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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zündkerzenelektrode mit vereinfachter Herstellbarkeit und variabler Einsatzmöglichkeit in unterschiedlich dimensionierten Zündkerzen, ein technisch leicht umsetzbares Verfahren zur Herstellung der Zündkerzenelektrode sowie eine Zündkerze mit guter Oxidations- und Korrosionsresistenz.
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Aus dem Stand der Technik sind Zündkerzenelektroden bekannt, die einen Nickelgrundkörper aufweisen, an dessen brennraumseitiger Spitze ein Edelmetallstift vorgesehen ist, an dem die Funkenerzeugung erfolgt. Aufgrund der mechanischen und der physikalischen Stabilität des Edelmetalls, unterliegen derartige Zündkerzenelektroden einem geringeren Verschleiß als reine Nichtedelmetallzündkerzenelektroden. Die Zündkerzenelektroden werden gemäß der gewünschten Leistung und Geometrie der Zündkerze jeweils separat hergestellt. Die Herstellung jedes spezifischen Typs Zündkerzenelektrode erfordert damit eigene Werkzeuge. Ein variabler Einsatz in unterschiedlichen Zündkerzen ist nicht möglich. Um die Beständigkeit der Zündkerzenelektrode weiter zu verbessern, kann in den zylindrischen Grundkörper der Zündkerzenelektrode ein Kupferkern eingearbeitet werden, der von dem mit der Atmosphäre des Brennraums in Verbindung stehenden Zündkerzenelektrodenmaterial umgeben ist und die Temperatur von der Elektrodenspitze ableitet. Herstellungsbedingt (Stanzprozess) ist der im Inneren des Elektrodenmaterials liegende Kupferkern in Richtung der brennraumseitigen Elektrodenspitze kegelförmig zulaufend ausgebildet. Damit ist ein effektiver Wärmeabtransport nicht möglich, was zu einem erhöhten Verschleiß der Zündkerzenelektrode führt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Zündkerzenelektrode gemäß Anspruch 1 zeichnet sich demgegenüber durch eine einfache Herstellbarkeit bei hoher Variabilität der Einsatzmöglichkeit in verschieden dimensionierten Zündkerzen aus. Die Zündkerzenelektrode wird in einer Art Baukastensystem hergestellt und weist einen nickelhaltigen Grundkörper und eine Elektrodenspitze mit Edelmetallstift auf. Der Grundkörper ist aus einem nickelhaltigen Draht gefertigt und kann einfach durch Ablängen auf ein gewünschtes Maß gebracht werden. Drähte aus geeigneten nickelhaltigen Elektrodenmaterialien sind mit den üblichen Durchmessern kostengünstig beziehbar. Das Verbindungselement, das zwischen dem Grundkörper und dem Edelmetallstift angeordnet ist, dient als Adapter, also als geometrisches Bindeglied, und sorgt für eine wärmeleitende Verbindung zwischen dem Grundkörper und dem Edelmetallstift, wobei der Edelmetallstift an dem Verbindungselement und das Verbindungselement an dem Grundkörper stabil befestigbar ist. Das Verbindungselement kann sehr einfach in unterschiedlicher Form ausgebildet und sowohl an die Form des Grundkörpers als auch an die Form des Edelmetallstifts angepasst werden. Damit können die funktionalen Hauptbestandteile der Zündkerzenelektrode, nämlich der Grundkörper, der einen sicheren Sitz der Zündkerzenelektrode in einem Zündkerzengehäuse gewährleistet, als auch der für die Zündfunkenerzeugung vorgesehene Edelmetallstift separat an je einer Fertigungslinie hergestellt und bevorratet werden. Durch Auswahl eines geeignet dimensionierten Verbindungselements können die funktionalen Bestandteile sodann zu der erfindungsgemäßen Zündkerzenelektrode miteinander verbunden und in einer Zündkerze verbaut werden. Der Fertigungsaufwand sowohl in technischer als auch in logistischer Sicht ist damit gering. Separate Fertigungslinien für unterschiedliche