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Stand der Technik
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Die Erfindung geht von einer Zündkerze nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs aus.
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Aufgrund der zunehmenden Reduzierung des Bauraums im Motorraum steht für die einzelnen Komponenten, wie beispielsweise die Zündkerze, im Motorraum weniger Platz zur Verfügung und die Komponenten im Motorraum müssen verkleinert werden. Durch diesen Trend des sogenannten Downsizings der Komponenten treten neue Herausforderungen bei der Konstruktion der Komponenten und der Zündkerze auf.
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Durch das Downsizing der Zündkerze und ihrer Bauteile steigt die thermische, elektrische und mechanische Belastung an der Zündkerze und ihren einzelnen Bauteilen. Gleichzeitig soll die Zündkerze eine gleich gute Zuverlässigkeit und eine gleich lange Lebensdauer wie bisherige nicht dem Downsizing unterworfene Zündkerzen aufweisen.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgrund des Downsizings muss auch das Gehäuse verändert werden. Dies führt dazu, dass die Stirnseite des Gehäuses, an dem die Masseelektrode angeordnet ist, schmaler wird. Dies bedeutet, dass für die Masseelektrode eine geringere Breite der Stirnseite zum Anschweißen zur Verfügung steht. Die Abmessungen der Masseelektrode müssen diesem reduzierten Platz angepasst werden. Gleichzeitig muss die Masseelektrode auch den mechanischen, thermischen, chemischen und elektrischen Belastungen beim Betrieb einer Zündkerze in einem Brennkraftmaschine standhalten, damit die Zündkerze eine ähnlich gute Zündzuverlässigkeit und Lebenszeit wie nicht dem Downsizing unterworfene Zündkerzen zeigt.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Zündkerze bereit zu stellen, die die eingangs genannten Anforderungen erfüllen kann.
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Diese Aufgabe wird von der erfindungsgemäßen Zündkerze durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Masseelektrode einen Kern aufweist, der von einem Mantel umgeben ist, wobei die Querschnittsfläche der Masseelektrode nicht größer als 2,76 mm2 ist, und wobei die Masseelektrode einem ersten Bereich aufweist, in dem der Mantel eine Wanddicke c von nicht größer als 0,4 mm hat. Dadurch wird sichergestellt, dass der Kern in diesem ersten Bereich der Masseelektrode ein ausreichend großes Volumen in der Masseelektrode einnimmt, so dass die Masseelektrode den thermischen Belastungen während des Zündkerzenbetriebs standhält.
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Die oben genannte Grenze für die Querschnittsfläche der Masseelektrode bezieht sich auf ihre größte Querschnittsfläche. Beispielsweise kann die Masseelektrode mehrere Bereiche mit unterschiedlichen Querschnittsflächen aufweisen. In bevorzugter Weise ist der Wert der Querschnittsfläche über die gesamte Länge der Masseelektrode konstant, wobei im Sinne dieser Anmeldung mit konstant gemeint ist, dass sich der Wert nicht mehr als um 5% verändert.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Querschnittsfläche der Masseelektrode nicht größer als 2,64 mm2 oder in besonders bevorzugter Weise nicht größer als 2,3 mm2 ist.
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Vorteilhafterweise ist der Mantel aus einem verschleißbeständigeren Materials als der Kern. Der Kern ist aus einem Material mit einer höheren Wärmeleitfähigkeit als das Material des Mantels. Das Material des Kerns weist vorzugsweise eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 350 W/mK bei Raumtemperatur auf. Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, dass bei Raumtemperatur die Wärmeleitfähigkeit des Materials des Kerns mindestens 300 W/mK größer ist als die Wärmeleitfähigkeit des Materials des Mantels. Beispielsweise ist der Kern aus Kupfer, Silber oder einer Legierung mit Kupfer und/oder Silber. Der Mantel besteht beispielsweise aus einer Nickel-haltigen Legierung. Die Ni-Legierung kann beispielsweise mindestens 20 Gew.% Chrom, insbesondere 25 Gew.% Chrom, enthalten. Zusätzlich oder alternativ kann die Nickel-haltige Legierung auch Yttrium enthalten.
