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Die Erfindung geht von einer Zündkerze mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen aus. Eine solche Zündkerze ist aus der
österreichischen Patentschrift Nr. 116241 bekannt. Bei dieser bekannten Zündkerze ist der Isolator weit in den metallischen Körper, welcher das Gehäuse der Zündkerze bildet, zurückgezogen und zusätzlich noch durch einen an die Vorderseite des Isolators angesetzten Metallhals geschützt, von welchem die Mittelelektrode der Zündkerze vorsteht und ein Stück weit aus dem das Gehäuse der Zündkerze bildenden metallischen Körper ragt. Dadurch soll einem Versagen des Isolators durch Springen des Isolators und durch Bildung einer leitenden Rußbrücke vorgebeugt werden.
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Aufwendige Konstruktionen von Zündkerzen, wie sie in der
österreichischen Patentschrift 116241 offenbart sind, sind seit mehreren Jahrzehnten nicht mehr gebräuchlich, weil die Qualität der keramischen Isolatoren so stark verbessert werden konnte, dass es günstiger war, die Vorderseite des Isolators nicht in das metallische Gehäuse zurückzuverlagern, sondern über den vorderen Rand des metallischen Körpers, welcher das Gehäuse der Zündkerze bildet, vorstehen zu lassen.
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Inzwischen sind durch neuere Entwicklungen in der Motorentechnik, insbesondere durch das Downsizing von Ottomotoren, die Beanspruchungen, denen die Zündkerzen ausgesetzt sind, erheblich angestiegen. Beim Downsizing versucht man, den Hubraum der Motoren zu verkleinern, ohne die Motorleistung zu verkleinern, vorzugsweise die Motorleistung sogar noch zu erhöhen, insbesondere durch Verwendung von Turboladern mit hohen Mitteldrücken bis zu 25 Bar. Dadurch entstehen neue Probleme und es tauchen alte Probleme wieder auf, die man bei weniger hochgezüchteten Motoren schon überwunden hatte, wie z. B. Vorentflammungen und Klopfen als Begleiterscheinung von unkontrollierten Verbrennungen, wobei jedoch durch die hohe Verdichtung in den modernen hochgezüchteten Motoren die schädlichen Folgen unkontrollierter Verbrennung gravierender sind als früher.
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Unkontrollierte Verbrennungen können zu sogenannten Megaklopfern führen, deren starke Druckwellen oder Stoßwellen zu einem Bruch des keramischen Isolators führen können und die Gefahr eines Motorschadens in sich bergen. Der mit hohem Druck eingespritzte Kraftstoff kann, wenn er mit dem keramischen Isolator in Berührung kommt, einen Temperaturschock auslösen, der zu Rissen in der Keramik führt. Risse und Brüche in dem keramischen Isolator können auch durch „Scavenging” hervorgerufen werden. Unter Scavenging versteht man die Vermischung von Frischgasen und Abgasen im Raum zwischen den Zylinderauslässen und einem Turbolader eines Viertaktmotors beim Ladungswechsel. Die Vermischung ergibt sich durch eine Überschneidung der Öffnungszeiten von Auslassventilen und Einlassventilen des Viertaktmotors. Das Scavenging führt zu einer Erhöhung der Drehzahl des Turboladers und zu einer erwünschten Leistungssteigerung der Motoren bei niedriger Motorendrehzahl erhöht jedoch die thermische Wechselbelastung der Zündkerzen mit der Gefahr von Keramikrissen und Keramikbrüchen. Die Klopfgrenze, das ist der Zeitpunkt, bei welchem erstmals das Klopfen auftritt, verhindert das Betreiben des Ottomotors mit einem für die Verbrennung optimalen Zündwinkel, dem man sich weiter annähern könnte, wenn man Zündkerzen hätte, welche robuster sind als bisherige Zündkerzen, insbesondere unempfindlicher gegen die Beanspruchung durch Klopfen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine solche robustere Zündkerze zu schaffen, welche in modernen Hochleistungsmotoren, insbesondere solchen, die das Ergebnis von Downsizing sind, eine längere Lebensdauer haben als herkömmliche Zündkerzen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Zündkerze mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Zündkerze sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Erfindung hat wesentliche Vorteile:
- • Der dem Brennraum des Motors zugewandte, vordere, freiliegende Abschnitt des Isolators, nachstehend auch als Isolatorfuß bezeichnet, ist durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Zündkerze so abgeschirmt und geschützt, dass Stoßwellen, ausgelöst von unkontrollierten Verbrennungen, und Temperaturschocks durch Frischgasspülungen oder Benetzung mit Kraftstoff keine Auswirkungen auf die Lebensdauer der Zündkerze haben.
