Kopfkante aus mit Annäherung an die Fußkante zunimmt. Die Isolatornase des Porzellanisolators hat eine Wanddicke T, die die Beziehung 0,3 mm ≤ T ≤ 0,7 mm erfüllt.

Die Oberfläche zunehmenden Radialabstands dient dazu, an der Nebenmasseelektrode eine starke lokale Erhöhung der elektrischen Feldstärke zu vermeiden, damit eine übertriebene Entladung innerhalb der Nebenfunkenstrecke minimiert wird. So wird insbesondere dann, wenn der Motor nicht glimmt, die Entladung von Funken innerhalb der Nebenfunkenstrecke vermieden. Dies minimiert die Furchenbildung oder die Abnutzung der Mittelelektrode.

Eine Wanddicke T der Isolatornase innerhalb eines Bereichs von 0,7 mm oder weniger dient dazu, die Fläche des Porzellanisolators zu minimieren, auf der sich Kohlenstoff ablagern kann, wodurch die Beständigkeit der Zündkerze gegenüber Kohlenstoffverschmutzung gesteigert wird. Und zwar führt die Bildung der Oberfläche zunehmenden Radialabstands zu einer geringeren Häufigkeit von Funken dazwischen, doch dient sie auch dazu, die Anforderung, durch die Funken Kohlenstoffablagerungen abzubrennen, zu erfüllen, wodurch die Beständigkeit gegenüber Kohlenstoffverschmutzung sichergestellt wird.

Die Wanddicke T der Isolatornase beträgt außerdem 0,3 mm oder mehr, wodurch die gewünschte mechanische Festigkeit des Porzellanisolators sichergestellt wird, um einen Bruch oder Risse im Porzellanisolator während seiner Herstellung zu minimieren.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die Oberfläche zunehmenden Radialabstands so gestaltet sein, dass sie sich zu ihrer Kopfkante hin so verjüngt, dass sie in Radiusrichtung und in Längsrichtung der Zünd kerze jeweils eine Breite von 0,3 mm oder mehr hat. Diese Form der Oberfläche zunehmenden Radialabstands minimiert die bei nicht glimmendem Motor innerhalb der Nebenfunkenstrecke entladenen Funken weiter, sodass die Lebensdauer der Zündkerze verlängert wird.

Die Oberfläche zunehmenden Radialabstands kann wahlweise so abgerundet sein, dass sie einen Krümmungsradius von 0,3 mm oder mehr hat. Diese Form der Oberfläche zunehmenden Radialabstands minimiert wie oben die bei nicht glimmendem Motor innerhalb der Nebenfunkenstrecke entladenen Funken weiter, sodass die Lebensdauer der Zündkerze verlängert wird.

Ein Abstand A zwischen dem Kopfende der Metallhülle und dem Kopfende der Mittelelektrode in Längsrichtung der Zündkerze, ein Abstand B zwischen dem Kopfende der Metallhülle und einem Kopfende des Porzellanisolators in Längsrichtung der Zündkerze und ein Abstand C zwischen dem Kopfende der Metallhülle und einem am nächsten an der Längsachse der Zündkerze liegenden Abschnitt der Endfläche der Nebenmasseelektrode sind vorzugsweise so gewählt, dass sie die Beziehungen A – C ≤ 3 mm und –1,0 mm ≤ B – C ≤ 1,5 mm erfüllen. Dies verbessert die Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemischs im Motor durch in der Nebenfunkenstrecke erzeugte Funken.

Gewöhnlich ist die Zündung des Gemischs durch die Funken innerhalb der Nebenfunkenstrecke umso besser, je tiefer sich die Nebenfunkenstrecke in der Brennkammer des Motors befindet. Die Abmessungsbeziehung A – C ≤ 3 mm erlaubt es, die Nebenfunkenstrecke tief innerhalb der Brennkammer des Motors anzuordnen, um die Entzündbarkeit des Gemischs zu verbessern.

Darüber hinaus erlaubt die Abmessungsbeziehung –1,0 mm ≤ B – C ≤ 1,5 mm es, die Nebenmasseelektroden nahe am Kopfende des Porzellanisolators anzuordnen, wodurch das Abbrennen von Kohlenstoffablagerungen am Kopfende erleichtert wird, wo sie während des Betriebs der Zündkerze am meisten stören, was die Beständigkeit der Zündkerze gegenüber Kohlenstoffverschmutzung verbessert.

Die Endfläche der Nebenmasseelektrode kann außerdem eine Oberfläche konstanten Radialabstands aufweisen, die sich parallel zur Längsachse der Zündkerze vom Kopfende der Metallhülle aus weiter weg erstreckt als die Oberfläche zunehmenden Radialabstands. Die Oberfläche konstanten Radialabstands hat die Funktion, die lokale Erhöhung der elektrischen Feldstärke an der Nebenmasseelektrode zu verringern, um eine übertriebene Entladung innerhalb der Nebenfunkenstrecke zu minimieren.

Die Breite D der Oberfläche konstanten Radialabstands in Längsrichtung der Zündkerze kann so gewählt sein, dass sie die Beziehung D ≥ 0,3 mm erfüllt. Dies verbessert die Verschleißbeständigkeit der Nebenmasseelektrode.

Ein Abstand A zwischen dem Kopfende der Metallhülle und dem Kopfende der Mittelelektrode in Längsrichtung der Zündkerze, ein Abstand B zwischen dem Kopfende der Metallhülle und einem Kopfende des Porzellanisolators in Längsrichtung der Zündkerze und ein Abstand E zwischen dem Kopfende der Metallhülle und der Mitte der Oberfläche konstanten Radialabstands der Nebenmasseelektrode in Längsrichtung der Zündkerze sind vorzugsweise so gewählt, dass sie die Beziehungen A – E ≤ 3 mm und –1,0 mm ≤ B – E ≤ 1,5 mm erfüllen. Dies erleichtert die Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemischs im Motor durch in der Nebenfunkenstrecke erzeugte Funken und verbessert die Beständigkeit der Zündkerze gegenüber Kohlenstoffverschmutzung.

Gewöhnlich ist die Zündung des Gemischs durch die Funken innerhalb der Nebenfunkenstrecke umso besser, je tiefer sich die Nebenfunkenstrecke in der Brennkammer des Motors befindet. Die Abmessungsbeziehung A – E ≤ 3 mm erlaubt es, die Nebenfunkenstrecke tief innerhalb der Brennkammer des Motors anzuordnen, um die Entzündbarkeit des Gemisches zu verbessern.

Darüber hinaus erlaubt die Abmessungsbeziehung –1,0 mm ≤ B – E ≤ 1,5 mm es, die Nebenmasseelektroden nahe am Kopfende des Porzellanisolators anzuordnen, wodurch das Abrennen von Kohlenstoffablagerungen am Kopfende erleichtert wird, wo sie während des Betriebs der Zündkerze am meisten stören, was die Beständigkeit der Zündkerze gegenüber der Kohlenstoffverschmutzung verbessert.