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Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, dass der Mantel und der Kern jeweils eine konstante Querschnittsfläche in dem ersten Bereich der Masseelektrode aufweisen. Dabei entspricht vorzugsweise die Querschnittsfläche des Kerns mindestens 20% der gesamten Querschnittsfläche der Masseelektrode im ersten Bereich. Die Querschnittsfläche der Masseelektrode ist die Summe aus der Querschnittsfläche des Mantels und der Querschnittsfläche des Kerns. Durch das Einhalten einer unteren Grenze für die Querschnittsfläche des Kerns wird sichergestellt, dass die Wärmeableitung innerhalb der Masseelektrode von einem dem Gehäuse-abgewandten Ende der Masseelektrode bis zu einem an einem Zündkerzengehäuse angeordneten Ende der Masseelektrode ausreichend groß ist, damit die beim Betrieb der Zündkerze in einer Brennkraftmaschine aufgenommene Wärme am dem Gehäuse-abgewandten Ende der Masseelektrode ausreichend schnell an den mit einem Zylinderkopf im thermischen Kontakt stehenden Gehäuse abgeleitet wird, so dass die Masseelektrode eine ausreichend hohe Beständigkeit gegenüber den thermischen und mechanischen sowie chemischen Belastungen beim Betrieb der Zündkerze aufweist.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Mantel der Masseelektrode, insbesondere entlang ihrer gesamten Länge, eine Wanddicke c von nicht kleiner als 0,15 mm aufweist, damit der Kern der Masseelektrode ausreichend gut gegenüber den beim Betrieb der Zündkerze auftretende Brennraumgase geschützt wird.
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Zusätzlich oder alternativ kann zum Erreichen des oben genannten Vorteils vorgesehen sein, dass im ersten Bereich die Querschnittsfläche des Kerns maximal 65% der gesamten Querschnittsfläche der Masseelektrode entspricht.
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Es ist bevorzugt, dass der erste Bereich vorzugsweise an einem Ende der Masseelektrode ausgebildet ist, das einem am Gehäuse der Zündkerze angeordneten Ende der Masseelektrode entspricht. Dadurch wird ein guter thermischer Kontakt zwischen der Masseelektrode und dem Gehäuse erzielt.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung hat ein dem Gehäuse-abgewandtes Ende der Masseelektrode einen Abstand b zu dem Kern in der Masseelektrode. Vorzugsweise ist der Abstand b nicht größer ist als 4 mm, und insbesondere nicht kleiner ist als 0,2 mm. Bei der Verwendung einer Zündfläche am dem Gehäuse-abgewandten Ende der Masseelektrode ist es bevorzugt, dass der Abstand b im Bereich von 0,2 mm bis 2 mm liegt, damit der gut wärmeleitende Kern einen nicht zu großen Abstand zur Zündfläche hat. Die Zündfläche enthält typischerweise ein Edelmetall oder eine Edelmetall-Legierung und weist deshalb eine höhere Verschleißbeständigkeit als das Mantelmaterial auf.
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Wenn auf eine Zündfläche verzichtet wird, hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, dass der Abstand b mindestens 2 mm und maximal 4 mm beträgt. Damit es im dem Bereich der Masseelektrode, in dem ein Zündfunken sich ausbildet, genügend Volumen aus dem Mantelmaterial gibt, damit die Masseelektrode den thermischen und chemischen Belastungen im Betrieb einer Zündkerze ausreichend lange standhält. Ausreichend lange bedeutet einen Betrieb der Zündkerzen über mindestens 50 000 km.
