DE102006000152A1

DE102006000152A1 - Zündkerze mit niedriger Entladungsspannung und starker Selbstreinigungsfähigkeit

Info

Publication number: DE102006000152A1
Application number: DE102006000152A
Authority: DE
Inventors: Shinichi Nishio Okabe; Ken Kariya Hanashi
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 2005-04-01
Filing date: 2006-03-31
Publication date: 2006-10-05
Anticipated expiration: 2026-04-01
Also published as: FR2894397A1; FR2894397B1; JP2006286468A; US7541724B2; US20060220512A1; JP4426494B2; DE102006000152B4

Abstract

Eine Zündkerze gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine Metallhülle, einen in der Metallhülle gehaltenen Isolator, eine Mittelelektrode, die in dem Isolator gesichert ist, und eine Masseelektrode auf. Die Mittelelektrode weist ein Basiselement und ein dünnes Element auf, das dünner als das Basiselement ist. Die Masseelektrode weist ein Basiselement, das mit der Metallhülle fixiert ist, und ein Vorsprungelement auf, das von dem Basiselement vorsteht und das eine Endwand mit einem inneren und einem äußeren Rand hat. Wenn der Isolator sauber ist, können Funken zwischen dem dünnen Element und dem inneren Rand entladen werden. Wenn der Isolator mit Kohlenstoff verschmutzt ist, können Funken zwischen dem Basiselement und dem äußeren Rand entladen werden, um den Isolator selbst zu reinigen. DOLLAR A Abmessungsparameter und Beziehungen werden bei der Zündkerze so vorgegeben, dass die Zündkerze Funkenentladungen mit einer niedrigen Entladungsspannung induzieren kann, während ihre hervorragende Selbstreinigungsfähigkeit sichergestellt wird.

Description

BEZUGNAHME AUF ZUGEHÖRIGE ANMELDUNG
Diese Anmeldung basiert auf der japanischen Patentanmeldung Nr. 2005-106428, die am 1. April 2005 eingereicht wurde, und beansprucht deren Priorität, deren Inhalt unter Bezugnahme in dieser Anmeldung aufgenommen ist.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. Technischer Bereich der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Zündkerzen zur Verwendung bei Brennkraftmaschinen von Automobilen und Heizkraftsystemen.
Genauer gesagt betrifft die Erfindung eine Zündkerze für eine Brennkraftmaschine, die Funkenentladungen mit einer niedrigen Entladungsspannung induzieren kann und die eine hervorragende Selbstreinigungsfähigkeit hat.

2. Beschreibung des zugehörigen Stands der Technik

19 zeigt eine herkömmliche Zündkerze 9 für eine Brennkraftmaschine eines Automobils oder eines Heizkraftsystems. Wie in der Figur gezeigt ist, weist die Zündkerze 9 einen Isolator 92, eine Mittelelektrode 93, eine Metallhülle 94 und eine Masseelektrode 95 auf. Die Masseelektrode 93 ist in dem Isolator 92 gesichert. Der Isolator 92 wird in der Metallhülle 94 so gehalten, dass ein Ende 921 von diesem von der Metallhülle 94 vorsteht. Die Masseelektrode 95 ist an der Metallhülle 94 fixiert und weist zu der Mittelelektrode 93 über einen Funkenspalt 94 in die Längsrichtung Z – Z der Zündkerze 9.

Unter normalen Bedingungen der Zündkerze 9 können Funken über den Funkenspalt 91 durch Anlegen einer Entladungsspannung (insbesondere derjenigen Spannung, die zum Induzieren von Funkenentladungen erforderlich ist) zwischen der Mittelelektrode und der Masseelektrode 93 und 95 entladen werden.

Wenn jedoch die Fläche des Isolators 92 mit Kohlenstoff verschmutzt ist, der elektrisch leitfähig ist, wird der Isolationswiderstand zwischen der Mittel- und der Masseelektrode 93 und 95 verringert, was es schwierig macht, dass die Zündkerze 9 Funkenentladungen über den Funkenspalt 91 induziert.

Demgemäß ist es wünschenswert, dass die Zündkerze 9 eine Selbstreinigungsfähigkeit hat, um die Fläche des Isolators 92 durch Abbrennen des Kohlenstoffs hat, der sich an der Fläche abgelagert hat.

Die Zündkerze 9 mit einer solchen Selbstreinigungsfähigkeit zu versehen, ist gemäß einem in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2004-6250 offenbarten Ansatz die Mittelelektrode 93 so aufgebaut, dass sie ein Basiselement 931 und ein dünnes Element 932 aufweist. Das Basiselement 931 ist in einer Mittelbohrung 923 des Isolators 92 gepasst und hat ein Ende 933, das innerhalb der Mittelbohrung 923 in der Nähe des Endes 921 des Isolators 92 positioniert ist. Das dünne Element 932 ist dünner als das Basiselement 931 und mit dem Ende 933 des Basiselements 931 verbunden.

Wenn mit einem solchen Aufbau die Fläche des Isolators 92 sauber ist, können Funkenentladungen A zwischen dem dünnen Element 932 der Mittelelektrode 93 und einem Vorsprungelement 952 der Masseelektrode 95 induziert werden. Wenn andererseits die Fläche des Isolators 92 mit Kohlenstoff verschmutzt ist, können Funkenentladungen B zwischen dem Basiselement 931 der Mittelelektrode 93 und dem Vorsprungelement 952 der Masseelektrode 95 induziert werden. Die Funkenentladungen B treten durch die Innenfläche 924 des Isolators 92, die die Zentralbohrung 923 definiert, um dadurch den Kohlenstoff abzubrennen, der sich an der Innenfläche 924 abgelagert hat. Folglich kann die Zündkerze 9 selbst gereinigt werden.

Jedoch gibt es bei dem vorstehend angegebenen Aufbau einen Widerspruch zwischen der Verbesserung der Selbstreinigungsfähigkeit und der Verringerung der Entladungsspannung der Zündkerze 9.

Genauer gesagt wurden in den vergangenen Jahren Direkteinspritzmotoren und Verbrennungsmotoren mit hohen Verdichtungsverhältnissen entwickelt, um die Anforderungen zur Verbesserung der Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu erfüllen.

Bei Direkteinspritzverbrennungsmotoren ist es schwierig, dass der Kraftstoff aufgrund seiner direkten Einspritzung in die Brennkammern verdampft. Als Folge ist es dann, wenn die Zündkerze 9 bei einem Direkteinspritzverbrennungsmotor verwendet wird, einfach, dass sich Kohlenstoff an der Fläche des Isolators 92 ablagert. Demgemäß ist es erforderlich, dass die Zündkerze 9 eine gute Selbstreinigungsfähigkeit hat.

Um die vorstehend angegebene Anforderung zu erfüllen, ist es unter Bezugnahme auf 20 notwendig, dass ein Endrand 953 des Vorsprungelements 952 der Masseelektrode 95 so nah an der Innenfläche 924 des Isolators 92 wie möglich angeordnet wird. Jedoch verursacht diese Anordnung gleichzeitig, dass sich der Endrand 953 an einem Endrand 934 des dünnen Elements 932 der Mittelelektrode 93 wegbewegt, was die Entladungsspannung der Zündkerze 9 erhöht.

Wenn andererseits die Zündkerze 9 bei einem Verbrennungsmotor mit hohem Verdichtungsverhältnis verwendet wird, ist es einfach, dass die Entladungsspannung der Zündkerze 9 aufgrund des hohen Verdichtungsdrucks erhöht wird. Die Erhöhung der Entladungsspannung der Zündkerze 9 kann einen dielektrischen Durchschlag des Isolators 92 verursachen. Demgemäß ist es erforderlich, die Entladungsspannung der Zündkerze 9 zu verringern.

Um die vorstehend angegebene Verringerungsanforderung zu erfüllen, ist es unter Bezugnahme auf 21 notwendig, dass der Endrand 953 des Vorsprungelements 952 der Masseelektrode 95 so nah an dem Endrand 934 des dünnen Elements 932 der Mittelelektrode 93 wie möglich angeordnet wird. Jedoch kann diese Anordnung gleichzeitig verursachen, dass sich der Endrand 953 von der inneren Fläche 924 des Isolators 92 wegbewegt, wobei sich dadurch die Selbstreinigungsfähigkeit der Zündkerze 9 verringert.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick der vorstehend erwähnten Umstände gemacht.

Es ist daher eine primäre Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Zündkerze für eine Brennkraftmaschine zu schaffen, die einen verbesserten Aufbau hat, der ermöglicht, dass die Zündkerze Funkenentladungen mit einer geringen Entladungsspannung induziert, während sie eine hervorragende Selbstreinigungsfähigkeit der Zündkerze sicherstellt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine Zündkerze für eine Brennkraftmaschine eine Metallhülle, einen Isolator, eine Mittelelektrode und eine Masseelektrode auf.

Der Isolator wird in der Metallhülle gehalten. Der Isolator hat ein Ende, das von der Metallhülle vorsteht, und eine Bohrung, die sich in die Längsrichtung des Isolators erstreckt und an dem Ende des Isolators öffnet, um einen inneren Rand des Isolators auszubilden.