- • Die erfindungsgemäße Ausbildung der Zündkerze verteuert ihre Herstellung gegenüber herkömmlichen Zündkerzen nicht, verbilligt sie aber gegenüber der aus der österreichischen Patentschrift Nr. 116241 bekannten Zündkerze.
- • Das vordere Ende des Isolators ist zwar in den hohlen Körper aus Metall zurückverlagert, welcher das Gehäuse der Zündkerze bildet, befindet sich aber dennoch nahe bei der innen liegenden Ringschulter des metallischen Körpers, welche vor dem vorderen Ende des Isolators angeordnet ist. Die Mittelelektrode, welche das eine Ende der Funkenstrecke bildet und zu diesem Zweck etwas über das vordere Ende des Körpers aus Metall vorsteht, kann deshalb kurz gehalten werden, wodurch die thermische Belastung des Isolators infolge von Wärmeaufnahme durch die Mittelelektrode klein gehalten wird.
- • Die erfindungsgemäß vorgesehenen Maße schirmen den Isolator hinreichend gut ab und sorgen gleichzeitig dafür, dass unkontrollierte, nicht gewollte elektrische Entladungen im Bereich des Atmungsraumes der Zündkerze verhindert werden, so dass stabile Funkenentladungen nur auf der dafür vorgesehenen Funkenstrecke zwischen der Mittelelektrode und der Masseelektrode stattfinden. Unter dem Atmungsraum der Zündkerze wird der in dem hohlen Körper aus Metall liegende freie Luftraum verstanden, in welchen der Isolator mit seinem vorderen Ende hineinragt und welchen die Mittelelektrode durchquert.
- • Schockwellen, die von einer irregulären Verbrennung ausgehen können, erfassen den Isolatorfuß nicht oder allenfalls so stark geschwächt, dass der Isolator dadurch keine mechanische Schädigung erfährt.
- • Die erfindungsgemäße Ausbildung der Zündkerze verhindert vollständig oder weitgehend, dass der Isolatorfuß von kühlen Kraftstofftröpfchen getroffen wird.
- • Temperaturschocks, die im Zylinder des Motors durch kalte Ansaugluft besonders bei Spülvorgängen infolge hoher Ventilüberschneidungen auftreten, können in dem abgeschirmten Atmungsraum nicht auftreten. Mindestens wird das Eintreten von Ansaugluft in den Atmungsraum so stark gedrosselt, dass dadurch keine Schädigungen des Isolators zu erwarten sind.
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Erfindungsgemäß sind der Abstand der Mittelelektrode von der Ringschulter und der Abstand des freiliegenden vorderen Endes des Isolators vom metallischen Körper größer oder gleich dem 1,2-fachen Elektrodenabstand und der Abstand des vorderen Endes des Isolators von der Vorderseite der Ringschulter beträgt höchstens 2 mm zuzüglich des 1,2-fachen Elektrodenabstandes, vorzugsweise höchstens 1,5 mm zuzüglich des 1,2-fachen Elektrodenabstandes, noch besser nur 1,3 mm zuzüglich des 1,2-fachen Elektrodenabstandes. Das gewährleistet einerseits eine gute Abschirmung des Atmungsraumes der Zündkerze und des in diesen hineinragenden Isolatorfußes als auch eine möglichst geringe Wärmeaufnahme der über den Isolator vorstehenden Mittelelektrode.
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Die Ringschulter, welche den Atmungsraum der Zündkerze abschirmt, könnte gegenüber der Vorderseite des metallischen Körpers der Zündkerze in diesen Körper hinein zurückversetzt sein. Vorzugsweise fällt jedoch die Vorderseite der Ringschulter mit der Vorderseite des metallischen Körpers zusammen, wodurch sich eine kompakte Ausbildung im Bereich des vorderen Endes der Zündkerze ergibt, die trotz der Verlagerung des vorderen Endes des Isolators in den Atmungsraum eine besonders kurze vorstehende Länge der Mittelelektrode ermöglicht.
