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Die Erfindung geht aus von der Verwendung eines halogenfreien Kontaktmittels für ein Zündkerzensystem aus Zündkerze und Zündkerzenstecker, wobei das Kontaktmittel zwischen einem Isolationskörper der Zündkerze und einer Schutzkappe des Zündkerzensteckers angeordnet ist. Ferner geht die die Erfindung aus von einem Zündkerzensystem, einer Zündkerze und einem Zündkerzenstecker mit dem Kontaktmittel.
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Für die Entflammung eines zündfähigen Kraftstoff-Luft-Gemisches zum Betrieb von Verbrennungsmotoren, die nach dem Otto-Prinzip arbeiten, wird die erforderliche Zündenergie nach aktuellem Stand der Technik durch eine Funkenentladung an einer Zündkerze zur Verfügung gestellt. Hierzu ist eine Hochspannungsquelle erforderlich, die die einzelnen Zündkerzen des Verbrennungsmotors zum gegebenen Zeitpunkt einer elektrische Zündspannung aussetzt. Diese Zündspannung bewirkt den Überschlag eines Zündfunken zwischen zwei in definiert geringem Abstand zu einander angeordneten Elektroden. Eine Verbindung zwischen der Zündkerze und einem von der Hochspannungsquelle kommenden elektrischen Leiter wird dabei mittels eines Zündkerzensteckers erreicht. Alternativ dazu kann der Zündkerzenstecker auch Bestandteil der Hochspannungsquelle selbst sein, ohne dass ein zusätzlicher elektrischer Leiter verwendet wird.
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Nach aktuellem Stand der Technik werden Zündkerzenstecker als Silikonformteile mit einer elastischen Schutzkappe und einem sich innerhalb der Schutzkappe befindlichen metallischen Anschluss zur elektrischen Kontaktierung eines entsprechenden Anschlusses der Zündkerze ausgebildet. Die äußere Schutzkappe dient zum einen der Fixierung des Zündkerzensteckers auf der Zündkerze und somit zur Sicherstellung einer dauerhaften Kontaktierung zwischen den beiden Anschlüssen. Hierzu wird diese beim Aufstecken des Zündkerzensteckers auf die Zündkerze radial gedehnt und somit kraftschlüssig auf einem den Anschluss der Zündkerze umgebenden keramischen Isolationskörper gehalten. Zum anderen bezweckt der eng an dem Isolationskörper anliegende Sitz der Schutzkappe eine Dichtwirkung, die nicht nur eine Beeinträchtigung der elektrischen Kontaktierung zwischen den Anschlüssen von Zündkerze und Zündkerzenstecker durch eintretenden Schmutz und Feuchtigkeit, sondern zudem auch einen elektrischen Überschlag entlang der Zündkerzenkontur bei angelegter elektrischer Hochspannung verhindert. Durch die elastische Schutzkappe können regelmäßig elektrische Impulsspannungen von über Û = 35 kV mit Zeitkonstanten, wie sie in Zündsystemen von KFZ-Verbrennungsmotoren üblich sind, elektrisch isoliert werden.
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Für Zündkerzenstecker werden nach aktuellem Stand der Technik Silikonformteile aus Methyl-Vinyl-Silikonkautschuk (VMQ) verwendet, die sich insbesondere für Einsatztemperaturen bis zu ca. 230°C eignen. Diese sind zudem hinreichend alterungsbeständig und weisen eine gute Chemikalienbeständigkeit auf, wodurch sie für die Verwendung im Motorraum von Kraftfahrzeugen grundsätzlich gut geeignet sind.
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Zur Wartung des Verbrennungsmotors müssen die Zündkerzenstecker regelmäßig von den Zündkerzen entfernt werden. Daher ist es erforderlich, dass die Zündkerzenstecker auch nach mehreren Steckzyklen noch eine sichere Kontaktierung zu der Zündkerze herstellen. Um dies zu gewährleisten ist es erforderlich, ein Verbacken der Schutzkappe mit dem keramischen Isolationskörper der Zündkerze zu vermeiden, das insbesondere als Folge der im Motorraum auftretenden Temperaturwechsel stattfinden kann. Daher ist nach derzeitigem Stand der Technik der Einsatz eines Trennmittels in Form einer Fettung oder auch einer Talkumierung des Silikonformteils zwingend erforderlich. Diese Trennmittel wirken regelmäßig gleichzeitig auch als Schmiermittel, um das Aufstecken des Zündkerzensteckers auf die Zündkerze zu vereinfachen bzw. ohne Beschädigung der Schutzkappe durchführen zu können, und verbessern teilweise auch die Dichtwirkung der Schutzkappe. Zur Fettung werden derzeit aufgrund der zu erwartenden Temperaturbelastungen Fette verwendet, deren chemische Zusammensetzung auf synthetisch hergestellten perfluorierten Polyether-(PFPE)-Verbindungen basiert.