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Der Querschnittsfläche der Masseelektrode kann eine Höhe und eine Breite zugeordnet werden. Dabei entsprechen die Breite xE und die Höhe yE zwei Ausdehnungen der Querschnittsfläche, die senkrecht zu einander stehen. Mit Breite xE wird die längere Ausdehnung bezeichnet und mit Höhe yE eine senkrechte Ausdehnung der Querschnittsfläche dazu. Bei einem rechteckigen Querschnitt entsprechen die Breite xE und die Höhe yE der Querschnittsfläche den Längen der Seiten der rechteckigen Querschnittsfläche. Die Höhe yE des Querschnitts ist vorzugsweise nicht größer als 1,2 mm, und insbesondere nicht kleiner als 0,8 mm, insbesondere nicht größer als 1 mm. Die Breite xE der Querschnittsfläche der Masseelektrode ist beispielsweise nicht größer als 2,3 mm, insbesondere nicht größer als 2,2 mm oder sogar nicht größer als 1,9 mm, und insbesondere nicht kleiner als 1,6 mm.
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Analog zu der Höhe yE und der Breite xE der Querschnittsfläche der Masseelektrode wird auch dem Kern eine Höhe yK und eine Breite xK zugeordnet.
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Vorzugsweise ist der erste Bereich zylinderförmig. Der erste Bereich weist vorzugsweise eine Länge senkrecht zur Querschnittsfläche auf, die gleich oder länger als die Höhe yE der Querschnittsfläche der Masseelektrode ist. Insbesondere ist die Länge des ersten Bereichs mindestens 1,5-fache so lang wie die Höhe yE der Querschnittsfläche der Masseelektrode.
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Vorteilhafterweise haben die Querschnittsflächen des Kerns und der Masseelektrode die gleiche Form. Dadurch wird erreicht, dass die Masseelektrode in diesem ersten Bereich einen Mantel mit konstanter Dicke aufweist.
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Die Masseelektrode kann als Dachelektrode, Seitenelektrode oder Bügelelektrode ausgebildet sein.
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Zeichnung
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1 zeigt ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Masseelektrode
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2 zeigt einen Querschnitt der erfindungsgemäßen Masseelektrode
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3 zeigt einen Schnitt einer gebogenen erfindungsgemäßen Masseelektrode
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4 zeigt eine Zündkerze mit einer erfindungsgemäßen Masseelektrode
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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1 zeigt schematische Darstellungen für zwei beispielhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Masseelektrode 10. Die Masseelektrode 10 weist einen Kern 12 und einen den Kern 12 umgebenden Mantel 11 auf. Der Kern 12 besteht aus einem Material mit einer höheren Wärmeleitfähigkeit als das Material des Mantels 11. Typischerweise hat das Material des Mantels 11 eine höhere Verschleißbeständigkeit als das Material des Kerns 12. Der Kern 12 besteht aus Kupfer, Silber oder einer Legierung mit Kupfer und/oder Silber. Als Material für den Mantel 11 wird vorzugsweise eine Ni-Legierung verwendet, dabei kann Chrom und/oder Yttrium in der Legierung enthalten sein.
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Aufgrund des Herstellungsverfahrens, hier ein Fließpress-Verfahren, weist der Kern 12 der hier im Schnitt gezeigten Masseelektrode 10 mindestens einen ersten Abschnitt 15a auf, in dem der Kern 12 relativ konstante Abmessungen (xK, yK) und damit verbunden eine relativ konstante Querschnittsfläche hat. Mit dem Begriff „relativ konstant” ist im Sinne dieser Anmeldung gemeint, dass die Abmessungen bzw. die Querschnittsfläche ihre Werte maximal um 5% verändert.