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Die Ringschulter ist durch eine vorzugsweise zylindrische Bohrung begrenzt, deren Achse mit der Längsachse der Mittelelektrode zusammenfällt, und ist vor dem vorderen Ende des Isolators angeordnet. Die Ringschulter hat einen oberen inneren Rand. Unter dem oberen inneren Rand der Ringschulter wir der dem Isolator zugewandte Rand der Ringschulter verstanden, welcher zugleich der hintere Rand der die Ringschulter begrenzenden Bohrung ist. Der Abstand zwischen dem vorderen Ende des Isolators und dem oberen inneren Rand der Ringschulter beträgt ebenfalls mindestens das 1,2-fache des Elektrodenabstands. Das ist günstig für die Abschirmung des Isolators.
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Die Länge der Bohrung und damit die Höhe der Ringschulter ist vorzugsweise kleiner als die Dicke der angrenzenden Umfangswand des metallischen Körpers. Das gewährleistet, dass die von den Verbrennungsvorgängen auf die Ringschulter übertragene Wärme gut in den metallischen Körper der Zündkerze abfließen kann. Je kühler die Ringschulter bleibt, desto besser schirmt sie den Isolatorfuß thermisch ab und führt Wärme der Masseelektrode ab.
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Vorzugsweise hat die Ringschulter eine dem Isolator zugewandte konische Oberseite so dass sich die Höhe der Ringschulter radial von innen nach außen erhöht. Das begünstigt den Wärmeabfluss von der Ringschulter in den metallischen Körper. Der zwischen der Längsachse der Mittelelektrode und der konischen Oberseite der Ringschulter gemessene Winkel beträgt vorzugsweise 30° bis 75°, insbesondere 50° bis 60°.
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Zweckmäßigerweise ist der Hohlraum des metallischen Körpers eine durchgehende Stufenbohrung, in welche der Isolator von hinten her eingeschoben wird, bis er mit einer Schulter, die den Isolatorfuß begrenzt, an der Stufe der Stufenbohrung anschlägt. Das ermöglicht eine reproduzierbare Positionierung des Isolators in dem metallischen Körper.
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Das vordere Ende des Isolators muss nicht stumpf sein, ist aber vorzugsweise stumpf, wobei der Rand der stumpfen Vorderseite vorzugsweise etwas abgerundet ist. Das hat sich für die Haltbarkeit des Isolators als günstig erwiesen.
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Die Abschirmung des Atmungsraum und des Isolators ist dann besonders gut, wenn die Ringschulter das vordere stumpfe Ende des Isolators teilweise überdeckt, d. h., wenn der Innendurchmesser der Ringschulter kleiner ist als der Außendurchmesser des stumpfen Endes des Isolators. Um das zu erreichen, ist die Mittelelektrode vorzugsweise so ausgebildet, dass sie sich im Bereich zwischen dem vorderen Ende des Isolators und der engsten Stelle der Ringschulter verjüngt, insbesondere konisch verjüngt, vor allem dann, wenn die Oberseite der Ringschulter, wie bevorzugt, ebenfalls konisch ist.
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Vorzugsweise verjüngt sich auch der Isolator zu seinem vorderen Ende hin, und zwar insbesondere konisch, unbeschadet der Tatsache, dass das vordere Ende des Isolators vorzugsweise stumpf ausgebildet ist. Der sich verjüngende Abschnitt des Isolators schließt vorzugsweise unmittelbar an dessen vorderes, stumpfes Ende an. Der Winkel zwischen der Längsachse der Mittelelektrode und der sich konisch verjüngenden Oberseite des Isolators ist zweckmäßigerweise kleiner als 10°, vorzugsweise beträgt er 5° bis 7°.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den beigefügten Zeichnungen dargestellt. Gleiche oder einander entsprechende Teile sind in den verschiedenen Beispielen mit übereinstimmenden Bezugszahlen bezeichnet.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Zündkerze zur Hälfte in einer Seitenansicht und zur Hälfte im Schnitt,
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2 zeigt das vordere Ende der Zündkerze aus 1, wiederum zur Hälfte in einer Seitenansicht und zur Hälfte im Schnitt, mit der Bezeichnung von Maßen, die am besten eingehalten werden sollten,
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3 zeigt das vordere Ende der Zündkerze aus 1 im Schnitt mit der Bezeichnung von weiteren Maßen, die am besten eingehalten werden sollten,
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4 zeigt das vordere Ende einer abgewandelten Zündkerze in einem Längsschnitt entsprechend der 3, und
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5 zeigt das vordere Ende einer weiteren abgewandelten Zündkerze in einem Längsschnitt entsprechend der 3.
