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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zündkerze, welche insbesondere trotz einer Reduzierung ihrer Abmessungen höheren Anforderungen in Motoren gewachsen ist.
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Zündkerzen sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Aufgrund von gestiegenen Anforderungen an die Brennverfahren, bedingt durch die Einhaltung von Emissionswerten und eine Erhöhung der Leistungsdichte steigen auch die Beanspruchungen der Zündkerzen. Insbesondere steigt aufgrund der höheren Brennraumdrücke, bedingt durch eine Hochaufladung und Direkteinspritzung von Kraftstoff, der mittlere Zündspannungsbedarf. Weiterhin verringert sich aufgrund der Bauraumreduzierung der Brennkraftmaschinen ein für eine Zündkerze, insbesondere hinsichtlich ihres Durchmessers, zur Verfügung stehender Platz. Diese veränderten Anforderungen erhöhen jedoch eine elektrische Belastung einer Widerstandseinschmelzung (Panat), welche eine elektrisch leitfähige, gasdichte Kontaktierung zwischen einem Anschlussbolzen und einer Mittelelektrode der Zündkerze herstellt. Aufgrund der höheren elektrischen Belastung des Panats kann es zu einer Überbeanspruchung kommen, wobei eine lokale Energiedichte so groß wird, dass innerhalb des Panats lokale Umschmelzungen auftreten können, wodurch leitfähige Pfade durch das Panat zerstört werden können. Die Folge hiervon ist ein praktisch unendlich hoher Widerstand, so dass die zugeführte Energie dadurch nicht mehr ausreicht, um einen Funken zwischen den Elektroden zu erzeugen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Zündkerze mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass sie höheren elektrischen Belastungen standhält und insbesondere eine dauerhaltbare Widerstandseinschmelzung (Panat) zwischen Anschlussbolzen und Mittelelektrode aufweist. Ferner kann die erfindungsgemäße Zündkerze insbesondere hinsichtlich ihres Durchmessers verkleinert werden, so dass sie auch bei Brennkraftmaschinen mit reduziertem Bauraum verwendet werden kann. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass ein Übergangswiderstand zwischen einzelnen Bereichen in der Widerstandseinschmelzung reduziert wird. Hierzu weist die Widerstandseinschmelzung ein erstes und ein zweites Kontaktpanat auf, welches an einem Anschlussbolzen bzw. einer Mittelelektrode angeordnet ist sowie ein zwischen dem ersten und dem zweiten Kontaktpanat angeordnetes Widerstandspanat mit zumindest einem ersten und einem zweiten Panatbereich auf. Dabei weisen der erste und der zweite Panatbereich einen unterschiedlichen elektrischen Widerstand auf. Somit kann ein zu großer Sprung des elektrischen Widerstands zwischen den einzelnen Schichten vermieden werden. Wenn im Widerstandspanat vorzugsweise genau zwei Panatbereiche verwendet, werden die Panatbereiche mit unterschiedlichem elektrischen Widerstand entsprechend einer bekannten Polaritätsrichtung, mit der die Zündkerze im Zündsystem eingesetzt wird, angeordnet.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Besonders bevorzugt weist das Widerstandspanat in Axialrichtung zwischen Anschlussbolzen und Mittelelektrode einen elektrischen Widerstand in Annäherung an eine Gaußverteilung auf.
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Vorzugsweise weist das Widerstandspanat eine ungerade Anzahl von Panatbereichen auf. Hierdurch kann, ausgehend vom ersten Kontaktpanat, ein jeweils ansteigender Widerstand in den Widerstandspanaten bis zu einem mittleren Panatbereich erfolgen und dann wieder ein abfallender Widerstand bis zum zweiten Kontaktpanat erfolgen.
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Vorzugsweise weist das Widerstandspanat einen dritten Panatbereich auf, welcher in Axialrichtung zwischen dem ersten und zweiten Panatbereich angeordnet ist und welcher einen höheren elektrischen Widerstand als der erste und zweite Panatbereich aufweist. Hierdurch kann mit lediglich drei Panatbereichen im Widerstandspanat eine gute Annäherung an eine Gaußverteilung ermöglicht werden. Besonders bevorzugt ist dabei ein elektrischer Widerstand des ersten und zweiten Panatbereichs gleich.
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Weiter bevorzugt ist eine Differenz zwischen den elektrischen Widerständen der Panatbereiche des Widerstandspanats jeweils gleich und weiter bevorzugt ist eine Differenz der elektrischen Widerstände eines an einem Kontaktpanat angrenzenden Panatbereichs zu diesem Kontaktpanat ebenfalls gleich. Hierdurch können konstante Abstufungen der elektrischen Widerstände in axialer Richtung der Zündkerze erreicht werden.
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Für eine möglichst einfache Herstellbarkeit ist vorzugsweise eine Länge der Panatbereiche des Widerstandspanats in Axialrichtung der Zündkerze gleich.