Die Hauptfunkenstrecke hat eine Länge X und die Nebenfunkenstrecke eine Länge Y. Die Längen X und Y werden vorzugsweise so gewählt, dass sie die Beziehung X > Y erfüllen. Dies erleichtert die Abgabe von Funken in der Nebenfunkenstrecke, wenn der Motor glimmt.

Die Längen X und Y erfüllen vorzugsweise die Beziehungen X ≤ 0,9 mm und 0,3 mm ≤ Y ≤ X – 0,1 mm. Dies führt zu einer geringeren elektrischen Entladungsspannung in der Hauptfunkenstrecke, sodass die Spannungsfestigkeit des Porzellanisolators und die Beständigkeit der Zündkerze gegenüber Kohlenstoffverschmutzung gesteigert werden.

Die Mittelelektrode und die Masseelektrode können Edelmetallplättchen aufweisen, die einander so gegenüberliegen, dass sie die Hauptfunkenstrecke definieren. Das Edelmetall plättchen der Mittelelektrode hat senkrecht zur Achsenrichtung der Zündkerze eine Querschnittsfläche von 0,07 mm² bis 0,64 mm² und in Achsenrichtung der Zündkerze eine Höhe von 0,3 mm bis 1,5 mm. Das Edelmetallplättchen der Hauptmasseelektrode hat senkrecht zur Achsenrichtung der Zündkerze eine Querschnittsfläche von 0,12 mm² bis 0,80 mm² und in Achsenrichtung der Zündkerze eine Höhe von 0,3 mm bis 1,5 mm. Dies minimiert die Abnutzung der Edelmetallplättchen, sodass die gewünschte Lebensdauer der Zündkerze sichergestellt und die Zündung des Kraftstoffs im Motor verbessert wird.