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Innerhalb eines zweiten Abschnitt 14a reduzieren sich die Abmessungen (xK, yK) und die Querschnittsfläche des Kerns 12. Der mindestens eine erste Abschnitt 15a ist an einer einem Brennraum abgewandten Seite der Masseelektrode 10 angeordnet, beispielsweise an der Seite, mit der die Masseelektrode am Zündkerzen-Gehäuse 2 angeordnet wird. In Richtung des Endes der Masseelektrode 10, das bei der Verwendung der Masseelektrode in einer Zündkerze in den Brennraum ragt, schließt sich eine zweiter Abschnitt 14a des Kerns 12 an den mindestens einen ersten Abschnitt 15a des Kerns 12 an. Grundsätzlich ist es denkbar, dass der Kern 12 mehrere erste Abschnitte 15a mit konstanter Querschnittsfläche aufweist, wobei die Abmessungen (xK, yK) und die Querschnittsflächen der einzelnen ersten Abschnitte 15a unterschiedlich sind. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Masseelektrode 10 selbst mehrere Bereiche mit unterschiedlichen Abmessungen (xE, yE) bzw. Querschnittsflächen aufweist. Im Fall von mehreren ersten Abschnitten 15a beim Kern 12 ist der dem Brennraum am nächsten gelegenen Abschnitt der zweite Abschnitt 14a mit der sich kontinuierlich verringern Querschnittsfläche des Kerns 12.
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Die in 1 dargestellte Masseelektrode 10 weist entlang ihrer Länge konstante Abmessungen (xE, yE) und damit verbunden eine konstante Querschnittsfläche auf. Beim der Masseelektrode 10 kann man mindestens drei Bereiche 13, 14, 15 unterscheiden. In einem ersten Bereich 15 weist die Masseelektrode 10 einen Kern 12 mit konstanter Querschnittsfläche und eine Manteldicke c von nicht größer als 0,4 mm auf. In einem zweiten Bereich 14a weist die Masseelektrode 10 einen Kern 12 mit einer sich kontinuierlich reduzierenden Querschnittsfläche auf. In einem dritten Bereich 13 weist die Masseelektrode 10 keinen Kern auf.
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Die Dicke c des Mantels der Masseelektrode 10 ergibt sich aus der halben Differenz ihrer Abmessungen (xE, yE) zu den Kern-Abmessungen (xK, yK). Wenn die Masseelektrode 10 in dem ersten Bereich 15 eine konstante Querschnittsfläche aufweist, dann ist die Manteldicke c in diesem ersten Bereich 15 konstant. Vorteilhaft ist vorgesehen, dass in diesem ersten Bereich 15 die Manteldicke c der Masseelektrode 10 nicht kleiner als 0,15 mm, und insbesondere nicht größer ist als 0,4 mm, beispielsweise ist die Manteldicke c gleich 0,25 mm oder kleiner.
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Im zweiten Bereich 14 kann die Masseelektrode 10 konstante Abmessungen (xE, yE) und eine konstante Querschnittsfläche aufweisen, wobei in diesem Fall die Manteldicke c innerhalb des Bereichs 14 in Richtung des Brennraums zunimmt. Die Manteldicke c ist im zweiten Bereich 14 mindestens 0,15 mm dick.
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Bei einer alternativen, hier nicht gezeigten, Ausführungsform können die Abmessungen (xE, yE) bzw. die Querschnittsfläche der Masseelektrode 10 im zweiten Bereich 14 sich ebenfalls reduzieren. In diesem Fall gilt für die Manteldicke c, dass diese vorzugsweise im Bereich von 0,15 mm bis 0,4 mm liegt. Es kann vorgesehen sein, dass die Abmessungen (xE, yE) bzw. die Querschnittsfläche der Masseelektrode 10 sich mit der gleichen Rate wie die Abmessungen (xK, yK) bzw. die Querschnittsfläche des Kerns 12 ändern. Dies hat den Vorteil, dass die Manteldicke c in dem zweiten Bereich 14 konstant bleibt.
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Im dritten Bereich 13 der Masseelektrode 10 gibt es keinen Kern. Der dritte Bereich 13 weist vorzugsweise konstante Abmessungen (xE, yE) und eine konstante Querschnittsfläche auf, der den Abmessungen (xE, yE) bzw. der Querschnittsfläche des zweiten Bereichs 14 beim Übergang zum dritten Bereich 13 entspricht.