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Für einen ausreichenden elektrischen Widerstand ist vorzugsweise eine Länge in Axialrichtung jedes Panatbereichs des Widerstandspanats mindestens 0,5 mm.
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Weiter bevorzugt ist eine Gesamtlänge des Widerstandspanats in axialer Richtung der Zündkerze zwischen 5 bis 25 mm und vorzugsweise ungefähr 15 mm.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist ein Durchmesser des Widerstandspanats zwischen 2,5 bis 6 mm und vorzugsweise ungefähr 4 mm. Besonders bevorzugt bleibt der Durchmesser des Widerstandspanats in axialer Richtung dabei konstant.
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Weiter bevorzugt ist ein Gesamtwiderstand der Widerstandseinschmelzung, welcher aus der Summe der einzelnen Bereiche resultiert zwischen 0,5 kΩ bis 10 kΩ, vorzugsweise 1 kΩ bis 2 kΩ, besonders bevorzugt 1,5 kΩ.
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Eine Herstellung eines erfindungsgemäßen Widerstandselements zwischen Anschlussbolzen und Mittelelektrode wird vorzugsweise derart vorgenommen, dass Glasgranulate, welche mit einer leitfähigen Phase beschichtet sind, entsprechend den jeweiligen Kontaktpanaten bzw. Panatbereichen des Widerstandspanats in die Zündkerze eingefüllt werden und dann durch eine thermische Behandlung und Verdichtung die gasdichte Widerstandseinschmelzung zwischen dem Anschlussbolzen und der Mittelelektrode hergestellt wird.
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Die Kontaktpanate weisen vorzugsweise den gleichen elektrischen Widerstand auf, bevorzugt ca. 0,1 Ω. Die Panatbereiche des Widerstandspanats weisen vorzugsweise wenigstens einen tausendfachen Widerstand zum Widerstand der Kontaktpanate auf.
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Zeichnung
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Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
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1 eine schematische Darstellung einer Zündkerze gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit entsprechender Darstellung der elektrischen Widerstände entlang der Axialrichtung der Zündkerze.
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Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
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Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst die erfindungsgemäße Zündkerze 1 einen Anschlussbolzen 2 und eine Mittelelektrode 3. Zwischen dem Anschlussbolzen 2 und der Mittelelektrode 3 ist ein Widerstandselement 4 angeordnet. Das Widerstandselement 4 umfasst ein erstes Kontaktpanat 41 und ein zweites Kontaktpanat 42. Zwischen den ersten und zweiten Kontaktpanat 41, 42 ist ferner ein Widerstandspanat 40 in axialer Richtung X-X der Zündkerze angeordnet.
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Das erste Kontaktpanat 41 umgibt dabei einen zum Widerstandselement 4 gerichteten Endbereich des Anschlussbolzens 2 teilweise. In gleicher Weise umgibt das zweite Kontaktpanat 42 den zum Widerstandselement 4 gerichteten Endbereich der Mittelelektrode 3. Hierdurch wird ein verbesserter Kontakt zwischen den Kontaktpanaten und dem Anschlussbolzen 2 bzw. der Mittelelektrode 3 erreicht.
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Das Widerstandspanat 40 umfasst drei Panatbereiche, nämlich einen ersten Panatbereich 43, einen zweiten Panatbereich 44 und einen dritten Panatbereich 45. Jeder der drei Panatbereiche 43, 44, 45 weist eine Dicke D1, D2, D3 in Axialrichtung X-X auf, wobei die Dicken D1, D2, D3 gleich sind.
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Die Anzahl der Panatbereiche 43, 44, 45 ist ungerade, wobei wenigstens zwei Panatbereiche einen unterschiedlichen elektrischen Widerstand aufweisen. Der elektrische Widerstand W in axialer Richtung X ist in 1 in der linken schematischen Darstellung dargestellt. Der Anschlussbolzen 2 und die Mittelelektrode 3 weisen dabei einen sehr kleinen elektrischen Widerstand von W0 auf. Das erste und zweite Kontaktpanat 41, 42 weisen einen Widerstand W1 auf. Ein Widerstand des ersten Panatbereichs 43 und des zweiten Panatbereichs 44 ist dabei gleich und beträgt W2. Ein Widerstand des dritten Panatbereichs 45 ist größer als W2 und beträgt W3. Im linken Teil von 1 ist der Widerstand W der jeweiligen Bereiche dabei durch die durchgezogene Linie 5 dargestellt. Wie durch die Linie 5 verdeutlicht ist, ergibt sich dabei jeweils an den Übergangsstellen zwischen den Bereichen der Widerstandseinschmelzung ein Sprung des elektrischen Widerstands.
