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Stand der Technik
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Die Erfindung geht von einer Zündkerzenelektrode gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aus.
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Durch das zunehmende Downsizing bei den Motoren stehen für die einzelnen Komponenten im Motorraum selbst immer weniger Bauraum zu Verführung. Auch auf dem Gebiet der Zündkerze steigt der Bedarf an kleineren Zündkerzen. Der Trend in der Automobilindustrie geht von M14-Zündkerzen zu M12- bzw. M10-Zündkerzen. Neben der Notwendigkeit die Zündkerze kleiner zu konstruieren verändern sich gleichzeitig bei einem Downsizing-Motor die Brennraumbedingungen, die eine Zündkerze im Betrieb ausgesetzt ist. Steigender Druck im Brennraum geht mit steigenden Temperaturen und steigenden Spannungen für die Zündung einher, somit steigen auch die Anforderungen an die Zündkerze hinsichtlich mechanischer, chemischer, thermischer und elektrischer Belastbarkeit und Widerstandsfähigkeit. Um die genannten Anforderungen erfüllen zu können, werden neue Konstruktionskonzepte für die Zündkerze notwendig.
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Aktuelle Zündkerzen basiert auf einem Kerzengehäuse mit aufgeschweißter Masselelektrode und einem Isolator, der mit dem Gehäuse kraftschlüssig verbunden ist. Innerhalb des Isolators ist an dessen brennraumseitigen Ende eine Mittelelektrode angeordnet. Die Masseelektrode und die Mittelelektrode werden durch die im Brennraum bei der Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemisches entstehenden Temperaturen thermisch belastet. Um die aus dem Brennraum aufgenommene Wärme von den Elektroden über das Kerzengehäuse an den gekühlten Zylinderkopf möglichst schnell abzuführen, weisen die Elektroden einen Kern aus einem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit auf, beispielsweise einen Kern aus Kupfer.
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Vorteil der Erfindung/ Offenbarung der Erfindung
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Allerdings zeigt sich, dass bei den bekannten Zündkerzen-Konzepten, insbesondere bei den steigenden Anforderungen an die Zündkerze für den Bereich der Downsizing-Anwendung, die Wärmeabfuhr über den bisherigen Kupferkern nicht ausreichend ist. Aufgrund des Herstellungsverfahrens, ein Fließpress-Verfahren, erstreckt sich der Kupferkern nicht über die gesamte Länge der Elektrode und hat zusätzlich einen sich reduzierenden Durchmesser in Richtung des brennraumseitigen Endes der Elektrode, wobei gerade dieses Ende der Elektrode den höchsten Temperaturen ausgesetzt ist.
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Bedingt durch die unzureichende Wärmeabfuhr bei den bekannten Elektroden wird die Temperatur der Elektrode an ihrem brennraumseitigen Ende zu heiß und der Verschleiß an der Elektrode nimmt zu, dies führt wiederum zu einem vorzeitigen Ausfall der Zündkerze.
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Demgemäß ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Elektrode für eine Zündkerze sowie eine Zündkerze bereitzustellen, die den oben genannten Anforderungen bei der Verwendung in einem Downsizing-Motor erfüllen können.
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Diese Aufgabe wird bei der Elektrode der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch den kennzeichnenden Teil des ersten Anspruchs gelöst.
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Die Elektrode weist einen Grundkörper und einen an einer Stirnseite des Grundkörpers angeordneten Deckel auf, wobei der Grundkörper wiederum einen Kern und einen den Kern umhüllenden Mantel aufweist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Kern sich über die gesamte Länge des Grundkörpers erstreckt, d.h. der Kern erstreckt sich von Stirnseite zu Stirnseite des Grundkörpers der Elektrode. Des Weiteren ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Deckel eine Dicke d von nicht größer als einer dreifachen Dicke b des Mantels aufweist, insbesondere von nicht größer als einer doppelten Dicke b des Mantels aufweist. Die Dicke d des Deckels wird senkrecht zu der Stirnfläche des Grundkörpers gemessen, an der der Deckel angeordnet ist.