Die Metallhülle hat ein Gewinde mit einem Gewindedurchmesser von M12 oder weniger. Dies erlaubt es, die Zündkerze mit einer für moderne Verbrennungsmotoren geeigneten Größe herzustellen und den Gestaltungsspielraum bei den Motoren zu erhöhen, wodurch die Größe der Ventile des Motors erhöht oder das Motorkühlsystem mechanisch verbessert werden kann. Ein Gewindedurchmesser von M12 erlaubt es auch, die Biegung der Nebenmasseelektrode zu verringern, wodurch die maschinelle Bearbeitung der Nebenmasseelektrode erleichtert wird. Dies minimiert die Abnutzung der Edelmetallplättchen, sodass die gewünschte Lebensdauer der Zündkerze sichergestellt und die Kraftstoffzündung im Motor verbessert wird.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ein vollständigeres Verständnis der Erfindung ergibt sich anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung, die jedoch nicht als Beschränkung der Erfindung auf bestimmte Ausführungsbeispiele zu verstehen sind, sondern lediglich der Erläuterung und dem Verständnis dienen.
Es zeigen:
1 im Teillängsschnitt einen Kopfabschnitt einer Zündkerze gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 im Teilschnitt eine Zündkerze gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3 im Teillängsschnitt einen Kopfabschnitt einer Nebenmasseelektrode der Zündkerze von 2;
4 eine Draufsicht auf die Zündkerze von 2;
5 im Teillängsschnitt einen Kopfabschnitt einer Zündkerze gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
6 im Teillängsschnitt einen Kopfabschnitt einer Nebenmasseelektrode der Zündkerze von 5;
7 im Teillängsschnitt einen Kopfabschnitt einer Zündkerze gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
8 im Teillängsschnitt einen Kopfabschnitt einer Zündkerze gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
9 im Teillängsschnitt einen Kopfabschnitt einer Nebenmasseelektrode der Zündkerze von 8;
10 im Teillängsschnitt einen Kopfabschnitt einer Nebenmasseelektrode einer Zündkerze gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung;
11 im Teillängsschnitt einen Kopfabschnitt einer Nebenmasseelektrode einer Zündkerze gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
12 im Teillängsschnitt eine abgewandelte Form einer Nebenmasseelektrode der Zündkerze von 11;
13 im Teillängsschnitt einen Kopfabschnitt einer Nebenmasseelektrode einer Zündkerze gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
14 im Teillängsschnitt eine abgewandelte Form einer Nebenmasseelektrode der Zündkerze von 13;
15 grafisch den experimentell ermittelten Zusammenhang zwischen einer Änderung bei der Verbrennung eines Motors und dem Abstand E bei der in 1 dargestellten Zündkerze;
16 grafisch den experimentell ermittelten Zusammenhang zwischen den Abständen X und Y der in 1 dargestellten Zündkerze;
17 grafisch den experimentell ermittelten Zusammenhang zwischen einer maximalen Abnutzungstiefe d1 und Haltbarkeitsstunden bei der in 1 dargestellten Zündkerze und einer herkömmlichen Zündkerze;
18 eine erläuternde Darstellung, die die Abnutzung einer Mittelelektrode eines Zündkerzenprüfmusters zeigt;
19 grafisch einen Vergleich zwischen der Tiefe von Furchen, die in den Mittelelektroden der Zündkerze von 1 und einer herkömmlichen Zündkerze gebildet wurden;
20 in Draufsicht Furchen in einer Mittelelektrode eines Zündkerzenprüfmusters;
21 eine Seitenansicht von 20; und
22 im Teillängsschnitt einen Kopfabschnitt einer herkömmlichen Zündkerze.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN, AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
In den Zeichnungen, in denen sich in den verschiedenen Ansichten gleiche Bezugszahlen auf gleiche Teile beziehen, zeigen die 1 und 2 eine Zündkerze 1 zur Verwendung in Verbrennungsmotoren gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Wie in 2 zu erkennen ist, weist die Zündkerze 1 eine hohlzylinderförmige Metallhülle 4, einen Porzellanisolator 2 und eine Mittelelektrode 3 auf. Am Außenumfang der Metallhülle 4 ist ein Kerzeneinbaugewinde 41 für den Einbau der Zündkerze 1 im Verbrennungsmotor ausgebildet. Der Porzellanisolator 2 wird so in der Metallhülle 4 gehalten, dass aus ihr eine Nase 21 vorragt. Die Mittelelektrode 3 wird in dem Porzellanisolator 2 gehalten und hat eine außerhalb der Nase 21 des Porzellanisolators 2 freiliegende Spitze 31. Die Zündkerze 1 weist außerdem eine Hauptmasseelektrode 51 und Nebenmasseelektroden 52 auf. Die Hauptmasseelektrode 51 ist mit der Metallhülle 4 verschweißt und ist der Spitze 31 der Mittelelektrode 3 zugewandt, sodass sie eine Hauptfunkenstrecke 11 bildet. Die Nebenmasseelektroden 52 sind mit ihren Fußenden mit der Metallhülle 4 verschweißt und definieren jeweils zwischen sich selbst und der Isolatornase 21 Nebenfunkenstrecken 12.
Wie in 1 deutlich dargestellt ist, hat jede der Nebenmasseelektroden 52 eine Endfläche 520, die einer Längsachse M (d.h. der Mittellinie) der Zündkerze 1 (d.h. der Mittelelektrode 3) zugewandt ist. Die Endfläche 520 wird von einer Oberfläche zunehmenden Radialabstands 521 und einer Oberfläche konstanten Radialabstands 522 gebildet. Die Oberfläche zunehmenden Radialabstands 521 ist in einem Abstand von der Längsachse M angeordnet, der mit Annäherung an das Fußende der Nebenmasseelektrode 52 zunimmt. Mit anderen Worten bildet die Oberfläche zunehmenden Radialabstands 521 eine Spitze der Nebenmasseelektrode 52, die sich zur Längsachse M hin verjüngt.
Die Isolatornase 21 hat eine Wanddicke T, die die Beziehung 0,3 mm ≤ T ≤ 0,7 mm erfüllt.
Die Oberflächen zunehmenden Radialabstands 521 haben, wie deutlich in 3 dargestellt ist, jeweils eine Kopfkante und eine Fußkante, die sich in Längsrichtung der Zündkerze 1 in einem Abstand a von 0,3 mm zueinander und in Radialrichtung von der Zündkerze 1 in einem Abstand b von 0,3 mm zueinander befinden.
Die Oberfläche konstanten Radialdurchmessers 522 jeder Nebenmasseelektrode 52 befindet sich in einem konstanten Abstand von der Längsachse M. Mit anderen Worten verläuft die Oberfläche konstanten Radialabstands 522 parallel zur Längsachse M.
Die Oberfläche konstanten Radialabstands 522 hat in Richtung der Längsachse M einen Abstand D (bzw. eine Breite), der die Beziehung D ≥ 0,3 mm erfüllt.
Wenn, wie wiederum in 1 gezeigt ist, der Abstand zwischen dem Kopfende 42 der Metallhülle 4 und dem Spitzen ende 311 der Mittelelektrode 3 in Längsrichtung der Zündkerze 1 als A definiert ist, der Abstand zwischen dem Kopfende 42 und dem Kopfende 211 des Porzellanisolators 2 in Längsrichtung der Zündkerze 1 als B definiert ist und der Abstand zwischen dem Kopfende 42 und der Mitte der Oberfläche konstanten Radialabstands 522 in Längsrichtung der Zündkerze 1 als E definiert ist, sind diese so gewählt, dass sie die Beziehungen A – E ≤ 3 mm und –1,0 mm ≤ B – E ≤ 1,5 mm erfüllen.