Die Mittelelektrode weist ein Basiselement und ein dünnes Element auf. Das Basiselement ist in der Bohrung des Isolators gepasst und hat ein Ende, das innerhalb der Bohrung des Isolators positioniert ist. Das dünne Element ist dünner als das Basiselement und mit dem Ende des Basiselements verbunden. Das dünne Element hat eine Achse und einen Endrand, der um einen vorgegebenen Abstand von dem Ende des Basiselements in die axiale Richtung des dünnen Elements entfernt liegt.

Die Masseelektrode weist ein Basiselement, das an der Metallhülle fixiert ist, und ein Vorsprungelement, das mit dem Basiselement verbunden ist. Das Vorsprungelement steht von der Fläche des Basiselements vor und hat eine Endwand, die zu dem dünnen Element der Mittelelektrode über einen Funkenspalt weist. Die Endwand des Vorsprungelements hat einen inneren und einen äußeren Rand. Der innere Rand ist näher an der Achse des dünnen Elements der Mittelelektrode als der äußere Rand positioniert.

Bei der Zündkerze werden die folgenden Abmessungsbeziehungen angegeben
0,7 × R3 ≤ R1,
0,5 × R4 ≤ R2 ≤ 1,2 × R4,
L ≤ G1 ≤ 1,2 × L,
G1 < G2 + H, und
G2/G1 ≤ 1,5,
wobei R1 der Abstand zwischen der Achse des dünnen Elements der Mittelelektrode und dem inneren Rand des Vorsprungelements der Masseelektrode in die radiale Richtung des dünnen Elements ist,
R2 der Abstand zwischen der Achse des dünnen Elements der Mittelelektrode und dem äußeren Rand des Vorsprungelements der Masseelektrode in die radiale Richtung des dünnen Elements ist,
R3 ein Radius des dünnen Elements der Mittelelektrode ist,
R4 ein Radius der Bohrung des Isolators ist,
G1 der minimale Abstand zwischen den Endrand des dünnen Elements der Mittelelektrode und dem inneren Rand des Vorsprungelements der Masseelektrode ist,
G2 der minimale Abstand zwischen dem inneren Rand des Isolators und dem äußeren Rand des Vorsprungelements der Masseelektrode ist,
L der Abstand zwischen dem dünnen Element der Mittelelektrode und dem Vorsprungelement der Masseelektrode in die axiale Richtung des dünnen Elements ist, und
H der Abstand zwischen dem Ende des Basiselements der Mittelelektrode und dem Ende des Isolators in die axiale Richtung des dünnen Elements der Mittelelektrode ist.

Mit dem vorstehend angegebenen Aufbau ist es möglich, den inneren Rand des Vorsprungelements der Masseelektrode nah an dem Endrand des dünnen Elements der Mittelelektrode anzuordnen, während der äußere Rand des Vorsprungelements der Masseelektrode nah an dem inneren Rand des Isolators angeordnet wird.

Folglich wird es einfach, dass die Zündkerze, wenn die Fläche des Isolators sauber ist, zwischen dem inneren Rand des Vorsprungelements der Masseelektrode und dem Endrand des dünnen Elements der Mittelelektrode Funken entlädt. Darüber hinaus ist es ebenso einfach, dass die Zündkerze, wenn die Fläche des Isolators mit Kohlenstoff verschmutzt ist, zwischen dem äußeren Rand des Vorsprungelements der Masseelektrode und dem Basiselement der Mittelelektrode über die innere Fläche des Isolators Funken entlädt, die den Bohrungsisolator definiert.

Ferner wird es durch Angeben der Abmessungsbeziehungen von 0,7 × R3 ≤ R1 und L ≤ G1 ≤ 1,2 × L möglich, den inneren Rand des Vorsprungelements der Masseelektrode ausreichend nah an dem Endrand des dünnen Elements der Mittelelektrode anzuordnen, um dadurch zu ermöglichen, dass die Zündkerze Funken mit einer ausreichend niedrigen Entladungsspannung entlädt.

Darüber hinaus wird es durch Angeben der Abmessungsbeziehung von 0,5 × R4 ≤ R2 ≤ 1,2 × R4 möglich, den äußeren Rand des Vorsprungelements der Masseelektrode ausreichend nah an dem inneren Rand des Isolators anzuordnen, um dadurch zu ermöglichen, dass die Zündkerze die Fläche des Isolators zuverlässig selbst reinigt, wenn sie mit Kohlenstoff verschmutzt ist.

Ferner wird es durch Angeben der Abmessungsbeziehungen von G1 < G2 + H und G2/G1 ≤ 1,5 möglich, dass die Zündkerze Funken zuverlässig entlädt, wenn die Fläche des Isolators sauber ist, nämlich mit einer niedrigen Entladungsspannung zwischen dem dünnen Element und der Mittelelektrode und dem Vorsprungelement der Masseelektrode, während Funkenentladungen zwischen dem Basiselement der Mittelelektrode und dem Vorsprungelement der Masseelektrode verhindert werden.

Als Folge kann die Zündkerze gemäß der Erfindung Funkenentladungen mit einer ausreichend niedrigen Entladungsspannung induzieren, während sie eine hervorragende Selbstreinigungsfähigkeit sicherstellt.

Vorzugsweise nimmt bei der Zündkerze gemäß der Erfindung das Vorsprungelement der Masseelektrode einen Winkelbereich von zumindest 120 ° um die Achse des dünnen Elements der Mittelelektrode ein.

Es ist vorzuziehen, dass bei der Zündkerze gemäß der Erfindung 0,7 × R3 ≤ R2 und 0,5 × R4 ≤ R1 ≤ 1,2 × R4 gilt.

Vorzugsweise hat bei der Zündkerze gemäß der Erfindung das Vorsprungelement der Masseelektrode eine rohrförmige Gestalt, um den inneren Rand an dem inneren Umfang der Wand des Vorsprungelements und dem äußeren Rand an dem äußeren Umfang des selben auszubilden.

Bei der Zündkerze gemäß der Erfindung kann die Masseelektrode ferner zumindest ein Vorsprungelement mit einer Endwand aufweist, die zu dem dünnen Element der Mittelelektrode durch den Funkenspalt weist und einen äußeren Rand und einen inneren Rand hat, der näher an der Achse des dünnen Elements der Mittelelektrode als der äußere Rand positioniert ist.

Es ist vorzuziehen, dass bei der Zündkerze gemäß der Erfindung G2/G1 ≤ 1,3 gilt.

Es ist ebenso vorzuziehen, dass bei der Zündkerze gemäß der Erfindung 0,5 × H ≤ (R4 – R3) gilt.

Es ist ebenso vorzuziehen, dass bei der Zündkerze gemäß der Erfindung 0,1 mm ≤ (R2 – R1) ≤ 0,5 mm gilt.

Vorzugsweise steht bei der Zündkerze gemäß der Erfindung das Vorsprungelement der Masseelektrode zumindest 0,3 mm von der Fläche des Basiselements der Masseelektrode vor.

Bei der Zündkerze gemäß der Erfindung kann das Basiselement der Mittelelektrode einen Endabschnitt haben, der dicker als das dünne Element der Mittelelektrode ist und dünner als die Bohrung des Isolators ist und das Ende des Basiselements aufweist, mit dem das dünne Element verbunden ist.

Vorzugsweise besteht bei der Zündkerze gemäß der Erfindung das dünne Element der Mittelelektrode aus einem Edelmetall, hat eine senkrecht zu seiner Achse liegende Querschnittsfläche in einem Bereich von 0,07 bis 1,13 mm² und steht 0,3 bis 1,5 mm von dem Ende des Basiselements der Mittelelektrode vor.

Es ist vorzuziehen, dass das vorstehend genannte Edelmetall eine Ir-basierte Legierung ist, die Ir mit einem Anteil von nicht weniger als 50 Gew.-% und zumindest einen Zusatz enthält und einen Schmelzpunkt von nicht weniger als 2000 °C hat.

Ferner wird der vorstehend genannte Zusatz vorzugsweise aus Pt, Rh, Ni, W, Pd, Ru, Re, Al, Al₂O₃, Y und Y₂O₃ ausgewählt.

Vorzugsweise besteht bei der Zündkerze gemäß der Erfindung das Vorsprungelement der Masseelektrode aus einer Pt-basierten Legierung, die Pt mit einem Anteil von nicht weniger als 50 Gew.-% und zumindest einen Zusatz enthält, und hat einen Schmelzpunkt von nicht weniger als 1500 °C.

Ferner ist der vorstehend genannte Zusatz, der in Pt-basierten Legierung enthalten ist, vorzugsweise aus Ir, Rh, Ni, W, Pd, Ru und Re ausgewählt.