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Daraus ergibt sich vorteilhafterweise, dass der Volumenanteil des Kerns an dem Gesamtvolumen des Grundkörpers im Vergleich mit Elektroden gemäß des Stands der Technik erhöht ist und somit die Wärmeableitung des Grundkörpers der erfindungsgemäßen Elektrode verbessert wird. Durch die Beschränkung der Deckeldicke d wird auch das Volumen an der Stirnseite des Grundkörpers beschränkt, in dem es keinen Kern mit einer erhöhten Wärmeableitung gibt. Dadurch ergibt sich ein optimiertes Verhältnis zwischen dem Volumen des Kerns mit einer höheren Wärmeleitfähigkeit und dem Volumen der restlichen Komponenten der Elektrode, die aus Materialien mit einer geringeren Wärmeleitfähigkeit als das Kernmaterial bestehen, so dass die erfindungsgemäße Elektrode eine verbesserte Wärmeableitung als Elektroden gemäß des Stands der Technik aufweist.
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Beispielsweise wird der Grundkörper durch Vereinzeln von einem Draht, z.B. von einer Drahtrolle, hergestellt. Ein Drahtstück für den Grundkörper wird entsprechend der für den Grundkörper der Elektrode benötigten Länge vom Draht abgeschnitten. Der Draht ist typischerweise lang genug, um davon eine Mehrzahl von Drahtstücken für Elektroden-Grundkörper abzuschneiden. Der Draht besteht aus einem Kern und einen den Kern umhüllenden Mantel. Der Kern erstreckt sich im Prinzip über die gesamte Länge des Drahts. Der Kern, der Mantel und somit auch der Draht selbst haben über die gesamte Länge des Drahts einen konstanten Durchmesser bzw. konstante Abmessungen, d.h. das Verhältnis der Querschnittsflächen von Draht und Kern ist konstant.
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Weitere vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn der Deckel und der Kern im direkten, insbesondere thermischen, Kontakt miteinander stehen. Dadurch wird sichergestellt, dass der Deckel eine gute thermische Anbindung an den Kern hat, so dass der aufgrund von zu großer Wärme verursachter Verschleiß minimiert werden kann.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist der Deckel an der Stirnseite des Grundkörpers angeordnet, die einem brennraumseitigen Ende der Elektrode entspricht, wenn die Elektrode in einer Zündkerze verbaut ist.
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Bevorzugterweise ist der Deckel an der Stirnseite des Grundkörpers angeschweißt. Die Schweißung erfolgt beispielsweise entlang des, insbesondere gesamten, Umfangs des Grundkörpers beispielsweise am Rand des Deckels und/oder am Rand des Grundkörpers. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass der Deckel beim Schweißen komplett aufgeschmolzen wird. Dadurch wird sichergestellt, dass der an der Stirnseite des Grundkörpers freiliegende Kern vom Deckel vollständig abgedeckt wird.
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Vorzugsweise ist der Deckel so an der Stirnseite des Grundkörpers angeordnet, dass sichergestellt ist, dass beim Betrieb einer Zündkerze der Kern des Grundkörpers nicht mit im Brennraum befindlichen Gase in Kontakt kommt. Vorteilhafterweise ist der Deckel gasdicht, d.h. die Leckagerate ist kleiner als 10–7 mbar·l/s, mit dem Grundkörper verbunden, beispielsweise über eine stoffschlüssige Verbindung wie Schweißen. Die Schweißnaht ist vorzugsweise eine möglichst dünne Schweißnaht, d.h. die Schweißnaht weist eine größere Tiefe als Breite auf, wie sie beispielsweise beim Widerstandsschweißen oder Laserschweißen mit Faserlaser oder Scheibenlaser entsteht.
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Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn der Deckel bündig mit der Stirnfläche des Grundkörpers ausgebildet ist. Alternativ weist der Deckel mindestens gleich große oder größere Abmessungen als die Abmessungen der Stirnfläche auf, an die der Deckel angeordnet ist.