Wenn die Größe der Hauptfunkenstrecke 11, d.h. der Abstand zwischen der Spitze 31 der Mittelelektrode 3 und der Hauptmasseelektrode 51, als X definiert ist und der Abstand der Nebenfunkenstrecken 12 als Y definiert ist, erfüllen sie die Beziehung X > Y. Die Abstände X und Y erfüllen außerdem die Beziehungen X ≤ 0,9 mm und 0,3 mm ≤ Y ≤ X – 0,1 mm.
Das Gewinde 41 der Metallhülle 4 hat einen Gewindedurchmesser M12 (d.h. 12 mm) oder weniger.
Die beiden Nebenmasseelektroden 51 sind, wie in den 1 und 4 zu erkennen ist, mit der Metallhülle 4 verschweißt und liegen sich über die Mittelelektrode 3 hinweg genau gegenüber. Die Endfläche 520 jeder Nebenmasseelektrode 52 ist, wie in 4 zu erkennen ist, bogenförmig gekrümmt. Und zwar verläuft die Endfläche 520 in Umfangsrichtung der Zündkerze 1 entlang eines Kreises, der gleichachsig zur Mittelelektrode 3 definiert ist.
Die Metallhülle 4 kann wahlweise auch mit einer oder mit mehr als zwei Nebenmasseelektroden versehen werden. Die Geometrie der Nebenmasseelektroden 52 ist nicht auf die dargestellte Geometrie beschränkt.
Es werden nun die Vorteile der Zündkerze 1 beschrieben.
An des Endfläche 520 der Nebenmasseelektroden 52 sind jeweils wie oben beschrieben die Oberflächen zunehmenden Radialabstands 521 ausgebildet, wodurch eine starke lokale Erhöhung der elektrischen Feldstärke an jeder der Nebenmasseelektroden 52 vermieden wird, was eine übertriebene Entladung innerhalb der Nebenfunkenstrecke minimiert. Und zwar wird die Entladung innerhalb der Nebenfunkenstrecken 12 vermieden, wenn der Motor nicht glimmt. Das minimiert die Furchenbildung oder die Abnutzung der Außenwand der Mittelelektrode 3.
Die Wanddicke T der Nase 21 des Porzellanisolators 2 beträgt 0,7 mm oder weniger, wodurch die Fläche des Porzellanisolators 21 minimiert wird, auf der sich Kohlenstoff ablagern könnte, was die Beständigkeit der Zündkerze 1 gegenüber Kohlenstoffverschmutzung steigert. Und zwar haben die Oberflächen zunehmenden Radialabstands 521 der Nebenfunkenstrecken 12 die Funktion, die Häufigkeit von Funken darin zu verringern, doch werden mit Hilfe der Funken innerhalb der Nebenfunkenstrecken 12 die Kohlenstoffablagerungen dennoch ausreichend abgebrannt, sodass die Beständigkeit gegenüber Kohlenstoffverschmutzung sichergestellt wird.
Die Wanddicke T der Nase 21 des Porzellanisolators 2 beträgt 0,3 mm oder mehr, wodurch die gewünschte mechanische Festigkeit des Porzellanisolators 2 sichergestellt wird, um einen Bruch oder Risse in dem Porzellanisolator 2 während seiner Herstellung zu minimieren.
Jede der Oberfläche zunehmenden Radialabstands 521 ist, wie deutlich in 3 dargestellt ist, durch eine sich verjüngende Oberfläche definiert, die eine Längsbreite a von 0,3 mm und eine Querbreite b von 0,3 mm hat, wodurch Funken in den Nebenfunkenstrecken 12 minimiert werden, wenn der Motor nicht glimmt, was die Furchenbildung oder die Abnutzung der Außenwand der Mittelelektrode 3 vermeidet.
Der Abstand A zwischen dem Kopfende 22 der Metallhülle 4 und dem Spitzenende 311 der Mittelelektrode 3 in der Längsrichtung der Zündkerze 1, der Abstand B zwischen dem Kopfende 42 und dem Kopfende 211 des Porzellanisolators 2 in der Längsrichtung der Zündkerze 1 und der Abstand E zwischen dem Kopfende 42 und der Mitte der Oberfläche konstanten Radialabstands 522 in der Längsrichtung der Zündkerze 1 sind wie oben beschrieben so gewählt, dass sie die Beziehungen A – E ≤ 3 mm und –1,0 mm ≤ B – E ≤ 1,5 mm erfüllen, wodurch die Kraftstoffentzündbarkeit in den Nebenfunkenstrecken 12 sichergestellt und die Beständigkeit der Zündkerze 1 gegenüber Kohlenstoffverschmutzung verbessert wird.
Gewöhnlich ist die Entzündbarkeit des Gemisches durch die Funken innerhalb der Nebenfunkenstrecken 12 umso besser, je tiefer sich die Nebenfunkenstrecken 12 in der Verbrennungskammer des Motors befinden. Die Wahl des Abstands E zwischen dem Kopfende 42 und der Mitte der Oberfläche konstanten Radialabstands 522 innerhalb eines Bereichs von A – E ≤ 3 mm stellt die gewünschte Erstreckung (d.h. Strecke, über die sich die Zündkerze 1 in die Brennkammer erstreckt) der Zündkerze 1 sicher, sodass sich die Nebenfunkenstrecken 12 tief innerhalb der Brennkammer des Motors befinden und die Entzündbarkeit des Kraftstoffs verbessert wird. Die Wahl des Abstands E innerhalb eines Bereichs von –1,0 mm ≤ B – E ≤ 1,5 mm erlaubt es, die Nebenmasseelektrode 52 nahe am Kopfende 211 des Porzellanisolators 2 anzuordnen, wodurch das Abrennen von Kohlenstoffablagerungen am Kopfende 211 erleichtert wird, wo sie im Betrieb der Zündkerze 1 am meisten stören, was die Beständigkeit der Zündkerze 1 gegenüber Kohlenstoffverschmutzung verbessert.
Der Abstand X der Hauptfunkenstrecke 11 und der Abstand Y der Nebenfunkenstrecken 12 sind so gewählt, dass sie die Beziehung X > Y erfüllen, wodurch die Entladung von Funken innerhalb der Nebenfunkenstrecken 12 erleichtert wird, wenn der Motor glimmt, um die Beständigkeit der Zündkerze 1 gegenüber Kohlenstoffverschmutzung zu steigern.
Die Abstände X und Y sind außerdem so gewählt, dass sie die Beziehungen X ≤ 0,9 mm und 0,3 mm ≤ Y ≤ X – 0,1 mm erfüllen, wodurch die elektrische Entladungsspannung in der Hauptfunkenstrecke 11 verringert wird, um so die Spannungsfestigkeit des Porzellanisolators 2 und die Beständigkeit der Zündkerze 1 gegenüber Kohlenstoffverschmutzung zu steigern.
Die Breite D der Oberfläche konstanten Radialabstands 522 in Richtung der Längsachse M ist innerhalb eines Bereichs von D ≥ 0,3 mm gewählt, wodurch die Verschleißbeständigkeit der Nebenmasseelektrode 52 sichergestellt wird.
Der Durchmesser des Gewindes 41 der Metallhülle 4 beträgt M12 (d.h. 12 mm) oder weniger, was es erlaubt, die Zündkerze 1 mit einer für Verbrennungsmotoren geeigneten Größe herzustellen. Dies erhöht den Gestaltungsspielraum bei Verbrennungsmotoren, wodurch die Ventilgröße des Motors erhöht und das Motorkühlsystem mechanisch verbessert werden kann.
Die 5 und 6 zeigen die Zündkerze 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei der die Oberflächen zunehmenden Radialabstands 521 jeweils durch eine gekrümmte Ecke der Endfläche 520 definiert sind, die näher am Kopfende 42 der Metallhülle 4 liegt und einen Krümmungsradius R von 0,3 mm oder mehr hat.
Der übrige Aufbau ist der gleiche wie beim ersten Ausführungsbeispiel, weswegen auf eine ausführliche Erläuterung verzichtet wird.
Der Aufbau der Zündkerze 1 dieses Ausführungsbeispiels hat wie das erste Ausführungsbeispiel die Funktion, in den Nebenfunkenstrecken 12 Funken zu vermeiden, wenn der Motor nicht glimmt, wodurch die Furchenbildung oder die Abnutzung der Außenwand der Mittelelektrode 3 minimiert wird.
