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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine gehäuselose Zündkerze für eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Spannmutter, um die Zündkerze in der Verbrennungskraftmaschine einzuspannen.
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Aus dem Stand der Technik sind Zündkerzen bekannt, welche am Gehäuse ein Gewinde aufweisen und im Zylinderkopf eingeschraubt werden. Die moderne Mehrventiltechnik mit vergrößerten Ein- und Auslasskanälen sowie die bei Direkteinspritzung geforderte nahe Einbaulage am Einspritzventil erfordern eine stetige Bauraumreduzierung bei Zündkerzen. Insbesondere bezieht sich hier die Bauraumreduzierung auf einen verkleinerten Durchmesser der Zündkerze. Jedoch erfordert die Isolation der Hochspannung zwischen den beiden Elektroden eine minimale Wandstärke. Diese minimale Wandstärke der Isolation steht der gewünschten Durchmesserreduzierung entgegen. Der Verzicht auf ein Gewinde am Gehäuse der Zündkerze eröffnet hier Möglichkeiten zur Durchmesserreduzierung und folglich zur Bauraumreduzierung.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Zündkerze mit den Merkmalen des Anspruchs 1 ermöglicht eine Zündkerzenkonstruktion ohne Gehäuse. Der Verzicht auf ein Gehäuse lässt eine Reduktion des Außendurchmessers der Zündkerze und des Zylinderkopfbohrungsdurchmessers zu. Die Wandstärken des Isolators können dabei gleich gehalten bzw. gegebenenfalls vergrößert werden. Dadurch kann die erfindungsgemäße Zündkerze, insbesondere bei Motoren mit Mehrventiltechnik, vergrößerten Ein- und Auslasskanälen und/oder Direkteinspritzung sehr nahe am Einspritzventil eingebaut werden. Die minimale Wandstärke zur Isolation der Hochspannung kann trotzdem eingehalten werden, da erfindungsgemäß kein Bauraum durch ein Kerzengehäuse verbraucht wird. All dies wird erfindungsgemäß erreicht durch eine gehäuselose Zündkerze für eine Verbrennungskraftmaschine, umfassend eine Spannmutter, um die Zündkerze in der Verbrennungskraftmaschine einzuspannen, einen Sitzträger, über den sich die Zündkerze in der Verbrennungskraftmaschine abstützt, eine Mittelelektrode, zumindest eine Masseelektrode, die am Sitzträger angeordnet ist, und einen Isolator, um die Mittelelektrode von der Masseelektrode zu trennen. Dabei spannt im montierten Zustand der Zündkerze die Spannmutter über einen Spannmutternabsatz am Isolator die Zündkerze in der Verbrennungskraftmaschine bzw. im Zylinderkopf ein. Die Spannmutter steht dabei in direkter Berührung mit dem Isolator und insbesondere mit dem Spannmutternabsatz am Isolator. Es ist kein weiteres Gehäuse bzw. keine weitere Ummantelung des Isolators vorgesehen, so dass die erfindungsgemäße Zündkerze einen möglichst geringen Außendurchmesser aufweist.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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In bevorzugter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Spannmutter und der Sitzträger als zwei separate, sich nicht berührende Teile ausgebildet sind. Der Außenumfang der gesamten erfindungsgemäßen Zündkerze wird dadurch in dem Bereich zwischen Spannmutter und Sitzträger lediglich durch den Isolator definiert.
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Ferner ist es bevorzugt, dass der Sitzträger als Manschette auf dem Isolator ausgebildet ist. Der Sitzträger ist somit ein hohlzylindrisches metallisches Bauteil, welches möglichst brennraumnah auf den Isolator aufgesteckt ist. An diesem Sitzträger ist zumindest eine Masseelektrode befestigt, wobei die Masseelektrode über den Sitzträger mit der Verbrennungskraftmaschine bzw. mit dem Zylinderkopf im elektrischen Kontakt steht.