Vorzugsweise steht bei der Zündkerze gemäß der Erfindung das dünne Element der Mittelelektrode von dem Ende des Isolators vor.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird vollständiger aus der im folgenden angegebenen genauen Beschreibung und aus den beigefügten Zeichnungen der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung verstanden, die jedoch nicht zum Beschränken der Erfindung auf die spezifischen Ausführungsbeispiele herangezogen werden sollten, sondern die lediglich den Zweck der Erklärung und des Verständnisses dienen.
In den Zeichnungen sind:
1 eine Teilquerschnittsseitenansicht, die einen Endabschnitt einer Zündkerze gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
2 eine Querschnittsansicht eines Masseelektrodenvorsprungelements der Zündkerze von 1;
3 eine Teilquerschnittsseitenansicht, die Abmessungsparameter bei der Zündkerze von 1 darstellt;
4 eine schematische Ansicht, die zwei unterschiedliche erwünschte Funkenentladungen darstellt, die bei der Zündkerze von 1 ausgeführt werden;
5 eine schematische Ansicht, die eine unerwünschte Funkenentladung darstellt, die bei der Zündkerze von 1 durchgeführt wird;
6 eine Teilquerschnittsseitenansicht, die einen Endabschnitt einer Zündkerze gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt;
7 eine Querschnittsansicht eines Masseelektrodenvorsprungelements einer Zündkerze gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
8 eine Querschnittsansicht eines Masseelektrodenvorsprungelements einer Zündkerze gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
9A1-9D2 Querschnittsansichten, die verschiedenartige Formen darstellen, die ein Masseelektrodenvorsprungelement einer Zündkerze gemäß der Erfindung annehmen kann;
10 eine Teilquerschnittsseitenansicht, die einen Endabschnitt einer Zündkerze gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
11 eine Querschnittsansicht von Masseelektrodenvorsprungelementen der Zündkerze von 10;
12 eine Teilquerschnittsseitenansicht, die Abmessungsparameter bei der Zündkerze von 10 darstellt;
13 eine Teilquerschnittsseitenansicht, die einen Endabschnitt einer Zündkerze gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
14A eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen dem Abmessungsparameter R1 und dem Entladungsspannungsverringerungsverhältnis Vr bei der Zündkerze von 1 zeigt;
14B eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen den Abmessungsparametern R1 und G1 bei der Zündkerze von 1 zeigt;
15 eine Teilquerschnittsseitenansicht, die einen Endabschnitt einer Probezündkerze zeigt, die bei dem Experiment 4 der Erfindung getestet wurde;
16 eine graphische Darstellung, wie die Beziehung zwischen den Parametern R2 und dem Flächenfunkenvergrößerungsverhältnis Ni bei der Zündkerze von 1 zeigt;
17 eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen dem Parameter G2/G1 und dem Isolationswiderstand bei der Zündkerze von 1 zeigt;
18 eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen dem Winkelbereich α und dem Isolationswiderstand bei der Zündkerze von 7 zeigt;
19 eine Teilquerschnittsseitenansicht, die einen Endabschnitt einer herkömmlichen Zündkerze zeigt; und
20 und 21 Teilquerschnittsseitenansichten, die einen Widerspruch zwischen der Verbesserung der Selbstreinigungsfähigkeit und einer Verringerung der Entladungsspannung der herkömmlichen Zündkerze von 19 zeigen.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
Die bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die 1–18 beschrieben.
Es ist anzumerken, dass für die Klarheit und das Verständnis identische Bauteile mit identischen Funktionen in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen der Erfindung möglichst mit den gleichen Bezugszeichen in jeder der Figuren bezeichnet wurde.
1 zeigt einen Gesamtaufbau einer Zündkerze 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die Zündkerze 1 ist zur Verwendung bei einer Brennkraftmaschine für ein Automobil oder ein Heizkraftsystem ausgelegt. Genauer gesagt ist die Zündkerze 1 zum Zünden eines Luftkraftstoffgemischs innerhalb einer Brennkammer des Verbrennungsmotors ausgelegt.
Wie in 1 gezeigt ist, weist die Zündkerze 1 eine rohrförmige Metallhülle 2, einen Isolator 3, eine Mittelelektrode 4 und eine Masseelektrode 5 auf.
Die rohrförmige Metallhülle 2 hat einen Außengewindeabschnitt 21 an ihrem äußeren Umfang, über den die Zündkerze 1 in der Brennkammer des Verbrennungsmotors eingebaut wird. Die Metallhülle 2 besteht aus einem leitfähigen Metallwerkstoff, wie z. B. einem Niedrigkohlenstoffstahl.
Der Isolator 3 wird in der Metallhülle 2 so gehalten, dass ein Ende 31 von diesem von der Metallhülle 2 vorsteht. Der Isolator 3 hat eine Mittelbohrung 32, die sich in die axiale Richtung des Isolators 3 erstreckt und an dem Ende 31 öffnet, um einen inneren Rand 321 des Isolators 3 auszubilden. Der Isolator 3 besteht aus einem keramischen Werkstoff, wie z. B. aus Aluminiumoxid (Al₂O₃).
Die Mittelelektrode 4 ist in Mittelbohrung 32 des Isolators 3 gesichert, so dass sie elektrisch von der Metallhülle 2 isoliert ist. Die Mittelelektrode 4 weist ein Basiselement 41 und ein dünnes Element 42 auf.
Das Basiselement 41 ist in der Mittelbohrung 32 des Isolators 3 gepasst und hat ein Ende 43, das innerhalb der Mittelbohrung 32 in der Nähe des Endes 31 des Isolators 3 positioniert ist.
Das Basiselement 41 kann aus einem höchst wärmeleitfähigen Metallwerkstoff bestehen, wie z. B. Cu als Kernwerkstoff, und einem höchst wärmebeständigen, korrosionsbeständigen Metallwerkstoff, wie z. B. einer Ni-basierten Legierung als Mantelwerkstoff.
Das dünne Element 42 ist dünner als das Basiselement 41 und hat eine zylindrische Gestalt. Das dünne Element 42 ist mit dem Ende 43 des Basiselements 41 beispielsweise durch Laserschweißen verbunden. Das dünne Element 42 steht von dem Ende 31 des Isolators 3 vor, so dass ein Endrand 421 des dünnen Elements 42 außerhalb der Mittelbohrung 32 des Isolators 3 positioniert ist.
Das dünne Element 42 besteht vorzugsweise aus einer Ir-basierten Legierung, die Ir mit einem Anteil von nicht weniger als 50 Gew.-% und zumindest einem Zusatz aufweist, und einen Schmelzpunkt von nicht niedriger als 2000 °C hat. Der Zusatz wird vorzugsweise aus Pt, Rh, Ni, W, Pd, Ru, Re, Al, Al₂O₃, Y und Y₂O₃ ausgewählt.
Die Masseelektrode 5 weist ein Basiselement 51 und ein Vorsprungelement 52 auf.
Das Basiselement 51 ist L-förmig und beispielsweise aus einer Ni-basierten Legierung hergestellt. Das Basiselement 51 hat einen Basisendabschnitt 51a, der mit der Metallhülle 2 fixiert ist, und einen spitzen Endabschnitt 51b, der mit dem dünnen Element 42 der Mittelelektrode 4 in die axiale Richtung des dünnen Elements 42 ausgerichtet ist.
Das Vorsprungelement 52 ist mit dem spitzen Endabschnitt 51b des Basiselements 51 beispielsweise durch Laserschweißen verbunden, so dass das Vorsprungelement 52 zu dem dünnen Element 42 der Mittelelektrode 4 über einen Funkenspalt G in die axiale Richtung des dünnen Elements 42 weist.
Unter weiterer Bezugnahme auf 2 ist das Vorsprungelement 52 als zylindrisches Rohr gestaltet und hat eine ringförmige Endwand 520, die zu dem dünnen Element 42 der Mittelelektrode 4 weist. Das Vorsprungelement 52 hat demgemäß einen kreisförmigen inneren Rand 521, der an dem inneren Umfang der ringförmigen Endwand 520 ausgebildet ist, und einen kreisförmigen äußeren Rand 522, der an dem äußeren Umfang des selben ausgebildet ist.
Das Vorsprungelement 52 ist mit Bezug auf das dünne Element 42 der Mittelelektrode 4 so positioniert, dass die Achse (nicht gezeigt) des Vorsprungelements 52 mit der Achse M des dünnen Elements 42 übereinstimmt. Demgemäß nimmt das Vorsprungelement 52 einen Winkelbereich von 360 ° um die Achse M des dünnen Elements 42 ein und liegt der innere Rand 521 näher an der Achse M als der äußere Rand 522.