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Im linken Teil von 1 ist zusätzlich noch eine Gaußverteilung 6 über die Länge der Zündkerze in axialer Richtung X in gestrichelter Linie eingezeichnet. Ferner ist zum Vergleich noch ein Verlauf des Widerstands über die axiale Länge von Zündkerzen nach dem Stand der Technik mit einer Strich-Punkt-Linie 7 eingezeichnet. Wie aus 1 deutlich wird, ist dem Stand der Technik dabei ein sehr großer Sprung des elektrischen Widerstands vom ersten Kontaktpanat zu einem durchgängig gleichbleibenden Widerstand des Widerstandspanats 40 auf den Wert W3 vorhanden.
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Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung mit drei Panatbereichen 41, 42, 43, welche das Widerstandspanat 40 bilden, ergibt sich jedoch eine an die Gaußverteilung 6 angenäherte Änderung des elektrischen Widerstands in axialer Richtung X. Hierbei ist der elektrische Widerstand am mittleren Panatbereich 45 mit W3 am höchsten. Wie aus 1 deutlich wird, wird bevorzugt eine ungerade Anzahl von Panatbereichen gewählt, da dadurch eine relativ gute Annäherung an die Gaußverteilung 6 möglich ist. Insbesondere aus herstellungsbedingten Gründen ist es jedoch nicht wirtschaftlich, eine zu große Anzahl von Panatbereichen des Widerstandspanats 40 vorzusehen. Im Ausführungsbeispiel sind drei Panatbereiche gebildet. Es ist jedoch auch noch bevorzugt, dass z. B. fünf oder sieben oder neun oder elf Panatbereiche für das Widerstandspanat 40 gebildet werden. Dabei weist vorzugsweise der mittlere Panatbereich 45 der ungeraden Anzahl von Panatbereichen den höchsten Widerstandswert W3 auf und die in Axialrichtung jeweils gleich weit entfernten Panatbereiche 43, 44 weisen vorzugsweise jeweils den gleichen Widerstandswert W2 auf. Dadurch wird eine treppenartige Funktion in Annäherung an die Gaußverteilung 6 erreicht.
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Ein Gesamtwiderstand des Widerstandspanats 40 ist dabei die Summe der einzelnen Widerstände der drei Panatbereiche 43, 44, 45. Ein Gesamtwiderstand liegt dabei üblicherweise im Bereich von 1,5 kΩ. Ein Widerstand für den ersten und zweiten Panatbereich 43, 44 liegt üblicherweise bei ungefähr 0,375 kΩ. Ein Widerstand für den dritten Panatbereich 45 liegt ungefähr bei ungefähr 0,75 kΩ. Aus Gründen der Entstörsicherheit ist eine Gesamtlänge des Widerstandspanats 40 in axialer Richtung größer als 10 mm, vorzugsweise 15 mm. Eine Mindestlänge der Panatbereiche, insbesondere der Panatbereiche 43, 44, welche mit den Kontaktpanaten 41, 42 in Kontakt sind, ist vorzugsweise gleich oder größer 0,5 mm. Ein Widerstand des ersten und zweiten Kontaktpanats 41, 42 liegt üblicherweise bei ca. 0,1 Ω. Der Durchmesser der Kontaktpanate 41, 42 und des Widerstandspanats 40 ist dabei in Axialrichtung X-X konstant.
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Somit kann erfindungsgemäß ein Übergangswiderstand zwischen den Kontaktpanaten 41, 42 und dem Widerstandspanat 40 reduziert werden. Hierdurch wird eine Dauerhaltbarkeit der Zündkerze erhöht und eine mögliche lokale Überbeanspruchung vermieden. Somit bleiben die leitfähigen Pfade durch das Widerstandspanat 40 erhalten. Dabei kann die erfindungsgemäße Zündkerze einen reduzierten Durchmesser aufweisen.
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Insbesondere kann ein Einschraubgewinde der erfindungsgemäßen Zündkerze auf ein M12-Gewinde oder sogar ein M10-Gewinde reduziert werden, ohne dass es hierbei zu Einschränkungen an der Zündkerze kommt. Auch kann die erfindungsgemäße Zündkerze eine Erhöhung des mittleren Zündspannungsbedarfs auf ca. 25 bis 30 kV ohne Beschädigung vertragen. Auch kann die erfindungsgemäße Zündkerze eine längere Entladedauer eines Zündfunkens bzw. Folgefunkens, wie z. B. bei stationären Motoren, welche ein abgemagertes Brenngas entflammen müssen, überstehen.
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Auch ist eine Herstellung des Widerstandselements 4 der erfindungsgemäße Zündkerze relativ einfach möglich, indem beispielsweise Glasgranulate, welche mit unterschiedlich leitfähigen Phasen beschichtet sind, abwechselnd in die Zündkerze eingebracht werden und dann in einem Schritt durch eine thermische Behandlung eine Verdichtung die gasdichte Widerstandseinschmelzung hergestellt werden kann.