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Aufgrund der verschiedenen Bauformen von handelsüblichen Zündkerzen, von denen mehrere oder alle mit einem bestimmten Verbrennungsmotor kompatibel sein sollen, und der relativ großen Toleranzen dieser Bauteile, wonach die Ist-Maße gemäß aktuell gültiger Normen durchaus mehrere Zehntel Millimeter vom definierten Nennmaß abweichen können, ist es jedoch auch unter Verwendung von Silikonformteilen aus VMQ-Werkstoffen technisch regelmäßig nicht möglich, alle Luftspalte zwischen der Schutzkappe des Zündkerzensteckers und dem Isolationskörper der Zündkerze konstruktiv, d. h. durch entsprechende Formgebung der Schutzkappe, sicher zu vermeiden. Beim Anlegen einer elektrischen Hochspannung an den Zündkerzenanschluss kann es daher zu elektrischen Gasentladungsereignissen in den vorhandenen Hohlräumen, den sogenannten Teilentladungen, kommen. Diese Teilentladungen sind lokal auftretende Koron- oder Funkenentladungen im Isolationssystem, die die grundsätzliche Funktion des Bauteils zunächst nicht oder nicht wesentlich beeinträchtigen. Dennoch ist nach aktuellem Stand der Technik bekannt, dass derartige Teilentladungen die Luft in den vorhandenen Spalten und Hohlräumen zersetzen und es zur Bildung von Ozon und – bei Vorhandensein von Feuchtigkeit – auch zur Entstehung von Salpetersäure kommen kann. Zudem ist bekannt, dass es bei der Zersetzung von perfluorierten Polyethern, wie sie derzeit als Trennmittel zum Einsatz kommen, (z. B. bei der thermischen Zersetzung ab Temperaturen von T > 290°C) zur Freisetzung von toxischen und korrosiven Gasen kommen kann. Unter anderem ist dabei die Entstehung von Fluorwasserstoff (HF) und Carbonyldifluorid (CO2F) zu erwarten. Fluorwasserstoff zusammen mit Feuchtigkeit hat ein äußerst hohes Schädigungspotenzial, da hier die Entstehung von Flusssäure droht, was eine Materialzersetzung (Materialaufweichung) zu Folge hat. Selbst chemikalienbeständige VMQ-Werkstoffe sind angesichts einer derartigen Säurebelastung in ihrer Zuverlässigkeit und Lebensdauer deutlich herabgesetzt, sofern hohe Teilentladungen ausreichend lange wirken können. Im Ergebnis führen die Teilentladungen zu einer Versprödung und Verhärtung des Werkstoffs, was insbesondere bei einem Abziehen des Zündkerzensteckers im Rahmen einer Wartung des Verbrennungsmotors zu einem vollständigen Versagen des Bauteils führen kann.
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Die Druckschrift
DE 38 16 766 A1 beschreibt ein Zündkerzensystem mit einer Schicht aus einem weichen, elastischen Silikonharz an zumindest einem Isolierteil.
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Die Druckschrift
DE 31 32 422 A1 offenbart ein Zündkerzensystem mit einem Gemisch eines fettartigen Schmiermittels und eines pulverförmigen Gleitmittels wie etwa Talkum zwischen Zündkerze und Zündkerzenstecker.
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Die Druckschrift
DE 692 18 639 T2 beschreibt Silikonkautschuk-Zusammensetzungen für Schutzüberzüge für elektrische Teile.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Kontaktmittel, das zwischen einer Schutzkappe eines Zündkerzensteckers und einem Isolationskörper einer Zündkerze angeordnet ist, um eine trennende, schmierende und/oder dichtende Funktion zu erfüllen, anzugeben. Insbesondere sollte das Kontaktmittel eine verlängerte Lebensdauer der Schutzkappe des Zündkerzensteckers möglich machen.
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Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände des unabhängigen Patentanspruchs 1 sowie der nebengeordneten Patentansprüche 5, 6 und 7 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
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Der Kern der Erfindung liegt in der Verwendung eines halogen- und insbesondere fluorfreien Kontaktmittels auf Basis von Polysiloxan zur Anordnung zwischen einem Isolationskörper einer Zündkerze eines Verbrennungsmotors und einer Schutzkappe eines Zündkerzensteckers. Das erfindungsgemäße Kontaktmittel, das vorzugsweise großflächig und besonders bevorzugt möglichst vollflächig zwischen dem Isolationskörper und der Schutzkappe angeordnet ist, kann dort als Trenn-, Schmier- und/oder Dichtmittel wirken. Durch den Verzicht auf Halogene bzw. Halogenverbindungen als Bestandteil des Kontaktmittels können die oben beschriebenen, mit dem derzeit als Kontaktmittel zum Einsatz kommenden perfluorierten Polyether verbundenen Nachteile vermieden werden.