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In bevorzugter Ausführung umfasst der Sitzträger einen Innenabsatz und einen Außenabsatz, wobei der Isolator am Innenabsatz aufliegt und wobei der Außenabsatz zur Auflage in der Verbrennungskraftmaschine ausgebildet ist. Der hohlzylindrische Sitzträger weist einen sich verjüngenden Innendurchmesser auf, wodurch der Innenabsatz entsteht. In entsprechender Weise verjüngt sich der Isolator zur Spitze der Mittelelektrode hin. Durch diese Verjüngung des Isolators entsteht eine Auflagefläche, mit welcher der Isolator am Innenabsatz des Sitzträgers aufliegt. Bevorzugt ist der Innenabsatz am Sitzträger sowie die Auflagefläche am Isolator konisch zulaufend, so dass sich der Isolator am Sitzträger zentriert. Der Außenabsatz am Isolator ist bevorzugt brennraumnäher ausgebildet als der Innenabsatz. Durch eine bevorzugt konische Ausgestaltung des Außenabsatzes zentriert sich der Sitzträger und somit die gesamte gehäuselose Zündkerze in der Verbrennungskraftmaschine.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen gehäuselosen Zündkerze weist der Sitzträger eine innere Dichtfläche zum Isolator hin und eine äußere Dichtfläche zur Verbrennungskraftmaschine hin auf. Die innere Dichtfläche ist bevorzugt am Innenabsatz des Sitzträgers ausgebildet. Die äußere Dichtfläche ist bevorzugt am Außenabsatz des Sitzträgers ausgebildet. Die Einspannung der erfindungsgemäßen Zündkerze mittels der Spannschraube gewährleistet die innere Dichtheit zwischen Isolator und Sitzträger sowie die äußere Dichtheit zwischen Sitzträger und Zylinderkopf bzw. der Verbrennungskraftmaschine.
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In bevorzugter Ausbildung dieser Dichtflächen ist vorgesehen, dass die innere Dichtfläche direkt in Berührung mit dem Isolator ist und/oder die äußere Dichtfläche zur direkten Berührung mit der Verbrennungskraftmaschine ausgebildet ist. Das heißt, der Isolator stützt sich am Sitzträger ohne Dichtelement ab. Dazu wird bevorzugt der Auflagebereich zwischen Isolator und Sitzträger mit einer Glasur versehen. Das vorteilhafte Fehlen eines Dichtelements, welches in vorbekannten Zündkerzen in der Regel als metallische Scheibe ausgebildet ist, reduziert die Auftretenswahrscheinlichkeit für Funkendurchschläge am Isolator, die bevorzugt an Kanten und Graten entstehen. Die Dichtung zwischen Sitzträger und Verbrennungskraftmaschine ist bevorzugt als Kegelsitz oder Flachdichtsitz ausgebildet. Bevorzugt kann auch diese Dichtung bei ausreichend genauer Fertigung der Planflächen über einen Flachdichtsitz ohne Dichtelement abgedichtet werden. Vorteil des Flachdichtsitzes gegenüber dem Kegeldichtsitz ist eine einfachere Fertigung. Folglich können bei ausreichend genauer Fertigung beide Dichtungen, sowohl die innere Dichtung zwischen Sitzträger und Isolator sowie die äußere Dichtung zwischen Sitzträger und Verbrennungskraftmaschine, ohne weitere Dichtelement ausgeführt werden. Jedoch ist es zur Vereinfachung der Fertigung ebenfalls bevorzugt vorgesehen, an der inneren Dichtfläche und/oder an der äußeren Dichtfläche ein weiteres Dichtelement vorzusehen.
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Ferner bevorzugt ist es, dass der Isolator an seiner Auflagefläche im Sitzträger und/oder am Spannmutternabsatz eine Glasur aufweist. Wie bereits beschrieben, optimiert die Glasur am Isolator die innere Dichtfläche zwischen Sitzträger und Isolator.
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Vorteilhafterweise ist die Spannmutter mittels eines ersten Bördelkragens verliersicher am Isolator befestigt. Die Spannmutter wird hierzu an der Unterseite, also der brennraumnäheren Seite, mit einem Kragen versehen, der durch Bördeln umgelegt wird und damit eine Verliersicherung darstellt. Hierzu umfasst der Isolator bevorzugt eine Isolatorschulter. Diese Isolatorschulter mit vergrößertem Außendurchmesser bildet an ihrer oberen Seite, also der brennraumferneren Seite, den Spannmutternabsatz, über welchen die Spannmutter die Verspannungskraft auf den Isolator überträgt. Die Spannmutter sitzt manschettenartig über der kompletten Isolatorschulter, wodurch der untere Kragen der Spannmutter zum Isolator hin gebördelt werden kann und somit ein Bördelkragen zur Verliersicherung entsteht. In bevorzugter Ausgestaltung ist die Isolatorschulter kürzer als der Abstand zwischen der Auflagefläche der Spannmutter auf dem Spannmutternabsatz und dem Bördelkragen. Dadurch kann im unmontierten Zustand der Zündkerze, d. h. bevor die Zündkerze in der Verbrennungskraftmaschine verspannt ist, die Spannmutter im begrenzten Umfang axial auf dem Isolator verschoben werden. Die Dimensionierung der Zündkerze und insbesondere die Höhe des Kragens ist konstruktiv so ausgelegt, dass die Spannmutter vor dem Einschrauben in den Zylinderkopf auf dem Zylinderkopfgewinde aufliegt, wobei gleichzeitig der Sitzträger im Zylinderkopf anliegt. Bevorzugt ergibt somit die gehäuselose Zündkerze zusammen mit ihrer Spannmutter ein zusammenhängendes, leicht montier- und demontierbares Bauteil.