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1 zeigt eine Zündkerze mit einem hohlen Körper 1 aus Metall, der das Gehäuse der Zündkerze bildet und einen Isolator 2 aufnimmt, in welchem eine Mittelelektrode 4 steckt, die über das vordere Ende 16 des Isolators 2 und über das vordere Ende 17 des Körpers 1 vorsteht und mit einem Edelmetallstück 8 bestückt ist. Am vorderen Ende 16 des Isolators 2 befindet sich in diesem ein Ringspalt 14, welcher die Mittelelektrode 4 umgibt. Die Mittelelektrode 4 ist elektrisch leitend mit einem Zündstift 15 verbunden, welcher ebenfalls im Isolator 2 steckt und, wie bei Zündkerzen üblich, aus dem nicht dargestellten hinteren Ende des Isolators 2 vorsteht und dazu dient, mit einem Zündkerzenstecker Kontakt zu machen, über welchen die zur Erzeugung von Zündfunken erforderliche Hochspannung zugeführt wird. Die elektrisch leitende Verbindung zwischen der Mittelelektrode 4 und dem Zündstift 15 geschieht durch eine erstarrte Glasschmelze 3, welche elektrisch leitende Pigmente, z. B. Ruß, enthält.
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Der Körper 1 ist mit einer längs durchgehenden Stufenbohrung 11 versehen. An einer Dichtschulter 10 der Stufenbohrung 11 liegt der Isolator 2 mit einer komplementären Schulter 18 an. Zwischen der Schulter 18 und der Dichtschulter 10 ist ein Dichtring 5 vorgesehen, welcher den unvermeidlichen Ringspalt zwischen dem Körper 1 und dem Isolator 2 abdichtet. Ausgehend von der Schulter 18 verjüngt sich der Isolator 2 konisch bis hin zu seinem stumpf ausgebildeten vorderen Ende 16. Der Winkel β zwischen der Längsachse der Mittelelektrode 4 und der konischen Umfangsfläche des vorderen Abschnitts 12 des Isolators 2 beträgt im vorliegenden Fall 6°.
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Eine weitere Ringschulter 9 ist am vorderen Ende 17 des Körpers 1 vorgesehen. Ihre dem Isolator 2 zugewandte Oberseite 9a ist konisch ausgebildet. Der Winkel α zwischen der Konusfläche und einer die Längsachse des Innenleiters 4 senkrecht schneidenden Ebene beträgt 15° bis 60° und beträgt vorzugsweise, wie in 3 dargestellt, α = 30°. Die Ringschulter 9 ist durch eine zylindrische Bohrung 19 begrenzt. Der obere innere Rand 19a der Ringschulter 19 ist unterhalb des vorderen Endes 16 des Isolators 2 angeordnet, d. h. zwischen dem Isolator 2 und dem Edelmetallstück 8 an der Spitze der Mittelelektrode 4.
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Vom vorderen Ende 17 des Körpers 1 geht eine als Dachelektrode ausgebildete Masseelektrode 6 aus, welche zusammen mit der Mittelelektrode 4 einen Zündspalt mit dem Elektrodenabstand EA bildet. Die Masseelektrode 6 ist mit einem Edelmetallstück 7 bestückt.