Das Vorsprungelement 52 besteht vorzugsweise aus einer Pt-basierten Legierung, die Pt mit einem Anteil von nicht weniger als 50 Gew.-% und zumindest einem Zusatz enthält, und hat eine Schmelzpunkt von nicht weniger als 1500 °C. Der Zusatz wird vorzugsweise aus Ir, Rh, Ni, W, Pd, Ru und Re ausgewählt.
Nach der Beschreibung des Gesamtaufbaus der Zündkerze 1 werden die Abmessungsbeziehungen, die für die Leistungsfähigkeit der Zündkerze 1 kritisch sind, im Folgenden unter Bezugnahme auf 3 beschrieben.
Bei der Zündkerze 1 werden die folgenden Abmessungsbeziehungen erfüllt:
0,7 × R3 ≤ R1, und
0,5 × R4 ≤ R2 ≤ 1,2 × R4,
wobei R1 der Abstand von der Achse M des dünnen Elements 42 der Mittelelektrode 4 zu dem inneren Rand 521 des Vorsprungelements 52 der Masseelektrode 5 in die radiale Richtung des dünnen Elements 42 ist, R2 der Abstand von der Achse M zu dem äußeren Rand 522 des Vorsprungelements 52 in die radiale Richtung ist, R3 der Radius des dünnen Elements 42 ist und R4 der Radius der Mittelbohrung 32 des Isolators 3 an dem Ende 31 des Isolators 3 ist.
Bei der Zündkerze 1 werden die folgenden Abmessungsbeziehungen ebenso erfüllt:
L ≤ G1 ≤ 1,2 × L,
G1 < G2 + H, und
G2/G1 ≤ 1,5,
wobei G1 der minimale Abstand zwischen dem Endrand 421 des dünnen Elements 42 der Mittelelektrode 4 und dem inneren Rand 52 des Vorsprungelements 52 der Masseelektrode 5 ist, G2 der minimale Abstand zwischen dem inneren Rand 321 des Isolators 3 und dem äußeren Rand 522 des Vorsprungelements 52 ist, L der Abstand zwischen dem dünnen Element 42 der Mittelelektrode 4 und dem Vorsprungelement 52 der Masseelektrode 5 in die axiale Richtung des dünnen Elements 42 ist und H der Abstand zwischen dem Ende 43 des Basiselements 41 der Mittelelektrode 4 und dem Ende 31 des Isolators 3 in die axiale Richtung des dünnen Elements 42 ist.
Ferner werden bei der Zündkerze 1 die folgenden Abmessungsbeziehungen vorzugsweise erfüllt:
0,7 × R3 ≤ R2;
0,5 × R4 ≤ R1 ≤ 1,2 × R4;
G2/G1 ≤ 1,3;
0,5 × H ≤ (R4 – R3) und
0,1 mm ≤ (R2 – R1) ≤ 0, 5 mm.
Ferner steht bei der Zündkerze 1 das Vorsprungelement 52 der Masseelektrode 5 zumindest 0,3 mm von der Fläche des Spitzenendabschnitts 51b des Basiselements 51 vor.
Bei der Zündkerze 1 hat das dünne Elements 42 der Mittelelektrode 4 eine Querschnittsfläche, die senkrecht zu der Achse M von dieser ist, in einem Bereich von 0,07 bis 1,13 mm² und eine Vorsprunghöhe K, die den Abstand zwischen dem Endrand 421 des dünnen Elements 42 und dem Ende 43 des Basiselements 41 der Mittelelektrode 4 in die axiale Richtung des dünnen Elements 42 darstellt, in einem Bereich von 0,3 bis 1,5 mm.
Bei der Zündkerze 1 hat das dünne Element 42 der Mittelelektrode 4 eine andere Vorsprunghöhe J, die den Abstand zwischen dem Endrand 421 des dünnen Elements 42 und dem Ende 31 des Isolators 3 in die axiale Richtung des dünnen Elements 42 darstellt, von nicht weniger als null. Anders gesagt steht das dünne Element 42 von dem Ende 31 des Isolators 3 vor.
Die vorstehend beschriebene Zündkerze 1 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel hat die folgenden Vorteile.
Bei der Zündkerze 1 ist das Vorsprungelement 52 der Masseelektrode 5 so aufgebaut, dass es die inneren und äußeren Ränder 521 und 522 hat.
Mit diesem Aufbau ist es für die Zündkerze 1 einfach, Funken zwischen dem inneren Rand 521 und dem dünnen Element 42 der Mittelelektrode 4 zu entladen, wenn die Fläche des Isolators 3 sauber bist und zwischen dem äußeren Rand 522 des Basiselements 41 der Mittelelektrode 4, wenn die Fläche des Isolators 3 mit Kohlenstoff verschmutzt ist.
Genauer gesagt ist es mit dem vorstehend angegebenen Aufbau möglich, den inneren Rand 521 nah an dem dünnen Element 42 der Mittelelektrode 4 anzuordnen, während der äußere Rand 522 nah an dem inneren Rand 321 des Isolators 3 angeordnet ist. Folglich wird es für die Zündkerze 1 einfach, Funken zu entladen, wenn die Fläche des Isolators 3 sauber ist, zwischen dem inneren Rand 521 und dem Endrand 421 des dünnen Elements 42 der Mittelelektrode 4, die durch die Linie S1 in 4 angedeutet ist. Darüber hinaus wird es für die Zündkerze 1 ebenso einfach, Funken zu entladen, wenn die Fläche des Isolators 3 mit Kohlenstoff verschmutzt ist, zwischen dem äußeren Rand 522 und dem Basiselement 41 der Mittelelektrode 4 über die innere Fläche 322 des Isolators 3, die Mittelbohrung 32 definiert, wie durch die Linie S2 in 4 angedeutet wird.
Als Folge kann die Zündkerze 1 Funkenentladungen mit einer niedrigen Entladungsspannung induzieren und den Isolator 3 von dieser selbst reinigen, wenn sie mit Kohlenstoff verschmutzt ist.
Bei der Zündkerze 1 werden die Abmessungsbeziehungen von 0,7 × R3 ≤ R1 und L ≤ G1 ≤ 1,2 × L angegeben.
Durch die Angabe dieser Beziehungen ist es möglich, den inneren Rand 521 des Vorsprungelements 52 der Masseelektrode 5 ausreichend nah an den Endrand 421 des dünnen Elements 42 der Mittelelektrode 4 anzuordnen, um dadurch zu ermöglichen, dass die Zündkerze 1 Funken mit einer ausreichend niedrigen Entladungsspannung entlädt.
Bei der Zündkerze 1 wird die Abmessungsbeziehung von 0,5 × R4 ≤ R2 ≤ 1,2 × R4 ebenso angegeben.
Durch Angeben dieser Beziehung ist es möglich, den äußeren Rand 522 des Vorsprungelements 52 der Masseelektrode 5 ausreichend nah an dem inneren Rand 321 des Isolators 3 anzuordnen. Wenn die Fläche des Isolators 3 mit Kohlenstoff verschmutzt ist, kann folglich die Zündkerze 1 Funken zwischen dem äußeren Rand 522 und dem Basiselement 41 der Mittelelektrode 4 entlang der inneren Fläche 322 des Isolators 3 zuverlässig entladen, um dadurch die Fläche des Isolators 3 durch Abbrennen des Kohlenstoffs selbst zu reinigen, der sich an der Fläche abgelagert hat.
Bei der Zündkerze 1 werden ebenso die Abmessungsbeziehungen von G1 < G2 + H und G2/G1 ≤ 1,5 angegeben.
Durch das Angeben dieser Beziehungen ist es möglich, dass die Zündkerze 1 zuverlässig Funken entlädt, wenn die Fläche des Isolators 3 sauber ist, mit einer niedrigen Entladungsspannung zwischen dem dünnen Element 42 der Mittelelektrode 4 und dem Vorsprungelement 52 der Masseelektrode 5, aber nicht zwischen dem Basiselement 41 der Mittelelektrode 4 und dem Vorsprungelement 52.
Bei der Zündkerze 1 ist das Vorsprungelement 52 der Masseelektrode 5 so ausgebildet, dass es den Winkelbereich von 360 ° (insbesondere den gesamten Umfang) um die Achse M des dünnen Elements 42 der Masseelektrode 5 einnimmt.
Mit dieser Ausbildung ist es möglich, dass die Zündkerze 1 zuverlässig den Kohlenstoff, der sich an der Fläche des Isolators 3 abgelagert hat, über dem gesamten Umfang der Fläche abbrennt, um dadurch ihre gute Selbstreinigungsfähigkeit sicherzustellen.
Darüber hinaus werden bei der Zündkerze 1 die Abmessungsbeziehungen von 0,7 × R3 ≤ R2 und 0,5 × R4 ≤ R1 ≤ 1,2 × R4 weitergehend angegeben.
Wenn die Fläche des Isolators 3 sauber ist, kann folglich die Zündkerze 1 Funken nicht nur zwischen dem dünnen Element 41 der Mittelelektrode 4 und dem inneren Rand 521 des Vorsprungelements 52 der Masseelektrode 5 sondern auch zwischen dem dünnen Element 42 und dem äußeren Rand 522 des Vorsprungelements 52 entladen, um dadurch weitergehend die Entladungsspannung abzusenken und ihre Zündfähigkeit zu verbessern (insbesondere die Fähigkeit der Zündkerze 1 zum Zünden des Luftkraftstoffgemischs). Darüber hinaus kann, wenn die Fläche des Isolators 3 mit Kohlenstoff verschmutzt ist, die Zündkerze 1 nicht nur Funken zwischen dem inneren Rand 321 des Isolators 3 und dem äußeren Rand 522 des Vorsprungelements 52 der Masseelektrode 5 sondern ebenso zwischen dem inneren Rand 321 und dem inneren Rand 521 des Vorsprungelements 52 entladen, um dadurch ihre Selbstreinigungsfähigkeit zu verbessern.
Bei der Zündkerze 1 ist das Vorsprungelement 52 der Masseelektrode 5 so ausgebildet, dass es eine zylindrische Rohrgestalt hat und somit die kreisförmigen inneren und äußeren Ränder 521 und 522.