Typen an Zündkerzen sind nicht erforderlich. Das Vorsehen eines Verbindungselements hat zudem noch einen weiteren Vorteil: der Grundkörper, der üblicherweise nicht an der Zündfunkenbildung beteiligt ist, und damit normalerweise keinem erosiven und korrosiven Verschleiß unterliegt, kann aus einem günstigeren nickelhaltigen Material hergestellt werden. Lediglich das Verbindungselement, das in den Bereich der Zündfunkenbildung ragt, kann aus einem erosions- und korrosionsstabileren Material gebildet sein. So sind die Kosten für die erfindungsgemäße Zündkerzenelektrode deutlich geringer als für einstückig hergestellte Zündkerzenelektroden mit Edelmetallstift, die zur Vermeidung von funkenbedingten Materialschäden immer aus einem hochwertigen und damit hochpreisigen, insbesondere nickelhaltigen Material, hergestellt werden.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst der Grundkörper an seinem Umfang eine nickelhaltige Schicht. Der innenliegende Kern des Grundkörpers kann beliebig gestaltet und insbesondere im Hinblick auf die mechanische Stabilität der Zündkerzenelektrode gebildet sein.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass das Verbindungselement aus Nickel oder einer Nickellegierung, und insbesondere aus einer Nickellegierung, gebildet ist. Hierdurch kann ein sehr guter wärmeleitender Übergang zwischen dem Edelmetallstift und dem Grundkörper hergestellt werden. Ein weiterer Vorteil der Verwendung eines nickelhaltigen Materials, und insbesondere einer Nickellegierung, kann in einer Verbesserung der Korrosionsstabilität der Zündkerzenelektrode gesehen werden, ohne dass sich dies deutlich auf die Kosten der Zündkerzenelektrode auswirkt.
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Weiter vorteilhaft weist die nickelhaltige Schicht in Radialrichtung der Zündkerzenelektrode eine Schichtdicke von maximal 0,8 mm auf. Eine Schichtdicke von 0,8 mm ist ausreichend dick, um ein Abplatzen der nickelhaltigen Schicht, beispielsweise durch Temperaturwechsel, zu verhindern. Durch eine Reduzierung der maximalen Schichtdicke auf 0,5 mm können die Materialkosten für die Zündkerzenelektrode weiter gesenkt werden.
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Ein Wärmeübergang von der Elektrodenspitze auf den Elektrodenfuß kann zusätzlich dadurch verbessert werden, dass ein mit dem Grundkörper in Kontakt stehendes erstes Ende des Verbindungselements bündig mit einer Stirnfläche und/oder einem Umfang des Grundkörpers abschließt und ein mit dem Edelmetallstift in Kontakt stehendes zweites Ende des Verbindungselements bündig mit einer Fußfläche und/oder einem Umfang des Edelmetallstifts abschließt.
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Aus Kostengründen und auch aus Gründen der Verbesserung des Wärmeabtransports von der Elektrodenspitze weist das Verbindungselement in Längsrichtung X-X der Zündkerzenelektrode vorteilhaft eine Länge von 1 bis 5 mm und insbesondere von 2 bis 4 mm, auf. Bevorzugt ist das Verbindungselement in Richtung zum Edelmetallstift sich verjüngend ausgebildet.
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In Bezug auf die Stabilität und auch die Wärmeleitfähigkeit der Zündkerzenelektrode ist es ferner von Vorteil, wenn der Edelmetallstift und das Verbindungselement und/oder der Grundkörper und das Verbindungselement durch eine stoffschlüssige Verbindung miteinander verbunden sind. Besonders bevorzugt sind sowohl der Edelmetallstift als auch der Grundkörper mit dem Verbindungselement durch je eine stoffschlüssige Verbindung miteinander verbunden. Aufgrund der hohen Stabilität eignen sich hierfür insbesondere Schweißverbindungen.