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Des Weiteren ist es bevorzugt, dass die Masseelektrode zu einer Markierung an der Zündkerze ausgerichtet ist, um die Lage der Masseelektrode in der Verbrennungskraftmaschine zu bestimmen. Der Sitzträger wird zu einer Markierung am Isolator oder am elektrischen Anschlussbolzen orientiert befestigt. Eine Ausrichtung der Elektrode im Brennraum ist durch einfache Drehung der Zündkerze somit möglich. Die Stellung der Masseelektrode wiederum im Brennraum ist nach der Montage an der Stellung der Markierung erkennbar.
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Ferner bevorzugt ist es, dass der Sitzträger mittels eines weiteren Bördelkragens am Isolator befestigt ist. Insbesondere wird bei dieser Verbördelung berücksichtigt, dass die Masseelektrode am Sitzträger mit einer Markierung am Isolator bzw. am Anschlussbolzen übereinstimmt.
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Eine erste bevorzugte Variante sieht vor, dass der Bördelkragen des Sitzträgers einen kleinen Absatz am Isolator umgreift und somit der Sitzträger fest mit dem Isolator verbunden ist. Eine zweite bevorzugte Variante sieht vor, dass im Isolator eine kleine Vertiefung vorgesehen ist, wobei der Bördelkragen des Sitzträgers in diese Vertiefung eingreift. Bevorzugt ist diese Vertiefung komplett umlaufend als Nut im Isolator ausgebildet. Der Sitzträger besitzt somit einen Bördelkragen, der in eine Vertiefung des Isolators geformt wird, um eine formschlüssige Verbindung der Bauteile zu gewährleisten. Die Vertiefung der Keramik des Isolators liegt vorteilhafterweise in einem Bereich dickerer Wandstärke, um die elektrische Durchschlagfestigkeit der Kerze nicht zu reduzieren.
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In bevorzugter Ausgestaltung liegt deshalb die Vertiefung zwischen einem Sitz eines Mittelelektrodenkopfes der Mittelelektrode im Isolator und der Auflage des Isolators am Innenabsatz. Dadurch muss der Außendurchmesser der erfindungsgemäßen Zündkerze nicht unnötig vergrößert werden.
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Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass die Oberfläche der Vertiefung elektrisch leitend ausgebildet ist. Zur Erhöhung der elektrischen Durchschlagfestigkeit im Bereich der Vertiefung wird diese vorteilhafterweise elektrisch leitend ausgeführt und mit dem elektrischen Potential des Sitzträgers verbunden. Dabei wird das elektrische Feld im Bereich der Vertiefung gleichmäßig und Gleitfunken werden unterdrückt. Die elektrische Leitung kann bevorzugt durch Auftragen von elektrisch leitenden Schichten auf die Isolatorkeramik und/oder durch das Unterlegen einer elektrisch leitenden Folie unter den Bördelkragen erreicht werden.
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In vorteilhafter Weise wird die erfindungsgemäße Zündkerze wie folgt in den Zylinderkopf bzw. in die Verbrennungskraftmaschine montiert: Die Zündkerze wird in den Zylinderkopf gesteckt und bevorzugt die Stellung der Masseelektrode durch Drehen der gesamten Zündkerze beeinflusst. Zum Erkennen der Stellung der Masseelektrode dient vorteilhafterweise eine Markierung an der Anschlussmutter oder am Anschlussbolzen, wobei hier bevorzugt ein axialer oder radialer Schlitz angebracht ist. Über den Isolator oder den Anschlussbolzen wird eine axiale Kraft auf die Zündkerze aufgebracht, die größer als die zur Gasdichtheit erforderliche Vorspannkraft ist. Während die Zündkerze vorgespannt ist, wird die Spannmutter bis zum Anliegen am Isolator angezogen. Nach dem Anziehen der Spannmutter wird die axiale Kraft entfernt. Dabei hat die Gewindereibung keinen Einfluss auf die Vorspannkraft der Zündkerze. In einer alternativen, bevorzugten und vereinfachten Montagemöglichkeit kann die Zündkerze auch ohne Aufbringen der axialen Kraft nur durch das Anziehen der Spannmutter montiert und vorgespannt werden.