Mit dieser Ausbildung können sowohl der innere als auch der äußere Rand 521 und 522 den vollen Winkelbereich (insbesondere 360 °) um die Mittelelektrode 4 einnehmen, um dadurch die Entladungsspannung zu minimieren und die Selbstreinigungsfähigkeit der Zündkerze 1 zu maximieren.
Bei der Zündkerze 1 wird ferner die Abmessungsbeziehung von G2/G1 ≤ 1,3 angegeben.
Wenn die Fläche des Isolators 3 sauber ist, kann durch Angeben dieser Beziehung die Zündkerze 1 Funken nicht nur zwischen dem dünnen Element 42 der Mittelelektrode 4 und dem inneren Rand 521 des Vorsprungelements 52 der Masseelektrode 5 sondern ebenso zwischen dem dünnen Element 42 und dem äußeren Rand 522 des Vorsprungelements 52 zu entladen, um dadurch die Entladungsspannung weitergehend abzusenken und ihre Zündfähigkeit zu verbessern.
Bei der Zündkerze 1 wird ferner die Abmessungsbeziehung von 0,5 × H ≤ (R4 – R3) angegeben.
Wenn die Fläche des Isolators 3 mit Kohlenstoff verschmutzt ist, ist es durch Angeben dieser Beziehung möglich, zuverlässig Funkenentladungen zu verhindern, die zwischen dem dünnen Element 42 der Mittelelektrode 4 und dem äußeren Rand 522 des Vorsprungelements 52 der Masseelektrode 5 über den inneren Rand 321 des Isolators 3 durchgeführt werden, ohne die innere Fläche 322 des Isolators 3 zu durchlaufen, die durch die Linie S3 in 5 angedeutet ist. Folglich kann die Zündkerze 1 zuverlässig Funkenentladungen zwischen dem Basiselement 42, der Mittelelektrode 4 und dem äußeren Rand 522 des Vorsprungelements 52 entlang der inneren Fläche 322 des Isolators 3 verhindern, wie durch die Linie S2 in 4 angedeutet ist, um dadurch den Kohlenstoff an der Fläche des Isolators 3 abzubrennen. Als Folge wird die Selbstreinigungsfähigkeit der Zündkerze 1 weitergehend verbessert.
Bei der Zündkerze 1 wird ferner die Abmessungsbeziehung von 0,1 mm ≤ (R2 – R1) ≤ 0,5 mm angegeben.
Durch das Angeben dieser Beziehung ist es möglich, zuverlässig die Haltbarkeit des Vorsprungelements 52 der Masseelektrode 5 wie auch die Zündfähigkeit der Zündkerze 1 sicherzustellen.
Bei der Zündkerze 1 ist das Vorsprungelement 52 der Masseelektrode 5 so aufgebaut, dass es zumindest 0,3 mm von der Fläche des Basiselements 51 vorsteht. Mit diesem Aufbau ist es möglich, zuverlässig die Zündfähigkeit der Zündkerze 1 sicherzustellen.
Zusätzlich ist zum Sicherstellen der Haltbarkeit des Vorsprungelements 52 die Vorsprunghöhe des Vorsprungelements 52 von der Fläche des Basiselements 51 vorzugsweise geringer als oder gleich 1,1 mm.
Bei der Zündkerze 1 ist das dünne Element 42 der Mittelelektrode 4 so aufgebaut, dass es von dem Ende 31 des Isolators 3 vorsteht (insbesondere J ≥ 0).
Mit diesem Aufbau ist es möglich, die Zündfähigkeit der Zündkerze 1 zuverlässig sicherzustellen.
Bei der Zündkerze 1 ist das dünne Element 42 der Mittelelektrode 4 so aufgebaut, dass es eine Querschnittsfläche senkrecht zu der Achse M in dem Bereich von 0,07 bis 1,13 mm² hat und die Vorsprunghöhe K von dem Ende 43 des Basiselement 41 in dem Bereich von 0,3 bis 1,5 mm liegt.
Mit diesem Aufbau ist es möglich, die Haltbarkeit des dünnen Elements 42 der Mittelelektrode 4 wie auch die Zündfähigkeit der Zündkerze 1 zuverlässig sicherzustellen.
Bei der Zündkerze 1 besteht das dünne Element 42 der Mittelelektrode 4 vorzugsweise aus einer Ir-basierten Legierung, die Ir mit einem Anteil von nicht weniger als 50 Gew.-% und zumindest einem Zusatz enthält, und hat einen Schmelzpunkt von nicht weniger als 2000 °C. Der Zusatz wird vorzugsweise aus Pt, Rh, Ni, W, Pd, Ru, Re, Al, Al₂O₃, Y und Y₂O₃ ausgewählt.
Das Angeben des Werkstoffs des dünnen Elements 42, wie vorstehend angegeben ist, ermöglich, die Haltbarkeit des dünnen Elements 42 wie auch die Zündfähigkeit der Zündkerze 1 zuverlässig sicherzustellen. Als Folge wird es möglich, einen lange Lebensdauer und eine hohe Zuverlässigkeit der Zündkerze 1 zu sichern.
Bei der Zündkerze 1 besteht das Vorsprungelement 52 der Masseelektrode 5 vorzugsweise aus einer Pt-basierten Legierung, die Pt mit einem Anteil von nicht weniger als 50 Gew.-% und zumindest einen Zusatz enthält, und hat einen Schmelzpunkt von nicht weniger als 1500 °C. Der Zusatz wird vorzugsweise aus Ir, Rh, Ni, W, Pd, Ru und Re ausgewählt.
Durch das Angeben des Werkstoffs des Vorsprungelements 52, wie vorstehend angegeben ist, ist es möglich, die Haltbarkeit des Vorsprungelements 52 wie auch die Zündfähigkeit der Zündkerze 1 zuverlässig sicherzustellen. Als Folge wird es möglich, eine lange Lebensdauer und eine hohe Zuverlässigkeit der Zündkerze 1 zu sichern.
Demgemäß kann die Zündkerze 1 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel Funkenentladungen mit einer niedrigen Entladungsspannung induzieren, während sie ihre hohe Selbstreinigungsfähigkeit sichert.
Die vorstehend beschriebenen Vorteile der Zündkerze 1 wurden durch Experimente bestätigt, die nachstehend beschrieben werden.
Experiment 1
Dieses Experiment wurde zum Bestimmen der Wirkung von R1 auf die Entladungsspannung der Zündkerze 1 durchgeführt.
In dem Experiment wurden Probenzündkerzen, die den gleichen Aufbau wie die Zündkerze 1 aber unterschiedliche R1 und L hatten, zum Messen ihrer Entladungsspannung Vs getestet. Zusätzlich war bei allen diesen Probenzündkerzen R2 2,0 mm, R3 0,3 mm, R4 1,2 mm, H 1,0 mm und J 0,2 mm.
Ferner wurde zum Zweck des Vergleichs eine weitere Probenzündkerze, die den gleichen Aufbau wie die herkömmliche Zündkerze 9 hat, die in 19 gezeigt ist, ebenso zum Messen ihrer Entladungsspannung Vf getestet. Zusätzlich hatten bei der Probenzündkerze die Abmessungsparameter außer R1 die gleichen Werte bei den Probenzündkerzen mit dem gleichen Aufbau wie die Zündkerze 1.
14A zeigt die Versuchsergebnisse, wobei die hohe zentrale Achse R1 darstellt, während die vertikale Achse das Entladungsspannungsverringerungsverhältnis Vr darstellt. Ferner zeigen in 14A die Auftragungen von „O" die Ergebnisse mit den Probenzündkerzen an, bei denen L 0,5 mm betragen hat, zeigen die Auftragungen von „☐" diejenigen mit den Probenzündkerzen an, bei denen L 1,0 mm betragen hat, und zeigen die Auftragungen von „Δ" diejenigen mit den Probenzündkerzen an, bei denen L 1,5 mm betragen hat. Zusätzlich wurde das Entladungsspannungsverringerungsverhältnis Vr unter Verwendung der folgenden Gleichung berechnet: Vr (%) = {(Vs – Vf)/Vf} × 100 (1)
Aus 14A kann entnommen werden, dass dann, wenn 0,7 × R3 ≤ R1 gilt, Vr < 0 ungeachtet von L gilt.
Anders gesagt kann die Entladungsspannung er Zündkerze 1 durch Angeben der Abmessungsbeziehung von 0,7 × R3 ≤ R1 verringert werden.
Zusätzlich gab es Abmessungsbeziehungen zwischen R1 und G1, wie in 14B gezeigt ist, bei den Probenzündkerzen mit dem gleichen Aufbau wie die Zündkerze 1.
Aus den 14A und 14B kann entnommen werden, dass dann, wenn L ≤ 1,5 mm ist und L ≤ G1 ≤ 1,2 × L ist, Vr < 0 gilt.
Anders gesagt kann die Entladungsspannung der Zündkerze 1 ebenso durch Angeben der Abmessungsbeziehung von L ≤ G1 ≤ 1,2 × L verringert werden.
Experiment 2
Dieses Experiment wurde zum Bestimmen der Wirkung von R2 auf die Auftrittsrate von „Flächenfunken" durchgeführt, die zwischen dem äußeren Rand 522 des Vorsprungelements 52 der Masseelektrode 5 und dem Basiselement 41 der Mittelelektrode 4 entlang der inneren Fläche 322 des Isolators 3 entladen wurden.
Probenzündkerzen wurden hergestellt, die fast den gleichen Aufbau wie die Zündkerze 1 hatten, aber bei denen ein Vorsprungelement 52 von demjenigen der Zündkerze 1 unterschiedlich war. Genauer gesagt wurden zum Bestimmen der Wirkung von R2 die Vorsprungelemente 52 der Probenzündkerzen so ausgebildet, die eine massive Stabform, anders gesagt keinen inneren Rand hatte, wie in 15 gezeigt ist. Gleichzeitig wurde R2 für diese Probenzündkerzen verändert. Zusätzlich war bei allen diesen Probenzündkerzen R3 0,3 mm, R4 1,2 mm, H 1,0 mm, J 0,2 mm und L 1,0 mm.
In diesem Experiment wurde Kohlenstoff zusätzlich vor dem Test an dem Ende 31 und der inneren Fläche 322 des Isolators 3 von jeder der Probenzündkerzen abgelagert, um sie zu verschmutzen.