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Eine besonders bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Zündkerzenelektrode sieht vor, dass der nickelhaltige Grundkörper einen Kupferkern aufweist. Der Kupferkern ist hierbei integraler Bestandteil des Drahtes, der den Grundkörper bildet und hat über die gesamte Länge des Kupferkerns einen konstanten Durchmesser, der von nickelhaltigem Material, und insbesondere einer nickelhaltigen Schicht, umgeben ist. Die Länge des Kupferkerns ist dabei in Längsrichtung X-X der Zündkerzenelektrode definiert. Zur Herstellung des derart ausgebildeten Grundkörpers wird ein mehrschichtiger Draht verwendet, der in seinem Inneren aus Kupfer besteht und insbesondere als Deckschicht eine nickelhaltige Schicht umfasst. Dieser Draht wird entsprechend abgelängt und zur Anordnung an oder zur Verbindung mit dem Verbindungselement bereitgestellt. An den abgelängten Stirn- und Fußflächen des Grundkörpers ist der mehrschichtige Aufbau des Drahtes im Grundkörper visuell erkennbar. Der erfindungsgemäße Mehrschichtaufbau des Drahtes hat mehrere Vorteile. Zum einen kann durch das Vorsehen eines Kupferkerns ein effektiverer Wärmeabtransport von der Elektrodenspitze zum Elektrodenfuß erfolgen. Zum anderen kann durch das um den Kupferkern angeordnete nickelhaltige Material, bzw. die nickelhaltige Schicht, ein Abfließen von Kupfer durch Temperatureinfluß im Funkenplasma verhindert werden. Während in herkömmlichen Zündkerzenelektroden der Kupferkern aufgrund der Art der Herstellung der Elektrode im Inneren des Mantelmaterials brennraumseitig spitz zuläuft und auch eine Stirnfläche des Kupferkerns von Mantelmaterial umgeben ist, so liegt im erfindungsgemäßen Grundkörper der Kupferkern mit unvermindertem Durchmesser auch an der in Richtung Brennraum zu orientierenden Stirnseite frei. So kann ein Abstand zum Edelmetallstift auf ein Minimum reduziert werden. Dadurch kann der Wärmeabtransport von der Elektrodenspitze über den gesamten Querschnitt des Kupferkerns besonders effektiv erfolgen. Je größer dabei der Durchmesser des Kupferkerns ist, desto größer ist das Wärmeableitvermögen des Grundkörpers. Der Durchmesser des Kupferkerns kann dabei je nach Zündkerzenelektrodentyp bis zu etwa 2 mm betragen. Vorteilhaft wird auch hierbei eine Schichtdicke einer nickelhaltigen Schicht von maximal 0,8 mm eingehalten. Werden der Grundkörper und das Verbindungselement stoffschlüssig miteinander verbunden, so ist es von Vorteil, wenn lediglich das nickelhaltige Material, also insbesondere die nickelhaltige Schicht, mit dem Verbindungselement verbunden wird, beispielsweise durch Widerstandsschweißen oder Laserschweißen. So wird einer Deformation des Kupferkerns vorgebeugt, die sich nachteilig auf dessen Wärmeleitvermögen auswirken könnte. Bevorzugt steht der Kupferkern unmittelbar mit dem Verbindungselement in Kontakt.
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Ebenfalls erfindungsgemäß wird auch eine Zündkerze beschrieben, die eine wie vorstehend offenbarte Zündkerzenelektrode umfasst. Die Zündkerzenelektrode ist dabei vorteilhaft als Mittelelektrode ausgebildet. Die erfindungsgemäße Zündkerze zeichnet sich durch eine hohe Korrosions- und Erosionsbeständigkeit aus. Durch die sehr gute Wärmeableitung von der Elektrodenspitze auf den Elektrodenfuß, und damit auch auf Bereiche des Isolators bzw. des Gehäuses, ist der Wärmewert der Zündkerze gegenüber herkömmlichen Zündkerzen reduzierbar – die Zündkerze ist sozusagen „kalt”. Das Kaltwiederholstartverhalten der Zündkerze kann dadurch verbessert werden. Durch die Baukastenbauweise der verwendeten Zündkerzenelektrode ist auf kostengünstige Weise eine Zündkerze mit optimal eingepasster, leistungsangepasster Zündkerzenelektrode herstellbar.
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Weiter erfindungsgemäß wird auch ein Verfahren zur Herstellung einer Zündkerzenelektrode beschrieben, die insbesondere als Mittelelektrode ausgebildet ist. Die Zündkerzenelektrode umfasst einen nickelhaltigen Grundkörper und eine Elektrodenspitze. Die Elektrodenspitze umfasst ferner einen Edelmetallstift. Der Grundkörper und der Edelmetallstift werden miteinander durch ein Verbindungselement verbunden. Zur Herstellung des Grundkörpers wird ein nickelhaltiger Draht verwendet Der Draht kann einschichtig aus nickelhaltigem Material gebildet sein, oder mehrschichtig mit insbesondere einem Kern und einer umgebenden nickelhaltigen Schicht. Der Draht kann entsprechend abgelängt werden. Das Verfahren umfasst ferner den Schritt des Verbindens eines ersten Endes des Verbindungselements mit dem Edelmetallstift sowie einen Schritt des Verbindens eines zweiten Endes des Verbindungselements mit dem Grundkörper. Das Verfahren ist ohne hohen technischen Aufwand kostengünstig umsetzbar und ermöglicht die Herstellung einer in unterschiedlich dimensionierten Zündkerzen verwendbaren und anpassbaren Zündkerzenelektrode mit einer geringen Anzahl an Einzelbauteilen. Das Verfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung einer wie vorstehend beschriebenen, erfindungsgemäßen Zündkerzenelektrode.