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Der dritte Bereich 13 der Masseelektrode 10 weist eine Länge b auf, die sich von einem brennraumseitigen Ende 17 des Kerns 12 bis zu einer dem Gehäuse-abgewandten Stirnfläche 16 der Masseelektrode 10 erstreckt. Die Länge b ist nicht größer als 4 mm. Wenn die Masseelektrode 10 mit einer Edelmetall-haltigen Zündfläche 19 ausgebildet ist, kann die Länge b kürzer als ohne Edelmetall-haltige Zündfläche 19 ausgebildet sein, wie in 1b gezeigt. Beispielsweise liegt die Länge b dann im Bereich von 0,2 mm bis 2 mm. Wenn auf eine Edelmetall-haltige Zündfläche 19 verzichtet wird, wie in 1a gezeigt, dann sollte die Länge b eine Mindestlänge von 1 mm aufweisen, damit der Mantel 11 am dem Gehäuse-abgewandten Ende der Masseelektrode 10 genug Material für eine ausreichend lange Lebensdauer der Masseelektrode 10 aufweist.
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Das Maß der Länge b wird nach dem Fließpressen der Masseelektrode 10 auf die gewünschte Länge eingestellt. Die überschüssige Länge des Mantels 11 wird durch ein Schneidverfahren, ein Scherverfahren, ein Stanzverfahren oder mittels eines Laserstrahls abgetrennt. Die Länge b hat einen Einfluss auf die Wärmeableitung in der Masseelektrode 10. Durch entsprechende Wahl der Länge b kann das Wärmeniveau der Masseelektrode 10 an ihrem dem Gehäuse-abgewandten Ende 16 auf einen gewünschten Wert eingestellt werden, so dass das dem Gehäuse-abgewandte Ende 16 der Masseelektrode 10 eine für die Entflammung des Gasgemisches in einem Brennraum vorteilhafte Temperatur nicht unterschreitet.
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2 zeigt ein Beispiel für einen Querschnitt der Masseelektrode 10. In diesem Beispiel weisen die Masseelektrode 10 und der Kern 13 einen rechteckigen Querschnitt auf. Die Fläche des Querschnitts der Masseelektrode ist nicht größer als 2,76 mm2. Der Querschnitt weist eine Breite xE von nicht größer als 2,3 mm und eine Höhe yE von nicht größer als 1,2 mm auf.
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Mittig im Querschnitt der Masseelektrode 10 ist der Querschnitt des Kerns 12 angeordnet. Die Dicke c des Mantels 11 ergibt sich aus der halben Differenz der Höhe y und Breite x der Masseelektrode 10 (yE, xE) und des Kerns 12 (xK, yK). Vorteilhafterweise haben die Querschnitte der Masseelektrode 10 und des Kerns 12 die gleiche geometrische Form.
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Die Querschnittsfläche des Kerns 12 beträgt nicht weniger als 20%, und insbesondere nicht mehr als 65%, der Querschnittsfläche der Masseelektrode 10 im ersten Bereich 15 der Masseelektrode 10. Die Querschnittsfläche der Masseelektrode setzt sich zusammen aus der Fläche des Mantels 11 und der Fläche des Kerns 12 im Querschnitt.
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In einem hier nicht gezeigten Ausführungsbeispiel kann es vorgesehen sein, dass sich die Form des Querschnitts der Masseelektrode 10 im Verlauf der Länge der Masseelektrode 10 verändern. Beispielsweise kann die Masseelektrode 10 an ihrem dem Gehäuse-abgewandten Ende 16 einen rechteckigen Querschnitt und an ihrem an dem Gehäuse 2 angeordneten Ende eine Querschnitt aufweisen, der der ringförmigen Stirnseite 21 des Gehäuses 2 angepasst ist. Dies bedeutet, dass die Höhe yE des Querschnitts der Masseelektrode 10 einer Breite der ringförmigen Stirnseite 21 entspricht oder kleiner als diese ist. Entsprechend ist dann die Breite xE am Gehäuse 2 zugewandten Ende der Masseelektrode 10 länger als an dem Gehäuse-abgewandten Ende 16 der Masseelektrode 10. Der Querschnitt der Masseelektrode 10 an ihrem den Gehäuse 2 zugewandten Ende weist eine Krümmung, d. h. der Querschnitt hat ein Bananen-förmiges Profil, entsprechend der Krümmung der Stirnseite 21 des Gehäuses auf. Die Formänderung des Querschnitts erfolgt typischerweise mittels Prägen, dabei kann entweder eine rechteckiger Querschnitt des dem Gehäuse zugewandten Ende der Masseelektrode 10 durch Prägen in ein Bananen-förmiges Profil umgeformt werden oder das dem Gehäuse-abgewandte Ende 16 einer Masseelektrode mit Bananen-förmigen Profil wird in eine plane Fläche geprägt.