16 zeigt die Testergebnisse, wobei die horizontale Achse R2 darstellt, während die vertikale Achse das Flächenfunkenerhöhungsverhältnis Ni darstellt. Für jede der gestesteten Probenzündkerzen wurde Ni unter Verwendung der folgenden Gleichung berechnet: Ni (%) = {(Ns – Nf)/Nf} × 100 (2)wobei Nf die Auftrittsanzahl von Flächenfunken pro Zeiteinheit bei einer der Probenzündkerzen ist, bei der R2 2,0 mm war, und wobei Nf die Auftrittsanzahl von Flächenfunken bei jeder von allen anderen Probenzündkerzen ist.
Wie aus 16 entnehmbar ist, ist dann, wenn 0,5 × 4 ≤ R2 ≤ 1,2 × R4 gilt, Ni ≥ 0.
Anders gesagt kann durch Angeben der Abmessungsbeziehung von 0,5 × R4 ≤ R2 ≤ 1,2 × R4 die Auftrittsrate von Flächenfunken bei der Zündkerze 1 vergrößert werden und somit die Selbstreinigungsfähigkeit der Zündkerze 1 verbessert werden.
Experiment 3
Diese Experiment wurde zum Bestimmen der Wirkung von G2/G1 auf dem Isolationswiderstand zwischen der Mittelelektrode 4 und der Masseelektrode 5 der Zündkerze 1 durchgeführt.
Probenzündkerzen wurden hergestellt, die den gleichen Aufbau wie die Zündkerze 1 aber verschiedene G2/G1 hatten. Genauer gesagt war G2 1,2 mm für alle diese Probenzündkerzen, während G1 durch Verändern von K verändert wurde. Zusätzlich war bei allen diesen Probenzündkerzen R1 0,3 mm, R2 1,2 mm, R3 0,3 mm, R4 1,2 mm und H 1,0 mm.
In diesem Experiment wurden alle Probenzündkerzen unter einer in JIS-D-1606 angegebenen Kaltverschmutzungstestbedingung über 5 Zyklen getestet und wurde dann der Isolationswiderstand zwischen der Mittelelektrode 4 und der Masseelektrode 5 von diesen gemessen.
17 zeigt die Messergebnisse, wobei die horizontale Achse G2/G1 darstellt, während die vertikale Achse den Isolationswiderstand darstellt.
Wie 17 entnehmbar ist, war der Isolationswiderstand groß, wenn G2/G1 ≤ 1,5 war.
Anders gesagt kann die Selbstreinigungsfähigkeit der Zündkerze 1 durch Angeben der Abmessungsbeziehung von G2/G1 ≤ 1,5 sichergestellt werden.
Ferner kann ebenso 17 entnommen werden, dass der Isolationswiderstand besonders groß war, wenn G2/G1 ≤ 1,3 gilt.
Anders gesagt kann eine hervorragende Selbstreinigungsfähigkeit der Zündkerze 1 durch Angeben der Abmessungsbeziehung von G2/G1 ≤ 1,5 sichergestellt werden.
[Zweites Ausführungsbeispiel]
Dieses Ausführungsbeispiel stellt eine Zündkerze 1a bereit, die fast den gleichen Aufbau wie die Zündkerze 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel hat. Dem gemäß wird nur der Unterschied des Aufbaus zwischen diesen nachstehend beschrieben.
Unter Bezugnahme auf 6 hat bei der Zündkerze 1a das Basiselement 41 der Mittelelektrode 4 einen Endabschnitt 44, der das Ende 43 des Basiselements 41 aufweist.
Der Endabschnitt 44 des Basiselements 41 hat einen Durchmesser R5, der geringer als der Durchmesser R4 der Mittelbohrung 32 des Isolators 3 und größer als der Durchmesser R3 des dünnen Elements 42 der Mittelelektrode 4 ist (insbesondere gilt R3 < R5 < R4).
Demgemäß ist ein Spalt 11 zwischen dem Endabschnitt 44 des Basiselements 41 und der inneren Fläche 322 des Isolators 3 vorhanden. Die Breite des Spalts 11 (insbesondere (R5 – R4)) liegt beispielsweise in dem Bereich von 0,1 bis 0,2 mm.
Bei der Zündkerze 1a können dann, wenn die Fläche des Isolators 3 mit Kohlenstoff verschmutzt ist, Funken zwischen dem Endabschnitt 44 des Basiselements 41 der Mittelelektrode 4 und dem äußeren Rand 522 des Vorsprungelements 52 der Masseelektrode 5 ohne Durchlaufen des Innenbereichs der Innenfläche 322 des Isolators 3 entladen werden, der den Spalt 11 gemeinsam mit dem Endabschnitt 44 des Basiselements 41 bildet.
Jedoch ist der Spalt 11 so nah, wie vorstehend beschrieben ist, und es ist somit schwierig, dass sich Kohlenstoff an dem Innenbereich der inneren Fläche 322 des Isolators 3 ablagert.
Dem gemäß kann die Selbstreinigungsfähigkeit der Zündkerze 1a durch Abbrennen des Kohlenstoffs, der sich an dem Außenbereich der inneren Fläche 322 des Isolators 3 abgelagert hat, noch sichergestellt werden.
Die vorstehend beschriebene Zündkerze 1a hat die gleichen Vorteile wie die Zündkerze 1.
[Drittes Ausführungsbeispiel]
Dieses Ausführungsbeispiel stellt eine Zündkerze 1b bereit, die fast den gleichen Aufbau wie die Zündkerze 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel hat. Dem gemäß wird nur der Unterschied des Aufbaus zwischen diesem nachstehend beschrieben.
Unter Bezugnahme auf 7 nimmt bei der Zündkerze 1b das Vorsprungelement 52 der Masseelektrode 5 einen Winkelbereich α von ungefähr 260 ° um die Achse M des dünnen Elements 42 der Mittelelektrode 4 ein.
Genauer gesagt ist bei der Zündkerze 1b das Vorsprungelement 52 der Masseelektrode 5 als unvollständig zylindrisches Rohr geformt und sind somit der innere und der äußere Rand 521 und 522 von dieser als unvollständiger Kreis geformt.
Zusätzlich ist es zum Versehen der Zündkerze 1b mit den gleichen Vorteilen wie die Zündkerze 1 notwendig, das der Winkelbereich α nicht weniger als 120 ° beträgt.
Durch Angeben des Bereichs von α, wie vorstehend angegeben ist, ist es, wenn die Fläche des Isolators 3 mit Kohlenstoff verschmutzt ist, dass die Zündkerze 1b wirksam den Kohlenstoff an der Fläche des Isolators 3 abbrennt. Als Folge kann die Selbstreinigungsfähigkeit der Zündkerze 1b sichergestellt werden.
Der vorstehend angegebene Bereich von α wurde durch ein nachstehend beschriebenes Experiment bestimmt.
Experiment 4
Dieses Experiment wurde zum Bestimmen der Wirkung des Winkelbereichs α auf den Isolationswiderstand zwischen der Mittelelektrode 4 und der Masseelektrode 5 der Zündkerze 1b durchgeführt.
In diesem Experiment wurden Probenzündkerzen, die den gleichen Aufbau wie die Zündkerze 1b aber unterschiedliche α hatten, auf die gleiche Art und Weise wie im Experiment 3 getestet. Zusätzlich war bei allen diesen Probenzündkerzen R1 0,6 mm, R2 1,4 mm, R3 0,3 mm, R4 1,2 mm, H 0,6 mm, J 0,2 mm und L 1,0 mm.
18 zeigt die Testergebnisse, wobei die horizontale Achse den Winkelbereich α darstellt während die vertikale Achse den Isolationswiderstand darstellt.
Aus 18 kann entnommen werden, dass der Isolationswiderstand groß war, wenn der Winkelbereich α größer als oder gleich 120 ° war.
Anders gesagt kann die Selbstreinigungsfähigkeit der Zündkerze 1b durch Angeben des vorstehend genannten Bereichs von α sichergestellt werden.
[Viertes Ausführungsbeispiel]
Dieses Ausführungsbeispiel stellt eine Zündkerze 1c bereit, die fast den gleichen Aufbau wie die Zündkerze 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel hat. Demgemäß wird nur der Unterschied des Aufbaus zwischen diesen nachstehend beschrieben.
Unter Bezugnahme auf 8 nimmt bei der Zündkerze 1c das Vorsprungelement 52 der Masseelektrode 5 nur einen Teil des Umfangs um die Achse M des dünnen Elements 42 der Mittelelektrode 4 ein.
Genauer gesagt ist bei der Zündkerze 1c das Vorsprungelement 52 der Masseelektrode 5 in zwei separate Teile geteilt, die symmetrisch an dem Umfang um die Achse M des dünnen Elements 42 der Mittelelektrode 4 positioniert sind und jeweils einen Winkelbereich β von ungefähr 80 ° um die Achse M einnehmen. Anders gesagt nimmt das Vorsprungelement 52 im Ganzen einen Winkelbereich von 2β von ungefähr 160 ° um die Achse M ein.
Der vorstehend genannte Winkelbereich 2β entspricht dem Winkelbereich α, der in dem dritten Ausführungsbeispiel definiert ist. Demgemäß ist es zum Versehen der Zündkerze 1c mit den gleichen Vorteilen wie die Zündkerze 1 notwendig, dass der Winkelbereich 2β nicht weniger als 120 ° beträgt.
[Fünftes Ausführungsbeispiel]
Dieses Ausführungsbeispiel stellt verschiedenartige Formen dar, die das Vorsprungelement 52 der Masseelektrode 5 annehmen kann. Wie vorhergehend beschrieben ist, ist in dem ersten Ausführungsbeispiel das Vorsprungelement 52 der Masseelektrode 5 als zylindrisches Rohr gestaltet.
Jedoch kann das Vorsprungelement 52 der Masseelektrode 5 verschiedenartige andere Formen annehmen.
