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Stand der Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Zündkerze für Brennkraftmaschinen, welche
insbesondere zur Verwendung in Brennräumen mit hohem Druck ausgelegt
ist.
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Zündkerzen
sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen
bekannt. Die bekannten Zündkerzen
haben sich grundsätzlich
zur Verwendung in Brennkraftmaschinen bewährt. Allerdings werden in jüngster Zeit
die Drücke
im Brennraum zum Zündzeitpunkt
immer größer, da
die Brennkraftmaschinen verstärkt
aufgeladen werden und mit hoher Verdichtung betrieben werden. Dabei kann
es insbesondere bei hohen Drücken
zur Entstehung von Gleitfunken bei der Zündung kommen, welche insbesondere
auch bis in einen Atmungsraum der Zündkerze, welcher zwischen einem
sich verjüngenden
Bereich des Isolators und einem Gehäuse der Zündkerze an dem brennraumseitigen
Ende der Zündkerze
gebildet ist. Derartige Gleitfunken führen im homogenen Betrieb der
Brennkraftmaschine zu einem unruhigen Motorlauf. Im Schichtbetrieb
der Brennkraftmaschine und bei Betriebszuständen mit inhomogener Gemischverteilung,
wie z.B. bei Tieftemperaturstarts, bewirken Gleitfunken gehäuft auftretende
Verbrennungsaussetzer.
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In
der
DE 196 50 724
B4 wurde zur Reduzierung von Gleitfunken vorgeschlagen,
einen Elektrodenabstand zwischen der Mittelelektrode und der Masseelektrode
derart vorzusehen, dass dieser Elektrodenabstand kleiner als ein
Abstand der Mittelelektrode zum Gehäuse ist. Die hierbei vorgeschlagenen
geometrischen Anordnungen der Elektroden können jedoch häufig aufgrund
von bauraumbedingen Vorgaben nicht eingehalten werden.
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Vorteile der Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Zündkerze
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den
Vorteil auf, dass sie die Entstehung von Gleitfunken verhindert.
Dadurch kann die erfindungsgemäße Zündkerze
insbesondere in Brennkraftmaschinen mit hohen Drücken, wie z.B. aufgeladenen und/oder
hochverdichteten Motoren, verwendet werden. Die erfindungsgemäße Zündkerze
weist dabei eine hohe Lebensdauer und kann einfach und kostengünstig hergestellt
werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch
erreicht, dass auf dem Isolator der Zündkerze ein leitfähiges flächenartiges
Element angeordnet ist, welche mit dem Gehäuse elektrisch in Kontakt steht.
Dadurch wird erfindungsgemäß erreicht,
dass die Isolatoroberfläche
auf das elektrische Potential des Gehäuses gelegt wird. Das Gehäuse ist dabei üblicherweise
geerdet. Durch diese relativ einfache erfindungsgemäße Maßnahme können elektrische
Felder, welche im Atmungsraum zwischen der sich verjüngenden
Isolation und dem Gehäuse
bei konventionellen Zündkerzen
vorhanden sind, eliminiert werden. Dadurch kann auch bei hohen Drücken die
Erzeugung von Gleitfunken verhindert werden. Ferner können Teilentladungen
im Gehäusestegbereich
vermieden werden und somit auch elektromagnetische Störpulse unterdrückt werden.
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Die
Unteransprüche
zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Das
leitfähige,
flächenartige
Element ist vorzugsweise als vollständig um den Isolator verlaufendes
Band ausgebildet. Dadurch kann sicher eine Entstehung elektrischer
Felder im kritischen Bereich des Atmungsraums zwischen der Isolation
und dem Gehäuse
verhindert werden. Es sei angemerkt, dass es alternativ auch möglich ist,
mehrere nur teilweise umlaufende Bereiche mit dem erfindungsgemäßen leitfähigen, flächenartigen
Element zu versehen, wobei benachbarte Flächenelemente nur in geringem
Umfang voneinander beabstandet sind. Hierbei muss jedoch eine elektrische
Verbindung jedes Elements zum Gehäuse vorhanden sein.
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Besonders
bevorzugt ist das leitfähige,
flächenartige
Element im Bereich eines Dichtsitzes zwischen dem Gehäuse und
dem Isolator angeordnet. Dadurch kann eine sichere Kontaktierung
erreicht werden.
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Weiter
bevorzugt umfasst die Zündkerze
einen Dichtring, welcher zwischen dem Gehäuse und dem Isolator angeordnet
ist, und der Dichtring ist aus einem elektrisch leitenden Material
hergestellt. Das erfindungsgemäße leitfähige, flächenartige
Element ist dabei an einem Bereich des Isolators angeordnet, welcher
auf Höhe
des Dichtrings positioniert ist.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist
das leitfähige,
flächenartige
Element eine Dicke von maximal 100 μm auf. Das leitfähige, flächenartige
Element ist weiter bevorzugt mit einer konstanten Dicke vorgesehen.