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Das erfindungsgemäße Kontaktmittel basiert auf Polysiloxan und besonders bevorzugt auf Polydimethylsiloxan, das nicht nur (in dem für Zündkerzenstecker relevanten Temperaturbereich von ca. T = –40°C bis ca. T = 200°C) ausreichend thermisch stabil ist bzw. ausgebildet werden kann, sondern zudem eine Viskosität aufweisen kann, über die eine gewünschte gute „Anschmiegsamkeit” erreicht werden kann, d. h. das erfindungsgemäße Kontaktmittel verschließt sicher auch kleine und kleinste Hohlräume, die zwischen dem Isolationskörper und der Schutzkappe ausgebildet sind und ansonsten zu den oben beschriebenen problematischen elektrischen Überschlägen führen können. Diese Viskosität bleibt zudem in dem angegebenen relevanten Temperaturbereich ausreichend konstant. Weitere relevante Vorteile bei der erfindungsgemäßen Verwendung eines Kontaktmittels auf Basis von Polysiloxan sind dessen geringe Degradierungsneigung, die teilweise auch darauf zurückzuführen ist, dass die Schutzkappen von Zündkerzensteckern regelmäßig und erfindungsgemäß auch bevorzugt aus einem Elastomer auf Basis von Polysiloxan ausgebildet sind, wodurch sich eine diesbezüglich vorteilhafte Werkstoffverwandtschaft ergibt. Im Übrigen ist Polysiloxan ausgeprägt hydrophob, wodurch verhindert werden kann, dass Säuren wie z. B. Salpetersäure, die bei der Zersetzung von Luft durch Teilentladungen in Verbindung mit Feuchtigkeit entstehen können, gebildet werden.
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Weiterhin bevorzugt kann vorgesehen sein, dass das erfindungsgemäß verwendete Kontaktmittel Siliciumdioxid (Kieselsäure) umfasst. Das Siliciumdioxid kann insbesondere als Verdickungsmittel wirken, um – in einer bevorzugten Verbindung mit einem Silikonöl (Zweiphasensystem) – eine relativ hohe Viskosität (vorzugsweise pastös) des Kontaktmittels einzustellen. Dadurch kann insbesondere die Verarbeitbarkeit des Kontaktmittels verbessert werden.
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Vorzugsweise weist das Siliciumdioxid eine Partikelgröße von ca. 0,1 μm bis ca. 10 μm (hochdisperses Siliciumdioxid) auf. Es hat sich nämlich herausgestellt, dass sich Siliciumdioxid-Partikel in dieser Größe gut, d. h. möglichst homogen in einer Polysiloxan-Matrix verteilen lassen.
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Ein erfindungsgemäßer, eine elastische und vorzugsweise aus einem Silikon-Kautschuk (VMQ) bestehende Schutzkappe aufweisender Zündkerzenstecker ist dadurch gekennzeichnet, dass die Innenseite der Schutzkappe zumindest in einem Abschnitt und vorzugsweise über den gesamten Abschnitt der Innenseite, der für einen dichtenden Kontakt mit der Außenseite einer Zündkerze vorgesehen ist, mit einem erfindungsgemäß verwendeten Kontaktmittel beschichtet (benetzt) ist.
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Eine erfindungsgemäße, einen ein elektrisches Kontaktelement umgebenden Isolationskörper aufweisende Zündkerze ist dadurch gekennzeichnet, dass die Außenseite des Isolationskörpers zumindest in einem Abschnitt und vorzugsweise über den gesamten Abschnitt der Außenseite, der für einen dichtenden Kontakt mit der Innenseite eines Zündkerzensteckers vorgesehen ist, mit einem erfindungsgemäß verwendeten Kontaktmittel beschichtet (benetzt) ist.
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Ein erfindungsgemäßes Zündkerzensystem, das zumindest eine Zündkerze mit einem Isolationskörper, der ein elektrisches Kontaktelement umgibt, und einen Zündkerzenstecker mit einer elastischen Schutzkappe, die dichtend auf den Isolationskörper der Zündkerze aufgesteckt ist, umfasst, ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Isolationskörper und der Schutzkappe ein erfindungsgemäß verwendetes Kontaktmittel angeordnet ist.
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Die Schichtdicke der aus einem erfindungsgemäßen Kontaktmittel bestehenden Beschichtung bei einem erfindungsgemäßen Zündkerzenstecker, bzw. einer erfindungsgemäßen Zündkerze bzw. einem erfindungsgemäßen Zündkerzensystem beträgt vorzugsweise ca. zwischen 10 μm und 1000 μm.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
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1: ein erfindungsgemäßes Zündkerzensystem in einer teilweise geschnitten Seitenansicht.