Beispielsweise kann unter Bezugnahme auf die 9A1 und 9A2 das Vorsprungelement 52 in der Gestalt eines zylindrischen Stabs vorliegen, der einen Einschnitt 532 hat, der zentral daran ausgebildet ist. Der Einschnitt 523 ist so gestaltet, dass er ein Rechteck an einer frei wählbaren gedachten Ebene ist, die die Achse des Vorsprungelements 52 einnimmt, wie in 9A1 gezeigt ist, und ein Kreis an einer weiteren gedachten Ebene, die senkrecht zu der Achse des Vorsprungelements 52 ist, wie in 9A2 gezeigt ist. Folglich haben sowohl der innere als auch der äußere Rand 521 und 522 des Vorsprungelements 52 eine kreisförmige Gestalt.
Unter Bezugnahme auf die 9B1 und 9B2 können die Vorsprungelemente 52 ebenso in der Gestalt eines quadratischen Stabs vorliegen, der einen Einschnitt 523 hat, der zentral daran ausgebildet ist, und eine Erweiterung 524, die an einem unteren Ende davon ausgebildet ist. Der Einschnitt 523 ist so gestaltet, dass er eine Parabel an einer frei wählbaren gedachten Ebene ist, die die Achse des Vorsprungelements 52 einschließt, wie in 9B1 gezeigt ist, und ein Kreis an einer weiteren frei wählbaren gedachten Ebene, die senkrecht zu der Achse des Vorsprungelements 52 ist, wie in 9B2 gezeigt ist. Folglich hat der innere Rand 521 des Vorsprungelements 52 eine kreisförmige Gestalt, während der äußere Rand 522 davon eine quadratische Gestalt hat. Die Erweiterung 524 erstreckt sich radial nach außen, um von dem äußeren Rand 522 vorzustehen.
Unter Bezugnahme auf die 9C1 und 9C2 kann das Vorsprungelement 52 ebenso in der Gestalt eines kegelstumpfförmigen Stabs vorliegen, der einen Einschnitt 523 hat, der zentral daran ausgebildet ist. Der Einschnitt 523 ist so gestaltet, dass er ein Dreieck an einer frei wählbaren gedachten Ebene ist, die die Achse des Vorsprungselements 52 einschließt, wie in 9C1 gezeigt ist, und ein Quadrat an einer weiteren frei wählbaren gedachten Ebene, die senkrecht zu der Achse des Vorsprungelements 52 ist, wie in 9C2 gezeigt ist. Folglich hat der innere Rand 521 des Vorsprungelements 52 eine quadratische Gestalt, während der äußere Rand 522 davon eine kreisförmige Gestalt hat.
Unter Bezugnahme auf die 9D1 und 9D2 kann das Vorsprungelement 52 ebenso in der Form eines Stabs vorliegen, der einen elliptischen Querschnitt senkrecht zu seiner Achse hat, und wobei ein Einschnitt 523 daran ausgebildet ist. Der Einschnitt 523 ist so ausgebildet, dass er ein Rechteck an einer frei wählbaren gedachten Ebene ist, die die Achse des Vorsprungelements 52 einschließt, wie in 9D1 gezeigt ist, und ein Kreis an einer weiteren frei wählbaren gedachten Ebene, die senkrecht zu der Achse des Vorsprungselements 52 ist, wie in 9D gezeigt ist. Folglich hat der innere Rand 521 des Vorsprungelements 52 eine kreisförmige Gestalt, während der äußere Rand 522 davon eine elliptische Gestalt hat. Zusätzlich ist der Einschnitt 523 so positioniert, dass die Mitte des Einschnitts 523 von der Achse des Vorsprungelements 52 abweicht.
Darüber hinaus ist die Tiefe N von allen Einschnitten 523, die in den 9A1 und 9D2 gezeigt sind, vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis 0,5 mm.
Mit den vorstehend beschriebenen und allen anderen möglichen Formen des Vorsprungelements 52 ist es noch möglich, die Zündkerze 1 mit den gleichen Vorteilen wie mit der zylindrischen Rohrgestalt bereitzustellen.
[Sechstes Ausführungsbeispiel]
Dieses Ausführungsbeispiel stellt eine Zündkerze 1d bereit, die fast den gleichen Aufbau wie die Zündkerze 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel hat. Demgemäß wird nur der Unterschied des Aufbaus dazwischen nachstehend beschrieben.
Unter Bezugnahme auf die 10–12 weist bei der Zündkerze 1d die Masseelektrode 5 zwei Vorsprungelemente 52 auf, die eine zylindrische Gestalt haben und die symmetrisch mit Bezug auf die Achse M des dünnen Elements 42 der Masseelektrode 4 angeordnet sind.
Jedes der Vorsprungelemente 52 hat einen inneren Rand 521 und einen äußeren Rand 522. Genauer gesagt kann, wie in 11 gezeigt ist, eine Linie A – A gezogen werden, die die Achse M des dünnen Elements 42 der Mittelelektrode 4 schneidet und eine Tangente an den Endrändern der Vorsprungelemente 52 jeweils an Punkten A1 und A2 ist. In ähnlicher Weise kann eine weitere Linie B – B gezogen werden, die die Achse M schneidet und die eine Tangente an den Endrändern der Vorsprungelemente 52 jeweils an Punkten B1 und B2 ist. Folglich wird für ein Vorsprungelement 52 der Endrand in zwei Kreisbögen A1-B2 geteilt, von den der eine, der näher an der Achse M liegt, den inneren Rand 521 des Vorsprungelements 52 darstellt, während der andere den äußeren Rand 522 desselben darstellt. In ähnlicher Weise stellt für das andere Vorsprungelement 52 der Bogen A2 – B2, der näher an der Achse M liegt, den inneren Rand 521 des Vorsprungelements 52 dar, während der andere Bogen A2 – B2 den äußeren Rand 522 desselben darstellt.
Bei der Zündkerze 1d, wie in 12 gezeigt ist, werden die gleichen Abmessungsbeziehungen wie bei der Zündkerze 1 angegeben. Darüber hinaus beträgt die Summe der Winkelbereiche der Vorsprungelemente 52 um die Achse M (insbesondere 2β) zumindest 120 °.
Die vorstehend beschriebene Zündkerze 1d hat die gleichen Vorteile wie die Zündkerze 1.
Zusätzlich kann jedes Vorsprungelement 52 bei der Zündkerze 1d anstelle der vorstehend genannten zylindrischen Gestalt jede andere mögliche Gestalt, wie z. B. ein Dreieck oder ein quadratisches Prisma haben.
[Siebtes Ausführungsbeispiel]
Dieses Ausführungsbeispiel stellt eine Zündkerze 1e bereit, die fast den gleichen Aufbau wie die Zündkerze 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel hat. Demgemäß wird nur der Unterschied des Aufbaus dazwischen nachstehend beschrieben.
Unter Bezugnahme auf 13 sind zwei Masseelektroden 5 bei der Zündkerze 1e vorgesehen. Jede der Masseelektroden 5 weist ein Basiselement 51 und ein Vorsprungelement 52 auf.
Die Basiselemente 51 der Masseelektrode 5 sind so mit der Metallhülle 2 fixiert, dass sie mit 180 ° voneinander in die Umfangsrichtung der Metallhülle 2 beabstandet sind. Die Vorsprungelemente 52 der Masseelektroden 5 haben eine zylindrische Gestalt und sind mit den jeweiligen Basiselementen 51 so verbunden, dass die Seitenflächen der Vorsprungelemente 52 zueinander weisen, wobei die Achse M des dünnen Elements 42 der Mittelelektrode 4 dazwischen liegt.
Bei der Zündkerze 1e werden die gleichen Abmessungsbeziehungen wie bei der Zündkerze 1 angegeben. Folglich hat die Zündkerze 1e die gleichen Vorteile wie die Zündkerze 1.
Während die vorstehend angegebenen besonderen Ausführungsbeispiele der Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, ist verständlich, dass diejenigen, die die Erfindung in die Praxis umsetzen, und der Fachmann verschiedenartige Abwandlungen, Änderungen und Verbesserungen an der Erfindung ohne Abweichen von dem Grundgedanken des offenbarten Konzepts vornehmen können.
Die Zündkerze gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine Metallhülle, einen in der Metallhülle gehaltenen Isolator, eine Mittelelektrode, die in dem Isolator gesichert ist, und eine Masseelektrode auf. Die Mittelelektrode weist ein Basiselement und ein dünnes Element auf, das dünner als das Basiselement ist. Die Masseelektrode weist ein Basiselement, das mit der Metallhülle fixiert ist, und ein Vorsprungelement auf, das von dem Basiselement vorsteht und das eine Endwand mit einem inneren und einem äußeren Rand hat. Wenn der Isolator sauber ist, können Funken zwischen dem dünnen Element und dem inneren Rand entladen werden. Wenn der Isolator mit Kohlenstoff verschmutzt ist, können Funken zwischen dem Basiselement und dem äußeren Rand entladen werden, um den Isolator selbst zu reinigen. Abmessungsparameter und Beziehungen werden bei der Zündkerze so angegeben, dass die Zündkerze Funkenentladungen mit einer niedrigen Entladungsspannung induzieren kann, während ihre hervorragende Selbstreinigungsfähigkeit sichergestellt wird.