Diese Obergrenze der Dicke des Elements weist den Vorteil auf, dass
eine einfache Befestigung gewährleistet
ist. Es sei ferner angemerkt, dass mit einer größer werdenden Schichtdicke
Spannungen im Material erheblich ansteigen, wodurch sich die Befestigung
des Elements verschlechtert. Besonders bevorzugt liegt die Dicke
des leitfähigen,
flächenartigen
Elements im Bereich von ca. 50 μm
bis ca. 80 μm.
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Weiter
bevorzugt ist das leitfähige,
flächenartige
Element am Isolator an einem Bereich des Isolators angeordnet, welcher
im montierten Zustand auf Höhe
eines inneren, umlaufenden Stegs des Gehäuses angeordnet ist. Vorzugsweise überdeckt
das leitfähige,
flächenartige
Element am Isolator dabei wenigstens 70% der Fläche des Isolators, welche zum inneren
Steg des Gehäuses
in Radialrichtung der Zündkerze
gerichtet ist. Durch diese Maßnahme
wird sichergestellt, dass der für
die Bildung von elektrischen Feldern anfällige Raum zwischen dem inneren Steg
des Gehäuse
und dem Isolator zumindest zu 70% mit dem elektrisch leitenden Element überdeckt ist.
Dadurch kann dieser für
Vorentladungen anfällige Bereich
feldfrei gemacht werden, so dass die Neigung zur Entstehung von
Gleitfunken reduziert ist. Es sei ferner angemerkt, dass das leitfähige, flächenartige
Element am Isolator nicht zu weit in Richtung der Elektroden reichen
darf, da sich sonst eine Nebenanschlussanfälligkeit der Zündkerze
wesentlich erhöht.
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Vorzugsweise
bedeckt das leitfähige,
flächenartige
Element, ausgehend von einer Kontaktstelle zwischen Isolator und
Gehäuse,
einen Bereich des Isolators in Richtung von dessen Stirnfläche, an welcher
die Elektroden angeordnet sind, wobei der mit dem leitfähigen, flächenartigen
Element versehene Bereich maximal 50%, vorzugsweise 30% des Abstandes
zwischen der Kontaktstelle und der Stirnfläche des Isolators ist.
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Vorzugsweise
bedeckt das leitfähige,
flächenartige
Element eine Fläche
von mindestens 70% eines Bereichs des Isolators, welcher zur Innenfläche des
Gehäuses
einen Abstand von kleiner gleich 0,5 mm aufweist. Dies stellt ebenfalls
sicher, dass der für die
Entstehung von Gleitfunken in den Arbeitsraum kritische Bereich
feldfrei gemacht wird.
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Besonders
bevorzugt ist das leitfähige,
flächenartige
Element eine leitfähige
Beschichtung. Diese ist einfach und kostengünstig aufbringbar und weist
nur eine geringe Dichte auf.
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Besonders
bevorzugt ist die Beschichtung ein Leitlack, welcher eine elektrische
Leitfähigkeit aufweist.
Dies hat insbesondere den Vorteil, dass die Beschichtung besonders
einfach und kostengünstig aufgebracht
werden kann. Dabei ist es auch nicht notwendig, dass bisherige Montageverfahren
von Zündkerzen
geändert
werden missen. Der Leitlack umfasst vorzugsweise ein Edelmetall,
insbesondere Silber und/oder Platin und/oder Gold und/oder Iridium
und/oder Rhodium, und/oder Tantal und/oder Nickel und/oder Kohlenstoff
oder eine beliebige oxidationsbeständige Legierung hiervon. Die
Oxidationsbeständigkeit
ist wichtig, da im Brennraum hohe Temperaturen und Luftsauerstoff
vorhanden sind.
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Als
leitfähiges,
flächenartiges
Element kann auch ein dünnes
Band bzw. eine dünne
Folie, z.B. Blattgold oder eine andere Edelmetall-haltige Folie, verwendet
werden.
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Zeichnung
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Nachfolgend
wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung beschrieben.
In der Zeichnung ist:
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1 eine
schematische, teilweise geschnittene Teilansicht einer Zündkerze
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung und
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2 ein
Diagramm, welches die Wahrscheinlichkeit des Entstehens von Gleitfunken
in Abhängigkeit
vom Druck im Brennraum für
eine erfindungsgemäße Zündkerze
sowie eine Zündkerze
des Standes der Technik zeigt.
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Bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung
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Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf die 1 und 2 eine
Zündkerze 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung im Detail beschrieben.
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Wie
in 1 gezeigt, umfasst die Zündkerze 1 ein Gehäuse 2,
welches ein Außengewinde 2a aufweist,
mit welchem die Zündkerze 1 an
einem Bauteil einer Brennkraftmaschine befestigt wird. Die Zündkerze 1 umfasst
ferner einen Isolator 3 mit einer brennraumseitigen Stirnfläche 3a.
Im Inneren des Isolators 3 ist eine Mittelelektrode 4 angeordnet,
welche in Längsrichtung
X-X der Zündkerze
angeordnet ist. Eine Masseelektrode 5 ist mit dem Gehäuse 2 verbunden.