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Der Luftraum im Körper 1 zwischen seiner Dichtschulter 10 und seinem vorderen Ende 17 wird als Atmungsraum 13 bezeichnet. Seine Geometrie ist einerseits wichtig für ein zuverlässiges Zünden der Zündkerze und andererseits für eine Abschirmung des Isolatorfußes 12 gegen Einflüsse wichtig, welche den Isolator 2 schädigen könnten. Der Abstand A zwischen dem vorderen Ende 16 des Isolators 2 und dem oberen inneren Rand der Ringschulter 9 soll mindestens das 1,2-fache des Elektrodenabstandes EA betragen. Der Abstand B des äußeren Randes der stumpfen Vorderseite des Isolators 2 und der Umfangswand des Körpers 1 soll ebenfalls mindestens gleich dem 1,2-fachen Elektrodenabstand EA sein. Der Abstand C des äußeren Randes der stumpfen Vorderseite des Isolators 2 und der konischen Oberseite 9a der Ringschulter 9 soll ebenfalls mindestens das 1,2-fache des Elektrodenabstandes EA betragen. Schließlich soll auch der Abstand D zwischen der Mittelelektrode 4 und der Ringschulter 9 dort, wo sie als zylindrische Bohrung 19 ausgebildet ist, mindestens gleich dem 1,2-fachen Elektrodenabstand EA sein. Das soll sicherstellen, dass Zündfunken nur zwischen der Mittelelektrode 4 und der Masseelektrode 6 auftreten. Andererseits soll der Abstand F zwischen der stumpfen Vorderseite des Isolators 2 und der Vorderseite 17 des Körpers 1 nicht mehr als das 1,2-fache des Elektrodenabstandes zuzüglich 1,5 mm betragen, so dass die Höhe E der Ringschulter 9 an ihrem inneren Rand gemessen nicht mehr als 1,5 mm, noch besser nicht mehr als 1,2 mm betragen sollte. Das ist günstig, um die aus dem Isolator 2 vorstehende Länge der Mittelelektrode 4 kurz und die thermische Belastung des Isolators 2 klein zu halten.
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Darüber hinaus sollte die Höhe der Ringschulter 9 kleiner sein als die Dicke G der an die Ringschulter 9 anschließenden Umfangswand des Körpers 1, damit auf die Ringschulter 9 übertragene Verbrennungswärme möglichst gut in den metallischen Körper 1 abfließen kann.
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Die Edelmetallstücke 7 und 8, mit denen die Mittelelektrode 4 und die Masseelektrode 6 bestückt sein können, bestehen z. B. aus Platin oder Iridium oder deren Legierungen und verhindern oder vermindern Verschleiß an den beiden Elektroden 4 und 6.
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Vorzugsweise werden die Maße A, B, C und D übereinstimmend gewählt. E ist vorzugsweise kleiner als 1,0 mm, G ist vorzugsweise größer als 1,5 mm.
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Bei dem in den 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Durchmesser des stumpfen Endes des Isolators 2 etwas kleiner als der lichte Durchmesser der Ringschulter 9. Im Beispiel der 4 und 5 ist das anders: Dort ist der lichte Durchmesser der Ringschulter 9 kleiner als der Durchmesser des stumpfen vorderen Endes 16 des Isolators 2. Um das zu ermöglichen, verjüngt sich die Mittelelektrode 4 konisch im Bereich zwischen dem vorderen Ende 16 des Isolators 2 und der engsten Stelle der Ringschulter 9. Darüber hinaus unterscheidet sich das Ausführungsbeispiel in 5 von den Ausführungsbeispielen in den 1 bis 4 darin, dass anstelle einer als Dachelektrode ausgebildeten Masseelektrode 6 zwei einander gegenüberliegende Masseelektroden 6a und 6b vorgesehen sind, welche der Mantelfläche der Mittelelektrode 4 zugewandt sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Körper
- 2
- Isolator
- 3
- Glasschmelze
- 4
- Mittelelektrode
- 5
- Dichtschulter
- 6
- Masseelektrode
- 6a
- Masseelektrode
- 6b
- Masseelektrode
- 7
- Edelmetallstück
- 8
- Edelmetallstück
- 9
- Ringschulter
- 9a
- konische Oberseite
- 10
- Dichtschulter
- 11
- Stufenbohrung
- 12
- Isolatorfuß
- 13
- Atmungsraum
- 14
- Ringspalt an Mittelelektrode
- 15
- Zündstift
- 16
- Ende des Isolators
- 17
- Ende des Körpers
- 18
- Schulter
- 19
- Bohrung
- 19a
- oberer innerer Rand der Ringschulter
- α
- Winkel
- β
- Winkel
- EA
- Elektrodenabstand
- A bis G
- Maße
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- AT 116241 [0001, 0002, 0007]