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In bevorzugter Ausgestaltung ersetzt die erfindungsgemäße gehäuselose Zündkerze bestehende Zündkerzen konventioneller Bauart mit Gewinde M12 oder kleiner.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Nachfolgend werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
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1 eine erfindungsgemäße gehäuselose Zündkerze nach einem ersten Ausführungsbeispiel, und
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2 eine Detailansicht einer erfindungsgemäßen gehäuselosen Zündkerze nach einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die 1 zeigt eine erfindungsgemäße gehäuselose Zündkerze 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel vor dem Anziehen einer Spannmutter 3 in einem Zylinderkopf 2. Der Zylinderkopf 2 stellt hier einen Teil einer Verbrennungskraftmaschine dar.
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Die Zündkerze 1 umfasst einen Isolator 7 mit darauf sitzender Spannmutter 3 und aufgestecktem Sitzträger 4. In dem Isolator 7 sind eine Mittelelektrode 5, ein Widerstandspanat 9 und ein Anschlussbolzen 8 eingeführt. Auf dem Anschlussbolzen 8 ist eine Anschlussmutter 10 aufgeschraubt. Am Sitzträger 4 ist eine Masseelektrode 6 befestigt.
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Der Isolator 7 umfasst drei Bereiche mit konstantem Durchmesser. In seinem oberen Bereich, zwischen Anschlussmutter 10 und Spannschraube 3 weist der Isolator 7 einen ersten Durchmesser D1 auf. Dieser erste Durchmesser D1 weitet sich an einer Isolatorschulter 12 zu einem zweiten Durchmesser D2 auf. Zwischen der Isolatorschulter 12 und dem Sitzträger 4 weist der Isolator 7 einen konstanten dritten Durchmesser D3 auf. Dieser dritte Durchmesser D3 ist kleiner als der erste Durchmesser D1 und kleiner als der zweite Durchmesser D2. Im Sitzträger 4 verjüngt sich der Isolator 7 bis hin zu einer Spitze der Mittelelektrode 5.
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Der Bereich mit dem zweiten Durchmesser D2 erstreckt sich über eine Schulternlänge 22. Der Übergang vom ersten Durchmesser D1 zum zweiten Durchmesser D2 bildet einen Spannmutternabsatz 11. Im verspannten Zustand der Zündkerze 1 sitzt die Spannmutter 3 auf diesem Spannmutternabsatz 11 auf.
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Die Spannmutter 3 sitzt manschettenartig über dieser Isolatorschulter 12. Der untere Kragen der Spannmutter 3 ist am Übergang vom zweiten Durchmesser D2 zum dritten Durchmesser D3 nach innen gebördelt, wodurch der erste Bördelkragen 13 entsteht. Zwischen einem Mutternkopf 25 der Spannmutter 3 und diesem ersten Bördelkragen 13 entsteht ein Freiraum 23, wobei dieser Freiraum 23 einen Innendurchmesser größer dem zweiten Durchmesser D2 aufweist. Des Weiteren ist die axiale Freiraumlänge 24 dieses Freiraums 23 größer der Schulterlänge 22. Dadurch ist die Spannmutter 3 in einem gewissen Bereich auf dem Isolator 7 axial verschiebbar. Zur Montage der Zündkerze 1 in dem Zylinderkopf 2 ist an der Spannmutter 3 ein Außengewinde 14 vorgesehen.
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Der Zylinderkopf 2 weist ein entsprechendes Innengewinde 34 auf. Die Dimensionierung der Zündkerze 1, insbesondere der Freiraumlänge 23 und der Schulterlänge 23, ist so gewählt, dass in dem Zustand, dargestellt in 1, also vor dem Anziehen der Spannmutter 3, die Spannmutter 3 mit ihrem ersten Bördelkragen 13 an der Isolatorschulter 12 anliegt, wobei gleichzeitig das Gewinde 14 der Spannmutter 3 auf dem Zylinderkopf 2 aufliegt, jedoch noch nicht eingeschraubt ist und wobei gleichzeitig der Isolator 7 im Sitzträger 4 sitzt und der Sitzträger 4 im Zylinderkopf 2 aufliegt.