7 zeigt die Zündkerze 1 für Verbrennungsmotoren gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei der Edelmetallplättchen 35 und 55 so mit der Mittelelektrode 3 und der Hauptmasseelektrode 51 verschweißt sind, dass sie die Hauptfunkenstrecke 11 bilden.
Das mit der Mittelelektrode 3 verschweißte Edelmetallplättchen 35 hat senkrecht zu deren Achse (d.h. zur Längsachse M der Mittelelektrode 3) eine Querschnittsfläche von 0,07 mm² bis 0,64 mm² und in deren Achsenrichtung (d.h. in Längsrichtung der Mittelelektrode 3) eine Höhe h1 von 0,3 mm bis 1,5 mm. Das mit der Hauptmasseelektrode 51 verbundene Edelmetallplättchen 55 hat senkrecht zu deren Achse eine Querschnittsfläche von 0,12 mm² bis 0,80 mm² und in deren Achsenrichtung eine Höhe h2 von 0,3 mm bis 1,5 mm.
Das Edelmetallplättchen 35 definiert die Spitze 31 der Mittelelektrode 3. Die Hauptfunkensstrecke 11 ist zwischen den Edelmetallplättchen 35 und 55 ausgebildet und hat den im ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen Abstand X.
Das Edelmetallplättchen 35 besteht aus einem Material, das als Hauptbestandteil 50 Gew.-% oder mehr Ir und mindestens einen Zusatzstoff enthält und das einen Schmelzpunkt von 2000°C oder mehr hat. Der Zusatzstoff wird aus Pt, Rh, Ni, W, Pd, Ru, Re, Al, Al₂O₃, Y und Y₂O₃ gewählt.
Das Edelmetallplättchen 55 besteht aus einem Material, das als Hauptbestandteil 50 Gew.-% oder mehr Pt und mindestens einen Zusatzstoff enthält und das einen Schmelzpunkt von 1500°C oder mehr hat. Der Zusatzstoff wird aus Pt, Rh, Ni, W, Pd, Ru, Re, Al, Al₂O₃, Y und Y₂O₃ gewählt.
Der übrige Aufbau ist der gleiche wie beim ersten Ausführungsbeispiel, weswegen auf eine ausführliche Erläuterung verzichtet wird.
Die 8 und 9 zeigen die Zündkerze 1 gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Oberflächen zunehmenden Radialabstands 521 jeweils die gesamten Endflächen 520 der Nebenmasseelektroden 52 belegen.
Und zwar verjüngt sich jede der Endflächen 520 so zu ihrer Kopfkante hin, dass sie die jeweilige Oberfläche zunehmenden Radialabstands 521 bildet. Die Oberflächen zunehmenden Radialabstands 521 weisen, wie deutlich in 9 dargestellt ist, jeweils die Kopfkante und die Fußkante auf, die sich in Längsrichtung der Zündkerze 1 in einem Abstand a von 0,3 mm zueinander und in Radialrichtung der Zündkerze 1 in einem Abstand b von 0,3 mm befinden.
Der Abstand A zwischen dem Kopfende 42 der Metallhülle 4 und dem Spitzenende 311 der Mittelelektrode 3 in Längsrichtung der Zündkerze 1, der Abstand B zwischen dem Kopfende 42 und dem Kopfende 211 des Porzellanisolators 2 in Längsrichtung der Zündkerze 1 und der Abstand C zwischen dem Kopfende 42 der Metallhülle 4 und einem Abschnitt (d.h. der Kopfkante) der Endfläche 520 jeder Nebenmasseelektrode 52, der am nächsten an der Längsachse M liegt, sind so gewählt, dass sie die Beziehungen A – C ≤ 3 mm und –1,0 mm ≤ B – C ≤ 1,5 mm erfüllen. Dies stellt die Kraftstoffentzündbarkeit in den Nebenfunkenstrecken 12 sicher und verbessert die Beständigkeit der Zündkerze 1 gegenüber Kohlenstoffverschmutzung.
Der übrige Aufbau ist der gleiche wie beim ersten Ausführungsbeispiel, weswegen auf eine ausführliche Erläuterung verzichtet wird.
10 stellt die Nebenmasseelektroden 52 (aus Darstellungsgründen ist nur eine gezeigt) der Zündkerze 1 gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung dar, bei der die Oberflächen zunehmenden Radialabstands 521 jeweils gekrümmt sind und die gesamte Endfläche 520 der jeweiligen Nebenmasseelektrode 52 belegen.
Die Oberflächen zunehmenden Radialabstands 521 haben jeweils einen Krümmungsradius R von 0,3 mm oder mehr.
Der übrige Aufbau ist der gleiche wie beim ersten Ausführungsbeispiel, weswegen auf eine ausführliche Erläuterung verzichtet wird.
Der Aufbau der Zündkerze 1 dieses Ausführungsbeispiels hat wie beim ersten Ausführungsbeispiel die Funktion, in den Nebenfunkenstrecken 12 Funken zu vermeiden, wenn der Motor nicht glimmt, wodurch die Furchenbildung oder die Abnutzung der Außenwand der Mittelelektrode 3 minimiert wird.
11 erstellt die Nebenmasseelektroden 52 (aus Darstellungsgründen ist nur eine gezeigt) der Zündkerze 1 gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung dar, bei der die Endfläche 520 der Nebenmasseelektrode 52 eine aufrechte Oberfläche 524 enthält, die näher am Kopfende der Metallhülle 4 eine abgekantete Ecke 523 (d.h. die Fußkante) definiert.
Und zwar wird die Endfläche 520 von der Oberfläche zunehmenden Radialabstands 521, der Oberfläche konstanten Radialabstands 522 und der aufrechten Oberfläche 524 gebildet. Die aufrechte Oberfläche 524 geht von einer äußeren Kante der Oberfläche zunehmenden Radialabstands 521 aus und kann parallel zur Längsachse M der Zündkerze 1 orientiert sein. Die Oberfläche zunehmenden Radialabstands 521 ist wie beim ersten Ausführungsbeispiel flach. Der übrige Aufbau ist der gleiche wie beim ersten Ausführungsbeispiel, weswegen auf ausführliche Erläuterungen verzichtet wird.
12 zeigt eine Abwandlung der Nebenmasseelektrode 52 von 11, bei der die Oberfläche zunehmenden Radialabstands 521 jeder Nebenmasseelektrode 52 wie beim zweiten Ausführungsbeispiel der 5 und 6 mit dem gleichen Krümmungsradius gekrümmt ist. Der übrige Aufbau ist der gleiche wie beim sechsten Ausführungsbeispiel, weswegen auf ausführliche Erläuterungen verzichtet wird.
Die in den 11 und 12 dargestellte Breite d1 der Oberfläche zunehmenden Radialabstands 521 jeder Nebenmasseelektrode 52 senkrecht zur Länge der Zündkerze 1 (d.h. der Abstand oder Zwischenraum zwischen der Oberfläche konstanten Radialabstands 522 und der Ecke 523 in Radialrichtung der Zündkerze 1) ist so gewählt, dass sie 0,5 mm oder mehr beträgt. Dies vermeidet einen lokalen Anstieg der elektrischen Feldstärke an der Ecke 523, wodurch die Furchenbildung oder die Abnutzung der Außenwand der Mittelelektrode 3 minimiert wird.
13 stellt die Nebenmasseelektroden 52 (aus Darstellungsgründen ist nur eine gezeigt) der Zündkerze 1 gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung dar, die einer Kombination der in den 9 und 11 dargestellten Elektroden entspricht.
Und zwar wird die Endfläche 520 von der sich verjüngenden Oberfläche zunehmenden Radialabstands 521 und der aufrechten Oberfläche 524 gebildet, die die abgekantete Ecke 523 hat. Die aufrechte Oberfläche 524 geht von einer äußeren Kante der Oberfläche zunehmenden Radialabstands 521 aus und kann parallel zur Längsachse M der Zündkerze 1 orientiert sein. Die Oberfläche zunehmenden Radialabstands 521 ist wie beim vierten Ausführungsbeispiel der 8 und 9 flach.
14 zeigt die Nebenmasseelektrode 52 von 13, bei der die Oberfläche zunehmenden Radialabstands 521 jeder Nebenmasseelektrode 52 wie im fünften Ausführungsbeispiel von 10 mit einem Krümmungsradius R gekrümmt ist.