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3 zeigt einen Schnitt für eine erfindungsgemäße Masseelektrode 10, die sich von den in 1 gezeigten Masseelektroden 10 nur dadurch unterscheidet, dass die Masseelektrode in 3 gebogen ist. Die Masseelektrode 10 wird in einem ersten Schritt durch ein Fließpress-Verfahren wie beispielsweise das Napfverfahren hergestellt. Die gerade Masseelektrode 10 wird in einem folgenden Schritt an die Stirnseite 21 des Zündkerzen-Gehäuses angeschweißt. Je nach Verwendungszweck wird die Masseelektrode 10 in einem anschließenden Schritt in die gewünschte Position gebogen, so dass eine Dachelektrode oder eine Seitenelektrode oder eine Bügelelektrode entsteht. Zusätzlich kann die Masseelektrode 10 noch eine Zündfläche 19 aufweisen, diese wird typischerweise vor dem Biegen an die Masseelektrode angeschweißt.
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Auch bei der gebogenen Masseelektrode 10 können die drei Bereiche 13, 14, 15 der Masseelektrode 10 bzw. die beiden Abschnitte 14a, 15a des Kerns 12 ausgemacht werden. Die Länge der jeweiligen Bereiche ergibt sich als Mittel aus der längsten und kürzesten Länge des Bereichs, die sich entlang der Oberfläche der Masseelektrode 10 ergeben.
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4 zeigt eine schematische Darstellung einer Zündkerze 1 mit einer erfindungsgemäßen Masseelektrode 10. Die Zündkerze 1 weist ein metallisches Gehäuse 2 mit einem Gewinde für die Montage der Zündkerze 1 in einem Zylinderkopf auf. Das Gewinde kann einen Außendurchmesser von mindestens 8 mm, 10 mm oder größer aufweisen. Des Weiteren weist das Gehäuse eine Sechskant Abschnitt 9 auf, an dem ein Werkzeug für die Montage der Zündkerze 1 in den Zylinderkopf angesetzt wird. Innerhalb des Gehäuses 2 ist ein Isolator 3 angeordnet. Eine Mittelelektrode 5 und ein Anschlussbolzen 7 sind innerhalb des Isolators 3 angeordnet und über ein Widerstandselement 6 elektrisch verbunden.
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Die Mittelelektrode 5 ragt typischerweise am dem Gehäuse-abgewandten Ende der Zündkerze 1 aus dem Isolator 3 raus. Mit ihrem Elektrodenkopf 4 liegt die Mittelelektrode 5 auf einem auf der Innenseite des Isolators 3 ausgebildeten Sitz auf. Die Mittelelektrode 5 und/oder die Masseelektrode 10 weisen eine angeordnete Zündfläche 19 auf. Die Mittelelektrode kann auch einen von einem Mantel umgebenen Kern aufweisen, wobei der Kern aus einem Material mit einer höheren Wärmeleitfähigkeit wie das Material des Mantels besteht.
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Am dem Gehäuse-abgewandten Ende des Gehäuses 2 ist mindestens eine erfindungsgemäße Masseelektrode 10 angeordnet. Die gemeinsam mit der Mittelelektrode 5 einen Zündspalt bildet. Die Masseelektrode 10 kann als Dachelektrode, Seitenelektrode oder Bügelelektrode ausgebildet sein.