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Wie die 1 zeigt, umfasst der Isolator 7 auf Höhe eines Kopfes der Mittelelektrode 6 einen kleinen, nach außen vorstehenden Absatz 26. Der Sitzträger 4 ist um diesen kleinen Absatz 26 gebördelt, wodurch der zweite Bördelkragen 18 entsteht. Die genaue Ausgestaltung des Sitzträgers 4 wird anhand von 2 und dem zweiten Ausführungsbeispiel genauer erläutert. Die geometrische Ausgestaltung des Sitzträgers 4 ist im ersten Ausführungsbeispiel annähernd gleich der im zweiten Ausführungsbeispiel. Die beiden Ausführungsbeispiele unterscheiden sich lediglich in der Verbördelung des Sitzträgers 4 mit dem Isolator 7.
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Anhand des ersten Ausführungsbeispiels wurde gezeigt, wie die erfindungsgemäße gehäuselose Zündkerze 1 konstruktiv ausgestaltet werden kann. Der Verzicht auf ein Gehäuse lässt eine Reduktion des Außendurchmessers der Zündkerze 1 und des Zylinderkopfbohrungsdurchmessers zu. Die Wandstärke des Isolators, insbesondere im brennraumnahen Bereich, beispielsweise beim dritten Durchmesser D3, konnte gleich gehalten bzw. vergrößert werden. Der Sitzträger 4 sowie die Spannmutter 3 sind, im Gegensatz zu einem fließgepressten Gehäuse, fertigungstechnisch relativ einfache Bauteile.
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Im Folgenden wird anhand der 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen gehäuselosen Zündkerze 1 erläutert. Gleiche bzw. funktional gleiche Bauteile sind in den beiden Ausführungsbeispielen mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Die Zündkerzen 1 der beiden Ausführungsbeispiele sind, bis auf die Verbördelung des Sitzträgers 4 mit dem Isolator 7 identisch.
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2 zeigt, wie der Isolator 7 mit einer Auflagefläche 15 an einem Innenabsatz 16 des Sitzträgers 4 aufliegt. Der Sitzträger 4 wiederum umfasst einen Außenabsatz 17, welcher zur Auflage im Zylinderkopf 2 ausgebildet ist. Die Auflagefläche 15, der Innenabsatz 16 sowie der Außenabsatz 17 sind konisch ausgebildet und verjüngen sich jeweils in Richtung des Brennraums hin. Durch diese konische Ausbildung der Berührungsflächen ist eine einfache Zentrierung der Zündkerze 1 im Zylinderkopf 2 möglich. Diese Ausgestaltung der Auflagefläche 15, des Innenabsatzes 16 sowie des Außenabsatzes 17 ist im ersten und zweiten Ausführungsbeispiel identisch.
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Der Isolator 7 des zweiten Ausführungsbeispiels, wie er in 2 gezeigt ist, weist eine Vertiefung 19, ausgebildet als umlaufende Nut, auf. In diese Vertiefung 19 greift der zweite Bördelkragen 18 des Sitzträgers 4 ein. Durch diese Vertiefung 19 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel wird der kleine Absatz 26 aus dem ersten Ausführungsbeispiel vermieden. Dadurch wird der Außendurchmesser der gesamten Zündkerze 1 reduziert. Insbesondere ist keine Vergrößerung des dritten Durchmessers D3 zur Bildung des kleinen Absatzes 26 nötig und der Isolator 7 kann direkt an der Auflagefläche 15 vom dritten Durchmesser D3 in die Verjüngung zur Mittelelektrodenspitze hin übergehen. Die Oberfläche der Vertiefung 19 ist mit einer elektrisch leitenden Schicht ausgebildet. Alternativ zu dieser elektrisch leitenden Schicht auf der Oberfläche ist auch ein Einliegen einer elektrisch leitenden Folie zwischen dem zweiten Bördelkragen 18 und der Vertiefung 19 bevorzugt. Die Vertiefung 19 liegt in Axialrichtung der Zündkerze 1 zwischen dem Sitz des Mittelelektrodenkopfes 20 im Isolator 7 und der Auflagefläche 15 des Isolators 7 im Sitzträger 4.
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Zur Erhöhung der elektrischen Durchschlagsfestigkeit im Bereich der Vertiefung 19 wird deren Oberfläche elektrische leitend ausgeführt und mit dem elektrischen Potential des Sitzträgers 4 verbunden. Dabei wird das elektrische Feld im Bereich der Vertiefung 19 gleichmäßiger und Gleitfunken werden unterdrückt.