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Die für die erfindungsgemäße Zündkerzenelektrode beschriebenen Vorteile, vorteilhaften Effekte und Weiterbildungen finden auch Anwendung auf die erfindungsgemäße Zündkerze sowie das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Zündkerzenelektrode.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass die Herstellung des Verbindungselements ein Kaltumformen umfasst. Durch Kaltumformen können nickelhaltige Materialien, wie sie erfindungsgemäß für das Verbindungselement bevorzugt werden, kostengünstig und mit kurzen Prozesszeiten bearbeitet werden.
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Das Verfahren sieht weiter vorteilhaft einen Schritt des stoffschlüssigen Verbindens des Verbindungselements mit dem Edelmetallstift und/oder des Grundkörpers mit dem Verbindungselement, vor. Diese Schritte können vorteilhafterweise durch Anwendung eines Schweißverfahrens, insbesondere durch Widerstandsschweißen oder Laserschweißen, ausgeführt werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele 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 einer Ausführungsform der Erfindung,
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2 eine Zündkerzenelektrode gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, und
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3 eine Zündkerzenelektrode gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen im Detail erläutert. In den Figuren sind nur die hier interessierenden Bauteile der erfindungsgemäßen Zündkerze bzw. der erfindungsgemäßen Zündkerzenelektrode dargestellt, alle übrigen Elemente sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen. Ferner beziffern gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile.
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1 ist eine schematische Ansicht einer Zündkerze 1. Die Zündkerze 1 weist eine Masseelektrode 2 und eine Mittelektrode 3 auf. Ein Isolator 4 trennt die Masseelektrode 2 und die Mittelelektrode 3 elektrisch voneinander. Durch eine innere Dichtung 5 wird der Brennraum gasdicht gegenüber dem anschlussseitigen Bereich 6 der Zündkerze 1 abgedichtet. Die Mittelelektrode 3, die Masseelektrode 2 und der Isolator 4 sind in einem Zündkerzengehäuse 7 angeordnet. Ein Sechskant 8 dient der lösbaren Verschraubung der Zündkerze 1 in einem Motorblock eines Kraftfahrzeugs. Die Masseelektrode 2 und/oder die Mittelelektrode 3 sind erfindungsgemäß gebildet und umfassen einen Grundkörper und eine Elektrodenspitze. Der Grundkörper ist aus einem nickelhaltigen Draht gefertigt. Die Elektrodenspitze weist einen Edelmetallstift und ein den Grundkörper und den Edelmetallstift verbindendes Verbindungselement auf. Die Zündkerze weist eine niedrige Verschleißrate und damit eine hohe Laufleistung bei geringen Kosten auf. Probleme beim Kaltwiederholstart werden reduziert. Detailliertere Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Zündkerzenelektrode sind der nachfolgenden Figurenbeschreibung zu entnehmen.
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2 zeigt eine erfindungsgemäße Zündkerzenelektrode 10 gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung. Die Zündkerzenelektrode 10 weist zwei Teilbereiche auf, einen nickelhaltigen Grundkörper 11 und eine Elektrodenspitze 12.
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Am Fußende des Grundkörpers 11 ist eine Verdickung 23 gebildet, beispielsweise durch Stauchung des Grundkörpers 11, die der Verbesserung des Sitzes und damit der Verankerung der Zündkerzenelektrode 10 dient.
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Der Grundkörper 11 ist aus einem nickelhaltigen Draht gefertigt. Somit weist der Grundkörper beispielhaft in seinem Inneren ein nickelhaltiges Material und ebenfalls entlang seines gesamten Umfanges eine außenliegende nickelhaltige Schicht 16 aus dem nickelhaltigen Material des Drahtes auf. Die Elektrodenspitze 12 umfasst einen Edelmetallstift 15, der der Zündfunkenerzeugung dient.