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Wie
aus 1 ersichtlich ist, ist zwischen dem Isolator 3 und
dem Gehäuse 2 ein
Atmungsraum 6 ausgebildet. Der Atmungsraum 6 ist
ringförmig
vorgesehen und verjüngt
sich ausgehend vom Elektroden-seitigen Ende der Zündkerze.
An der Innenseite des Gehäuses 2 ist
ferner ein innerer umlaufender Steg 2b ausgebildet. Der
Steg 2b weist eine ringförmige Gestalt auf und eine
Dichtung 9 ist an einem Stufenübergang zwischen dem Steg 2b und
der Innenseite des Gehäuses
zwischen dem Gehäuse 2 und
dem Isolator 3 angeordnet.
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Am
Isolator 3 ist ferner auf der Höhe des Stegs 2b eine
Beschichtung 7 aus einem Silberleitlack aufgebracht. Der
Silberleitlack kann beispielsweise durch Aufsprühen oder Aufwalzen auf den
Isolator 3 aufgebracht werden. Im Bereich der Stufe am Steg 2b liegt
eine ringförmige
Kontaktstelle 8 zwischen dem Gehäuse 2 und der Beschichtung 7.
Die Kontaktstelle 8 stellt einen elektrisch leitenden Kontakt
zwischen dem Gehäuse 2 und
der Beschichtung 7 dar, so dass erreicht wird, dass die
Außenfläche des
Isolators 3 im Bereich des Atmungsraums 6 auf das
elektrische Potential des Gehäuses
gelegt wird. Dadurch kann verhindert werden, dass sich zwischen dem
Isolator 3 und der Innenseite des Gehäuses 2 elektrische
Felder aufbauen, welche dazu führen könnten, dass
während
des Zündzeitpunkts
ein Gleitfunken über
die Stirnfläche 3a des
Isolators 3 in den Atmungsraum 6 springt. Die
leitfähige
Beschichtung 7 eliminiert diese elektrischen Felder im
Bereich des inneren Stegs 2b des Gehäuses 2. Somit kann
erfindungsgemäß insbesondere
bei hohen Drücken
das Entstehen eines Gleitfunkens verhindert werden.
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2 zeigt
hierzu ein Diagramm, welches einen Vergleich einer Zündkerze
mit einem Isolator ohne Beschichtung gemäß dem Stand der Technik sowie
eine erfindungsgemäße Zündkerze
mit einem eine Beschichtung aus Silberleitlack aufweisenden Isolator
zeigt. In 2 ist die Kurve der Zündkerze mit
einem Isolator ohne Beschichtung mit "N" gekennzeichnet
und die Kurve der Zündkerze
mit einem Isolator mit Beschichtung mit "M" gekennzeichnet. "W" bezeichnet die Wahrscheinlichkeit für einen Gleitfunken
in %. Wie aus dem Diagramm von 2 ersichtlich
ist, weist die erfindungsgemäße Zündkerze
auch bei sehr hohen Drücken
nur eine minimale Wahrscheinlichkeit für die Entstehung eines Gleitfunkens
auf. Im Unterschied dazu ist bei der Zündkerze nach dem Stand der
Technik ein signifikanter Anstieg der Wahrscheinlichkeit für das Auftreten
eines Gleitfunkens ab einem Druck von ca. 7 × 105 Pascal
ersichtlich.
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Aus 1 ist
ferner ersichtlich, dass die Beschichtung 7 auf dem Isolator 3 auf
einer Breite B in Längsrichtung
X-X der Zündkerze
ausgehend von der Kontaktstelle 8 vorgesehen ist, wobei
ein Verhältnis
der Breite B zu einem Abstand A von der Kontaktstelle 8 zu
der Stirnfläche 3a des
Isolators 3 ungefähr 1:4
beträgt.
Mit anderen Worten ist die Beschichtung 7 über einen
Flächenbereich
ausgehend von der Kontaktstelle 8 von ca. 25% der Isolatoroberfläche von
der Kontaktstelle 8 bis zur Stirnfläche 3a gebildet. Wie
ferner aus 1 ersichtlich ist, ist dabei
die Beschichtung 7 vollständig über die gesamte Breite des
Stegs 2b vorgesehen. Eine Überdeckung der Beschichtung 7 im
Bereich des Stegs 2b sollte dabei mindestens 70% der Stegbreite
betragen, um den für die
unerwünschten
Vorentladungen anfälligen
Bereich zwischen dem Isolator 3 und dem Gehäuse 2 feldfrei
zu machen. Hierbei sei ferner angemerkt, dass die Beschichtung 7 auf
dem Isolator 3 höchstens
50%, besonders bevorzugt höchstens
30%, des Abstands A zwischen der Kontaktstelle 8 und der Stirnfläche 3a betragen
sollte.
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Als
Beschichtung wird vorzugsweise ein Leitlack, welcher ein Edelmetall
oder eine oxidationsbeständige
leitende Legierung aufweist, verwendet, da im Brennraum oft sehr
hohe Temperaturen auftreten.
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Die
vorliegende Erfindung kann bei allen bekannten Einsatzgebieten von
Zündkerzen
verwendet werden, besonders bevorzugt wird sie jedoch bei Auftreten
hoher Drücke
in Brennräumen
verwendet.