Claims

Zündkerze für eine Brennkraftmaschine mit: einer Metallhülle; einem Isolator, der in der Metallhülle gehalten wird, wobei der Isolator ein Ende, das von der Metallhülle vorsteht, und eine Bohrung hat, die sich in eine Längsrichtung des Isolators erstreckt und an dem Ende des Isolators öffnet, um einen inneren Rand des Isolators auszubilden; einer Mittelelektrode, die ein Basiselement und ein dünnes Element aufweist, wobei das Basiselement in der Bohrung des Isolators gepasst ist und ein Ende hat, das innerhalb der Bohrung des Isolators positioniert ist, wobei das dünne Element dünner als das Basiselement ist und mit dem Ende des Basiselements verbunden ist, wobei das dünne Element eine Achse und einen Endrand hat, der um einen vorgegebenen Abstand entfernt von dem Ende des Basiselements in die axiale Richtung des dünnen Elements liegt; und einer Masseelektrode, die ein Basiselement, das mit der Metallhülle fixiert ist, und ein Vorsprungelement aufweist, das mit dem Basiselement verbunden ist, wobei das Vorsprungelement von einer Fläche des Basiselements vorsteht und eine Endwand hat, die zu dem dünnen Element der Mittelelektrode über einen Funkenspalt weist, wobei die Endwand des Vorsprungelements einen inneren und einen äußeren Rand hat, wobei der innere Rand näher an der Achse des dünnen Elements der Mittelelektrode als der äußere Rand positioniert ist, wobei gilt 0,7 × R3 ≤ R1, 0,5 × R4 ≤ R2 ≤ 1,2 × R4, L ≤ G1 ≤ 1,2 × L, G1 < G2 + H und G2/G1 ≤ 1,5, wobei R1 ein Abstand zwischen der Achse des dünnen Elements der Mittelelektrode und dem inneren Rand des Vorsprungelements der Masseelektrode in eine radiale Richtung des dünnen Elements ist, R2 ein Abstand zwischen der Achse des dünnen Elements der Mittelelektrode und dem äußeren Rand des Vorsprungelements der Masseelektrode in die radiale Richtung des dünnen Elements ist, R3 ein Radius des dünnen Elements der Mittelelektrode an dem Endrand des dünnen Elements ist, R4 ein Radius der Bohrung des Isolators an dem Ende des Isolators ist, G1 ein minimaler Abstand zwischen dem Endrand des dünnen Elements der Mittelelektrode und dem inneren Rand des Vorsprungelements der Masseelektrode ist, G2 ein minimaler Abstand zwischen dem Endrand des Isolators und dem äußeren Rand des Vorsprungelements der Masseelektrode ist, L ein Abstand zwischen dem dünnen Element der Mittelelektrode und dem Vorsprungelement der Masseelektrode in die axiale Richtung des dünnen Elements ist, und H ein Abstand zwischen dem Ende des Basiselements der Mittelelektrode und dem Ende des Isolators in die axiale Richtung des dünnen Elements der Mittelelektrode ist.
Zündkerze gemäß Anspruch 1, wobei das Vorsprungelement der Masseelektrode einen Winkelbereich von zumindest 120° um die Achse des dünnen Elements der Mittelelektrode einnimmt.
Zündkerze gemäß Anspruch 1, wobei 0,7 × R3 ≤ R2 und 0,5 × R4 ≤ R1 ≤ 1,2 × R4 gilt.
Zündkerze gemäß Anspruch 1, wobei das Vorsprungelement der Masseelektrode eine rohrförmige Gestalt hat, um den inneren Rand an einem inneren Umfang der Endwand des Vorsprungelements und den äußeren Rand an einem äußeren Umfang desselben auszubilden.
Zündkerze gemäß Anspruch 1, wobei die Masseelektrode ferner zumindest ein Vorsprungelement aufweist, das eine Endwand hat, die zu dem dünnen Element der Mittelelektrode über den Funkenspalt weist und einen äußeren Rand und einen inneren Rand hat, der näher an der Achse des dünnen Elements der Mittelelektrode als der äußere Rand positioniert ist.
Zündkerze gemäß Anspruch 1, wobei G2/G1 ≤ 1,3 gilt.
Zündkerze gemäß Anspruch 1, wobei 0,5 × H ≤ (R4 – R3) gilt.
Zündkerze gemäß Anspruch 1, wobei 0,1 mm ≤ (R2 – R1) 0,5 mm gilt.
Zündkerze gemäß Anspruch 1, wobei das Vorsprungelement der Masseelektrode zumindest 0,3 mm von der Fläche des Basiselements der Masseelektrode vorsteht.
Zündkerze gemäß Anspruch 1, wobei das Basiselement der Mittelelektrode einen Endabschnitt hat, der dicker als das dünne Element der Mittelelektrode und dünner als die Bohrung des Isolators ist und das Ende des Basiselements aufweist, mit dem das dünne Element verbunden ist.
Zündkerze gemäß Anspruch 1, wobei das dünne Element der Mittelelektrode aus einem Edelmetall besteht und wobei das dünne Element eine Querschnittsfläche senkrecht zu seiner Achse in einem Bereich von 0,07 bis 1,13 mm² hat und 0,3 bis 1,5 mm von dem Ende des Basiselements der Mittelelektrode vorsteht.
Zündkerze gemäß Anspruch 11, wobei das Edelmetall eine Ir-basierte Legierung ist, die Ir mit einem Anteil von nicht weniger als 50 Gew.-% und zumindest einen Zusatz aufweist und einen Schmelzpunkt von nicht weniger als 2.000 °C hat.
Zündkerze gemäß Anspruch 12, wobei der zumindest eine Zusatz aus Pt, Rh, Ni, W, Pd, Ru, Re, Al, Al₂O₃, Y und Y₂O₃ ausgewählt wird.
Zündkerze gemäß Anspruch 1, wobei das Vorsprungelement der Masseelektrode aus einer Pt-basierten Legierung besteht, die Pt mit einem Anteil von nicht weniger als 50 Gew.-% und zumindest einen Zusatz aufweist und einen Schmelzpunkt von nicht weniger als 1.500 °C hat.
Zündkerze gemäß Anspruch 14, wobei der zumindest eine Zusatz aus Ir, Rh, Ni, W, Pd, Ru und Re ausgewählt wird.
Zündkerze gemäß Anspruch 1, wobei das dünne Element der Mittelelektrode von dem Ende des Isolators vorsteht.