Die in den 13 und 14 dargestellte Breite d2 der Oberfläche zunehmenden Radialabstands 521 jeder Nebenmasseelektrode 52 senkrecht zur Länge der Zündkerze 1 (d.h. der Abstand oder Zwischenraum zwischen der Innenkante der Oberfläche zunehmenden Radialabstands 521 und der Ecke 523 in Radialrichtung der Zündkerze 1) ist so gewählt, dass sie 0,5 mm oder mehr beträgt. Dies vermeidet einen lokalen Anstieg der elektrischen Feldstärke an der Ecke 523, wodurch die Furchenbildung oder die Abnutzung der Außenwand der Mittelelektrode 3 minimiert wird.
EXPERIMENT 1
Es wurden Versuche durchgeführt, um im Hinblick auf die Dicke T der Nase 21 des Porzellanisolators 2 die Beständigkeit der Zündkerze 1 gegenüber Kohlenstoffverschmutzung zu ermitteln.
Es wurden Kerzenmuster angefertigt, die insoweit den gleichen Aufbau wie die Zündkerze 1 von 1 hatten, als die Nebenmasseelektroden 52 die Oberflächen zunehmenden Radialabstands 521 hatten, und die verschiedene Werte von 0,5 mm, 0,7 mm, 0,9 mm und 1,0 mm für die Wanddicke T der Isolatornase 21 hatten. Es wurden außerdem Vergleichskerzenmuster angefertigt, die insoweit den gleichen Aufbau wie die in 22 dargestellte herkömmliche Zündkerze 9 hatten, als die Nebenmasseelektroden 952 keine Oberflächen zunehmenden Radialabstands hatten, und bei denen die Wanddicke T der Isolatornase 921 1,0 mm betrug.
Die Muster hatten jeweils die oben beschriebenen Abmessungen X = 1, 0 mm, Y = 0, 5 mm, A = 4, 5 mm, B = 3, 0 mm, E = 2,8 mm, D = 0,80 mm. Die Oberfläche zunehmenden Radialabstands 521 war C-förmig und hatte Breiten a und b von jeweils 0,3 mm. Allerdings betrug die Breite D der Endfläche 953 jeder Nebenmasseelektrode 952 bei jedem Vergleichskerzenmuster 1,1 mm und betrug der Abstand E zwischen dem Kopfende 942 der Metallhülle 94 und der Mitte der Endfläche 953 der Nebenmasseelektrode 952 3,0 mm.
Die Versuche erfolgten unter Verwendung eines Direkteinspritzungsmotors in Übereinstimmung mit dem Niedrigtemperatur-Glimmverschmutzungsversuchsabläufen, wie sie in JIS (japanischer Industriestandard) D 1606 definiert sind (Anpassungsfähigkeitsversuchsschlüssel für Zündkerzen von Kraftfahrzeugen). Die Beurteilung jedes Musters erfolgte im Hinblick auf das Erscheinungsbild der Isolatornase 21 (d.h. das Ausmaß, um das Kohlenstoffablagerungen von der Isolatornase 21 beseitigt wurden), den Isolationswiderstand zwischen der Mittelelektrode 3 und der Metallhülle 4 und dem Fahrverhalten (z.B. den Verbrennungsbedingungen des Motors).
Die Beurteilungsergebnisse sind unten in Tabelle 1 angegeben.
Tabelle 1
In Tabelle 1 steht „O" für die Kerzenmuster, die bei einem der Beurteilungsparameter besser als die Vergleichsmuster waren. „Δ" steht für Kerzenmuster, die im Großen und Ganzen gleich den Vergleichsmustern waren. „X" steht für Kerzenmuster, die nicht besser als die Vergleichsmuster waren.
Die Tabelle 1 gibt an, dass die Kerzenmuster bei einer Wanddicke T von 0,7 mm oder weniger bei sämtlichen Beurteilungsparametern besser als die Vergleichskerzenmuster waren und eine höhere Beständigkeit gegenüber Kohlenstoffverschmutzung hatten. Als T = 1,0 mm oder 0,9 mm betrug, kam es wohl aufgrund der Bildung der Oberfläche zunehmenden Radialabstands 521 zu größeren Schwierigkeiten bei der Erzeugung von Funken innerhalb der Nebenfunkenstrecken 12, sodass die Kerzenmuster keine bessere Beständigkeit gegenüber Kohlenstoffverschmutzung als die Vergleichskerzenmuster hatten. Bei T ≤ 0,7 mm wird daher also verglichen mit den Vergleichskerzenmustern die Beständigkeit gegenüber Kohlenstoffverschmutzung gesteigert.
EXPERIMENT 2
Es wurden außerdem Versuche durchgeführt, um im Hinblick auf den Zusammenhang zwischen dem Abstand A zwischen dem Kopfende 42 der Metallhülle 4 und dem Spitzenende 311 der Mittelelektrode 3 und dem Abstand E zwischen dem Kopfende 42 und der Mitte der Oberfläche konstanten Radialabstands 522 jeder Nebenmasseelektrode 52 die Kraftstoffentzündbarkeit im Motor durch innerhalb der Nebenfunkenstrecken 12 erzeugte Funken zu ermitteln.
Es wurden Kerzenmuster angefertigt, die den gleichen Aufbau wie die Zündkerze 1 von 1 hatten und bei denen A = 4,5 mm und B = E = 3,0 mm, 2,0 mm, 1,5 mm und 1,0 mm betrugen. Der übrige Aufbau war der gleiche wie bei den im obigen ersten Experiment verwendeten Kerzenmustern.
Die Versuche erfolgten in Übereinstimmung mit dem Niedrigtemperatur-Glimmverschmutzungsversuchsabläufen, wie sie in JIS D 1606 festgelegt sind. Mit Hilfe eines Oszilloskops wurde bei jedem Muster die Spannungswellenform der Funkenentladungen untersucht, wobei die Funkenentladungen in diejenigen unterteilt wurden, die von der Hauptfunkenstrecke 11 und die von den Nebenfunkenstrecken 12 erzeugt wurden. Außerdem wurde die Änderung der Verbrennung in dem Motor gemessen, in dem die Kerzenmuster jeweils eingebaut waren. Die Messergebnisse sind in 15 eingetragen.
In 15 steht „O" für die Änderung der Verbrennung als Folge von Funkenentladungen in der Hauptfunkenstrecke 11. „Δ" steht für die Änderung der Verbrennung als Folge von Funkenentladungen in den Nebenfunkenstrecken 12. Die Änderung der Verbrennung wird durch (Standardabweichung/mittlerer Effektivdruck) × 100 ausgedrückt.
Die Grafik von 15 zeigt, dass die Änderungen der Verbrennung als Folge von Funkenentladungen in der Hauptfunkenstrecke 11 und den Nebenfunkenstrecken 12 im Großen und Ganzen die gleichen sind, wenn der Abstand E 1,5 mm oder mehr beträgt, d.h. wenn A – E ≤ 3 mm ist, und die Zündkerzen die gleiche Kraftstoffentzündbarkeit ergeben.
EXPERIMENT 3
Es wurden Versuche durchgeführt, um im Hinblick auf den Zusammenhang zwischen dem Abstand B zwischen dem Kopfende 42 der Metallhülle 4 und dem Kopfende 211 des Porzellanisolators 2 und dem Abstand E zwischen dem Kopfende 42 und der Mitte der Oberfläche konstanten Radialabstands 522 jeder Nebenmasseelektrode 52 die Beständigkeit der Zündkerze 1 gegenüber Kohlenstoffverschmutzung zu ermitteln.
Es wurden Kerzenmuster angefertigt, die den gleichen Aufbau wie die Zündkerze von 1 hatten und die jeweils die gleichen Werte von 4,5 mm für den Abstand A, von 3,0 mm für den Abstand B und verschiedene Werte von 4,5 mm, 4,0 mm, 3,0 mm, 1,5 mm und 1,0 mm für den Abstand E hatten. Die übrigen Abmessungen waren die gleichen wie bei den im obigen ersten Experiment verwendeten Prüfmustern.
Die Versuche erfolgten in Übereinstimmung mit den oben beschriebenen Niedrigtemperatur-Glimmverschmutzungsversuchsabläufen, wie sie in der JIS D 1606 festgelegt sind, wobei dann das Erscheinungsbild der Isolatornase 21 (d.h. das Ausmaß, um das die Kohlenstoffablagerungen von der Isolatornase 21 beseitigt wurden) und der Isolations widerstand zwischen der Mittelelektrode 3 und der Metallhülle 4 verglichen mit den gleichen Vergleichsmustern wie beim obigen ersten Experiment ermittelt wurden.