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Der Edelmetallstift 15 und der Grundkörper 11 sind durch ein Verbindungselement 14 miteinander verbunden. Das Verbindungselement 14 ist vorteilhafterweise aus Nickel oder einer Nickellegierung gebildet und hat weiter vorzugsweise in Längsrichtung X-X der Zündkerzenelektrode 10 eine Länge von 1 bis 5 mm.
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Das Verbindungselement 14 hat ein erstes Ende 13, das mit dem Grundkörper 11 in Kontakt steht, genauer gesagt schließt das erste Ende 13 des Verbindungselements 14 mit einer Stirnfläche 17 und auch mit einem Umfang des Grundkörpers 11 bündig ab. Das Verbindungselement 14 weist ferner ein zweites Ende 18 auf, das mit dem Edelmetallstift 15 in Kontakt steht. Genauer gesagt schließt das zweite Ende 18 des Verbindungselements 14 bündig mit einer Fußfläche 19 und auch mit einem Umfang des Edelmetallstifts 15 ab.
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Der Edelmetallstift 15 und das Verbindungselement 14 sowie der Grundkörper 11 und das Verbindungselement 14 sind jeweils durch eine stoffschlüssige Verbindung 21, die insbesondere als Schweißverbindung ausgebildet ist, stabil miteinander verbunden.
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Das Verbindungselement 14 ist entsprechend der vorgegebenen Geometrien des Grundkörpers 11 sowie des zu verwendenden Edelmetallstifts 15 optimal angepasst, so dass ein effizienter Wärmetransport von der Elektrodenspitze zum Elektrodenfuß erfolgen kann. Eine Anpassung der Geometrie des Verbindungselements 14 ist sehr einfach, z. B. durch Kaltumformen, möglich. Das Verbindungselement 14 verjüngt sich dabei in Richtung zum Edelmetallstift 15.
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Durch den spezifischen Aufbau der Zündkerzenelektrode 10 aus Grundkörper 11, Edelmetallstift 15 und Verbindungselement 14 ist die Zündkerzenelektrode in ihren Dimensionen und in ihrer Leistung variabel an unterschiedliche Typen von Zündkerzen anpassbar, was eine hohe fertigungstechnische Flexibilität erlaubt und aufgrund der geringen Anzahl an Einzelkomponenten der Zündkerzenelektrode 10 die Materialkosten sowie die Fertigungskosten reduziert. Durch geeignete Wahl der Materialien des Grundkörpers 11 sowie des Verbindungselements 14 können die Materialkosten der Zündkerzenelektrode 10 weiter gesenkt werden.
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3 zeigt eine Zündkerzenelektrode 20 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Die Zündkerzenelektrode 20 aus 3 unterscheidet sich von der Zündkerzenelektrode 10 aus 2 dadurch, dass der Grundkörper 11 einen Kupferkern 22 aufweist. Der Kupferkern 22 weist über seine gesamte Länge einen konstanten Durchmesser auf, wobei die Länge in Längsrichtung X-X der Zündkerzenelektrode 20 definiert ist. Der Kupferkern 22 ist an seinem Umfang von einer nickelhaltigen Schicht 16 umgeben.
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Die nickelhaltige Schicht 16 hat in Radialrichtung R der Zündkerzenelektrode 20 insbesondere eine Schichtdicke von maximal 0,8 mm, vorzugsweise von maximal 0,5 mm.
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Der Grundkörper 11 ist in diesem Fall durch einen mehrschichtigen nickelhaltigen Draht gebildet, der einen inneren, zylindrischen Kupferkern 22 und einen Mantel aus einer nickelhaltigen Schicht 16 aufweist. Der Draht wurde entsprechend abgelängt. Der Kupferkern 22 kontaktiert das Verbindungselement 14 am ersten Ende 13. Hierbei wird eine sehr gute Wärmeleitung erreicht.
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Der Kupferkern 22 dient der Verbesserung des Wärmeabtransports von der Elektrodenspitze, so dass das Elektrodenmaterial noch effektiver vor Funkenerosion und korrosivem Verschleiß geschützt ist. Durch seine zylindrische Geometrie kann sich im Zündfunkenplasma bildende Wärme sehr schnell und mit hohen Raten von der Elektrodenspitze abgeleitet werden.
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Auch in der Zündkerzenelektrode 20 aus 2 ist es zudem möglich durch geeignete Wahl der Materialien der nickelhaltigen Schicht 16 sowie des Verbindungselements 14 die Materialkosten der Zündkerzenelektrode 20 zu senken.
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Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