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Die 1 zeigt in einer teilweise geschnittenen Seitenansicht die wesentlichen Elemente eines erfindungsgemäßen Zündkerzensystems. Dieses umfasst eine Zündkerze 1 sowie einen Zündkerzenstecker 2, der auf einen oberen Abschnitt der Zündkerze 1 aufsteckbar ist, um einen elektrischen Kontakt zwischen der Zündkerze 1 und einer nicht dargestellten Zündspannungsquelle herzustellen.
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Die Zündkerze 1 umfasst einen elektrisch leitenden Anschlussbolzen 3, der von einem keramischen Isolatorkopf 4 umgeben ist. An den Isolatorkopf 4 schließt sich ein hohles Gehäuse 5 an, innerhalb dessen ein Isolatorfuß 6 verläuft. Der Isolatorfuß 6 umgibt eine Mittelelektrode 7, die elektrisch leitend mit dem Anschlussbolzen 3 verbunden ist. Das Gehäuse umfasst einen unteren Abschnitt mit einem Außengewinde 8, über das die Zündkerze in ein entsprechendes Innengewinde eines Zylinderkopfs einer Brennkraftmaschine (nicht dargestellt) eingeschraubt werden kann. An den das Außengewinde 8 aufweisenden Abschnitt des Gehäuses schließt sich eine um 90° gebogen verlaufende Masseelektrode 9 an, die in einem definierten Abstand zu dem freien Ende der Mittelelektrode 7 endet und dadurch einen Zündfunkenspalt zwischen sich und der Mittelelektrode 7 ausbildet.
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Der Zündkerzenstecker 2 umfasst eine Schutzkappe 10 aus Methyl-Vinyl-Silikonkautschuk sowie ein in den oberen Abschnitt der Schutzkappe 10 integriertes Kontaktelement 11. Das Kontaktelement 11 ist elektrisch leitend mit der Zündspannungsquelle verbunden ist.
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Für den Einsatz der Zündkerze 1 wird der Zündkerzenstecker 2 auf das obere Ende der Zündkerze 1 aufgesteckt, bis ein Rastelement 12 des Kontaktelements 11 in eine Umfangsnut 13 des Anschlussbolzens 3 einrastet, um eine elektrische Kontaktierung sicherzustellen. Alternativ kann bei festgeschraubten Hochspannungserzeugern anstelle des Rastelements 12 auch eine Druckfeder zur Kontaktierung verwendet werden. Der untere Abschnitt der Schutzkappe 10 des Zündkerzensteckers 2 umgibt dann vollumfänglich den Isolationskopf 4 der Zündkerze 1, wobei die elastisch verformbare Schutzkappe 10 radial gedehnt wird. Durch die elastische Dehnung wird ein dichtes Anliegen der Schutzkappe 10 an dem Isolationskopf 4 erreicht. Dieses dichte Anliegen sorgt zum Einen – in Verbindung mit dem in die Umfangsnut einrastenden Rastelement 12 – für einen festen Halt des Zündkerzensteckers 2 auf der Zündkerze 1 und dichtet zudem den elektrischen Kontakt zwischen Anschlussbolzen 3 und Kontaktelement 11 gegen die Umgebung ab, um ein Eindringen von Schmutz und Feuchtigkeit nach Möglichkeit zu verhindern.
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Die Schutzkappe 10 ist vollflächig in demjenigen Bereich, in dem sie mit dem Isolatorkopf 4 in Berührung kommt, mit einer Beschichtung 14 aus einem erfindungsgemäßen Kontaktmittel versehen. Das Kontaktmittel ist als Zweiphasensystem aus einem thermostabilen Silikonöl und nicht-schmelzendem, hochdispersem Siliciumdioxid (Kieselsäure) ausgebildet. Beim Aufstecken des Zündkerzensteckers 2 auf die Zündkerze 1 wirkt das Kontaktmittel als Schmiermittel, um die gleitende Bewegung der Schutzkappe 10 auf dem Isolatorkopf 4 zu verbessern. Im zusammengesteckten Zustand des Zündkerzensystems dient das Kontaktmittel zum einen als Dichtmittel, das mögliche Lufteinschlüsse zwischen der Schutzkappe und dem Isolatorkopf ausfüllt und dadurch die Entstehung von Teilentladungen verhindert, und zum anderen – in Folge der schmierenden Wirkung – als Trennmittel, das ein Verbacken der Schutzkappe 10 mit dem Isolatorkopf 4 nach einem längeren Einsatz des Zündkerzensystems verhindert.