Die Beurteilungsergebnisse sind unten in der Tabelle 2 angegeben.
Tabelle 2
In Tabelle 1 steht „O" für Kerzenmuster, die bei einem der Beurteilungsparameter besser als die Vergleichsmuster waren. „Δ" steht für Kerzenmuster, die im Gossen und Ganzen gleich den Vergleichsmustern waren. „X" steht für Kerzenmuster, die nicht besser als die Vergleichsmuster waren.
Die Tabelle 2 gibt an, dass die Kerzenmuster bei einem Abstand E von 1,5 mm bis 4,0 mm eine bessere Beständigkeit gegenüber Kohlenstoffverschmutzung als die Vergleichskerzenmuster hatten, dass die Kerzenmuster also den gewünschten Grad an Beständigkeit gegenüber Kohlenstoffverschmutzung sicherstellen, wenn die Beziehung –1,0 mm ≤ B – E ≤ 1,5 mm erfüllt ist.
EXPERIMENT 4
Es wurden außerdem Versuche durchgeführt, um im Hinblick auf den Zusammenhang zwischen dem Abstand X der Hauptfunkenstrecke 11 und dem Abstand Y der Nebenfunkenstrecke 12 den Prozentanteil an Funken zu messen, die zu den Nebenfunkenstrecken 12 der Zündkerze 1 in 1 wandern und sie durchfliegen, wenn der Motor glimmt.
Bei den Versuchen wurde der Motor zyklisch mit 1200 U/min bei Vollgas und bei weggenommenem Gas betrieben, um den Motor bewusst bei einem Isolationswiderstand von 10 MΩ glimmen zu lassen, wobei der Glimmzustand des Motors untersucht wurde. Danach wurde der Motor bei 800 U/min laufen gelassen und auf die gleiche Weise wie beim obigen zweiten Experiment die Häufigkeit von Funken in der Hauptfunkenstrecke 11 und die Häufigkeit von Funken in den Nebenfunkenstrecken 12 gemessen. Die Messergebnisse sind in 16 angegeben.
In 16 steht „O" für Kerzenmuster, bei denen 80% oder mehr Funken zu den Nebenfunkenstrecken 12 wanderten und sie durchflogen. „Δ" steht für Kerzenmuster, bei denen 50% bis 80% der Funken zu den Nebenfunkenstrecken 12 wanderten und sie durchflogen. „X" steht für Kerzenmuster, bei denen weniger als 50% der Funken zu den Nebenfunkenstrecken 12 wanderten und sie durchflogen.
Die Grafik von 16 zeigt, dass bei Y ≤ X – 0,1 mm innerhalb der Nebenfunkenstrecken 12 mit dem gewünschten Prozentanteil eine Funkenfolge fliegt und dass Y ≤ X – 0,2 mm zu einer erhöhten Wahrscheinlichkeit an zu den Nebenfunkenstrecken 12 fliegenden Funken führt.
EXPERIMENT 5
Es wurden außerdem Versuche durchgeführt, um die Abnutzung der Außenfläche der Mittelelektrode 3 und die Furchenbildung zu untersuchen.
Es wurden zwei Arten Zündmuster angefertigt, und zwar eine mit dem gleichen Aufbau wie die Zündkerze 1 von 1 und die andere mit dem gleichen Aufbau wie die in 22 dargestellte herkömmliche Zündkerze 9. Die Kerzenmuster hatten die unten in Tabelle 3 angegebenen Abmessungen.
Tabelle 3
17 stellt grafisch die Beurteilungsergebnisse der Abnutzung der Außenfläche der Mittelelektroden 3 und 93 der Kerzenmuster dar. 18 veranschaulicht die Abnutzung der Kerzenmuster, die den gleichen Aufbau wie in 1 hatten.
Die Versuche erfolgten mit Hilfe eines mit einem Verdichter ausgestatteten 2500 ccm Sechszylindermotors mit hoher Strömungsgeschwindigkeit. Der Motor wurde unter Vollgas bei 5600 U/min laufen gelassen, um Bedingungen zu erzeugen, die die Entladung von Funken in den Nebenfunkenstrecken 12 und 912 erleichterten, wobei 180 Stunden lang alle 30 Stunden die in 18 dargestellte maximale Abnutzungstiefe d1 gemessen wurde. Die maximale Abnutzungstiefe d1 entspricht der maximalen Tiefe einer Abnutzungseintiefung der Mittelelektroden 3 und 93.
In 17 gibt die durch die Eintragungen „Δ" gehende Kurve c0 die Abnutzungstiefe der herkömmlichen Kerzenmuster an. Die durch die Eintragungen „☐" gehende Kurve c1 gibt die Abnutzungstiefe der Kerzenmuster an, die den gleichen Aufbau wie in 1 hatten.
Die Grafik von 17 zeigt, dass die Zündkerze 1 eine sehr geringe Abnutzungstiefe d1 hat.
19 stellt grafisch die Beurteilungsergebnisse der an den Porzellanisolatoren 2 und 92 der Zündkerzen 1 und 9 auftretenden Furchenbildung dar.
Und zwar wurden mit Hilfe eines mit einem Verdichter ausgestatteten 2500 ccm Sechszylindermotors mit hoher Strömungsgeschwindigkeit Versuche durchgeführt. Der Motor wurde bei 3600 U/min und 80% Drossel laufen gelassen, um die Bildung von wie in den 20 und 21 dargestellten Furchen 29 einzuleiten, wobei nach 400 Stunden die maximale Tiefe d2 der Furchen 29 gemessen wurde.
Wie in 21 deutlich gezeigt ist, entspricht die maximale Tiefe d2 der Furchen 29 dem maximalen Abstand zwischen dem Kopfende 211 der Isolatornase 21 und dem Boden der Furchen 29.
Die Grafik von 19 zeigt, dass die Zündkerze 1 eine sehr geringe Tiefe d2 der Furchen 29 hatte.
Die gleichen Versuche wie oben wurden auch mit Kerzenmustern durchgeführt, die den gleichen Aufbau wie das in den 5 und 6 dargestellte Ausführungsbeispiel hatten, bei denen die Oberfläche zunehmenden Radialabstands 521 jeder Nebenmasseelektrode 52 abgerundet ist, wobei im Großen und Ganzen die gleichen Ergebnisse erzielt wurden. Die in diesem Experiment verwendeten Kerzenmuster hatten einen Krümmungsradius R der Oberflächen zunehmenden Radial abstands 521 von 0,3 mm und eine Breite D der Oberflächen konstanten Radialabstands 522 von 0,08 mm.
Die Erfindung wurde zwar anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen offenbart, um das Verständnis zu erleichtern, doch versteht sich, dass die Erfindung auf verschiedene andere Weisen umgesetzt werden kann, ohne vom Erfindungsprinzip abzuweichen. Die Erfindung sollte daher so verstanden werden, dass sie sämtliche mögliche Ausführungsbeispiele und Abwandlungen der gezeigten Ausführungsbeispiele umfasst, in die sie umgesetzt werden kann, ohne von dem in den beigefügten Ansprüchen angegebenem Erfindungsprinzip abzuweichen.
Es ist eine Zündkerze für einen Verbrennungsmotor vorgesehen, die eine Metallhülle, einen Porzellanisolator, eine Mittelelektrode, eine Hauptmasseelektrode und Nebenmasseelektroden aufweist. Die Nebenmasseelektroden haben jeweils eine Endfläche, die so dem Isolator zugewandt ist, dass ein Nebenfunkenstrecke gebildet wird. Die Endfläche weist eine Oberfläche zunehmenden Radialabstands auf, die sich in einem Abstand von einer Längsachse der Zündkerze in Radialrichtung von ihr befindet, der mit Annäherung an die Metallhülle zunimmt. Die Isolatornase hat eine Wanddicke T, die die Beziehung 0,3 mm ≤ T ≤ 0,7 mm erfüllt. Dies vermeidet einen starken lokalen Anstieg der elektrischen Feldstärke an der Nebenmasseelektrode, sodass eine übertriebene Entladung innerhalb der Nebenfunkenstrecke minimiert wird und die Beständigkeit gegenüber Kohlenstoffverschmutzung und die Haltbarkeit der Zündkerze gesteigert werden.

Claims

Zündkerze für einen Verbrennungsmotor, mit: einer Metallhülle, die in Längsrichtung der Zündkerze ein Fußende und ein zum Fußende entgegengesetztes Kopfende hat; einem hohlen Porzellanisolator, der eine einen Körper und eine Isolatornase einschließende Länge hat, wobei der Körper innerhalb der Metallhülle gehalten wird und die Isolatornase von dem Kopfende der Metallhülle vorragt; einer Mittelelektrode, die so innerhalb des Porzellanisolators gehalten wird, dass sie ein von der Isolatornase vorragendes Kopfende hat; einer Hauptmasseelektrode, die zwischen sich selbst und der Mittelelektrode eine Hauptfunkenstrecke definiert; und einer Nebenmasseelektrode mit einem Fußende und einem zum Fußende entgegengesetzten Kopfende, wobei das Fußende mit der Metallhülle verbunden ist, um zwischen dem Kopfende und einem Umfang des Porzellanisolators eine Nebenfunkenstrecke zu definieren, und das Kopfende eine einer Längsachse der Zündkerze zugewandte Endfläche hat, wobei die Endfläche der Nebenmasseelektrode eine Oberfläche zunehmenden Radialabstands aufweist, die näher am Fußende der Nebenmasseelektrode eine Fußkante und fern vom Fußende der Nebenmasseelektrode eine Kopfkante hat und die in Radialrichtung der Zündkerze in einem Abstand von der Längsachse der Zündkerze gelegen ist, der von der Kopfkante aus mit Annäherung an die Fußkante zunimmt, und wobei die Isolatornase des Porzellanisolators eine Wanddicke T hat, die die Beziehung 0,3 mm ≤ T ≤ 0,7 mm erfüllt.
Zündkerze nach Anspruch 1, bei der sich die Oberfläche zunehmenden Radialabstands zu ihrer Kopfkante hin so verjüngt, dass sie in Radiusrichtung und in Längsrichtung der Zündkerze jeweils eine Breite von 0,3 mm oder mehr hat.
Zündkerze nach Anspruch 1, bei der die Oberfläche zunehmenden Radialabstands so abgerundet ist, dass sie einen Krümmungsradius von 0,3 mm oder mehr hat.
Zündkerze nach Anspruch 1, bei der ein Abstand A zwischen dem Kopfende der Metallhülle und dem Kopfende der Mittelelektrode in Längsrichtung der Zündkerze, ein Abstand B zwischen dem Kopfende der Metallhülle und einem Kopfende des Porzellanisolators in Längsrichtung der Zündkerze und ein Abstand C zwischen dem Kopfende der Metallhülle und einem am nächsten an der Längsachse der Zündkerze liegenden Abschnitt der Endfläche der Nebenmasseelektrode so gewählt sind, dass sie die Beziehungen A – C ≤ 3 mm und –1,0 mm ≤ B – C ≤ 1,5 mm erfüllen.
Zündkerze nach Anspruch 1, bei der die Endfläche der Nebenmasseelektrode außerdem eine Oberfläche konstanten Radialabstands aufweist, die sich parallel zur Längsachse der Zündkerze vom Kopfende der Metallhülle aus weiter weg erstreckt als die Oberfläche zunehmenden Radialabstands.
Zündkerze nach Anspruch 5, bei der die Breite D der Oberfläche konstanten Radialabstands in Längsrichtung der Zündkerze so gewählt ist, dass sie die Beziehung D ≥ 0,3 mm erfüllt.
Zündkerze nach Anspruch 5, bei der ein Abstand A zwischen dem Kopfende der Metallhülle und dem Kopfende der Mittelelektrode in Längsrichtung der Zündkerze, ein Abstand B zwischen dem Kopfende der Metallhülle und einem Kopfende des Porzellanisolators in Längsrichtung der Zündkerze und ein Abstand E zwischen dem Kopfende der Metallhülle und der Mitte der Oberfläche konstanten Radialabstands der Nebenmasseelektrode in Längsrichtung der Zündkerze so gewählt sind, dass sie die Beziehungen A – E ≤ 3 mm und –1,0 mm ≤ B – E ≤ 1,5 mm erfüllen.
Zündkerze nach Anspruch 4, bei der die Hauptfunkenstrecke eine Länge X und die Nebenfunkenstrecke eine Länge Y hat und die Längen X und Y die Beziehung X > Y erfüllen.
Zündkerze nach Anspruch 7, bei der die Hauptfunkenstrecke eine Länge X und die Nebenfunkenstrecke eine Länge Y hat und die Längen X und Y die Beziehung X > Y erfüllen.
Zündkerze nach Anspruch 8, bei der die Längen X und Y die Beziehungen X ≤ 0,9 mm und 0,3 mm ≤ Y ≤ X – 0,1 mm erfüllen.
Zündkerze nach Anspruch 9, bei der die Längen X und Y die Beziehungen X ≤ 0,9 mm und 0,3 mm ≤ Y ≤ X – 0,1 mm erfüllen.
Zündkerze nach Anspruch 1, bei der die Mittelelektrode und die Masseelektrode Edelmetallplättchen aufweisen, die einander so gegenüberliegen, dass sie die Hauptfunkenstrecke definieren, das Edelmetallplättchen der Mittelelektrode senkrecht zur Achsenrichtung der Zündkerze eine Querschnittsfläche von 0,07 mm² bis 0,64 mm² und in Achsenrichtung der Zündkerze eine Höhe von 0,3 mm bis 1,5 mm hat und das Edelmetallplättchen der Hauptmasseelektrode senkrecht zur Achsenrichtung der Zündkerze eine Querschnittsfläche von 0,12 mm² bis 0,80 mm² und in Achsenrichtung der Zündkerze eine Höhe von 0,3 mm bis 1,5 mm hat.
Zündkerze nach Anspruch 1, bei der die Metallhülle ein an ihrem Außenrand ausgebildetes Gewinde mit einem Gewindedurchmesser von M12 oder weniger hat.