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Der Deckel kann beispielsweise als Scheibe, Kappe oder Winkel ausgebildet sein. Bei der Ausbildung des Deckels als Scheibe ist diese beispielsweise bündig an der Stirnfläche des Grundkörpers angeordnet, so dass der Kern des Grundkörpers vollständig bedeckt ist. Bei einer alternativen Ausgestaltung des Deckels als Kappe entspricht eine Innenabmessung der Kappe den Außenabmessungen der Stirnseite des Grundkörpers, so dass die Kappe auf den Grundkörper aufgesteckt werden kann. Die Kappe weist einen Boden und Seitenwände auf. Wenn die Kappe auf den Grundkörper aufgesteckt ist, dann entspricht der Boden der Kappe dem Abschnitt der Kappe, der parallel zur Stirnfläche des Grundkörpers angeordnet ist. Die Seitenflächen der Kappe sind Abschnitte der Kappe, die im wesentlichen parallel zur an der Stirnseite angrenzende Mantelfläche des Grundkörpers ausgerichtet sind. Die Kappe kann entlang des gesamten Umfangs des Grundkörpers Seitenflächen aufweisen oder auch nur entlang eines Abschnitts oder entlang mehreren Abschnitten des Umfangs des Grundkörpers Seitenfläche aufweisen.
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Bei der Ausbildung des Deckels als Winkel weist der Deckel zwei beispielsweise im rechten Winkel zueinander stehende Flächen auf. Eine erste Fläche ist parallel zur der Stirnseite des Grundkörpers angeordnet und die zweite Fläche ist im wesentlichen parallel zur Mantelfläche angeordnet. Bei der Ausbildung der Elektrode beispielsweise als Masseelektrode ist die zweite Fläche des Winkels an der einer Mittelelektrode zugewandten Seite der Mantelfläche der Masseelektrode angeordnet. Dadurch ergibt sich vorteilhaft, dass im Bereich der Zündfläche der Masseelektrode, wo die durch die Ausbildung des Zündfunken in diesem Bereich die Masseelektrode einem höheren Verschleiß ausgesetzt ist, diese eine höhere Wandstärke aufweist, so dass der Kern geschützt ist.
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Um an der Stirnseite des Grundkörpers einen ausreichenden Schutz für den Kern des Grundkörpers zu gewährleisten, hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, dass der Deckel eine Dicke d hat, die nicht kleiner ist als eine Schichtdicke b des Mantels. Die Schichtdicke b des Mantels ist beispielsweise nicht kleiner als 0,1 mm, und insbesondere nicht größer als 0,8 mm, insbesondere nicht größer als 0,6 mm oder insbesondere nicht größer als 0,3 mm.
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Studien der Anmelderin haben gezeigt, dass vorteilhafterweise ein Verhältnis der Querschnittsfläche des Kerns zu einer Querschnittsfläche des Grundkörpers in der gleiche Ebene mindestens 20%, insbesondere mindestens 30%, über die gesamte Länge des Grundkörpers ist, damit das Volumen des Kern ausreichend groß für eine effektive Wärmeableitung ist. Die Querschnittsfläche des Grundkörpers setzt sich zusammen aus der Querschnittsfläche des Kerns und der Querschnittsfläche des Mantels. Zusätzlich oder alternativ ist vorgesehen, dass das Verhältnis der Querschnittsflächen von Kern und Grundkörper nicht größer als 80%, insbesondere nicht größer als 60%, ist, damit der Mantel des Grundkörpers eine ausreichende Dicke aufweist, um den Kern über die gesamte Lebensdauer der Elektrode bzw. der Zündkerze ausreichend vor Verschleiß zu schützen.
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Es ist vorteilhaft vorgesehen, dass die Querschnittsfläche des Kerns im Wesentlichen konstant ist über die Länge des Grundkörpers ist. In diesem Zusammenhang ist mit im Wesentlichen konstant gemeint, dass die Querschnittsfläche des Kerns sich um nicht mehr als 5% über die gesamte Länge ändert. Zusätzlich oder alternativ ist es vorteilhaft, wenn das Verhältnis der Querschnittsfläche des Kerns zu der Querschnittsfläche des Grundkörpers über die Länge des Grundkörpers konstant ist, insbesondere wenn beispielsweise die Elektrode Bereiche mit unterschiedlichen Querschnittsflächen oder Abmessungen aufweist.
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Vorteilhafterweise besteht der Kern aus einem Material mit einer höheren Wärmeleitfähigkeit als ein Material des Mantels und/oder ein Material des Deckels. Beispielsweise besteht der Kern aus Kupfer, Silber oder einer Legierung mit Kupfer und/oder Silber. Der Mantel besteht vorzugsweise aus einer Nickel-haltigen Legierung. Zusätzlich kann die Legierung auch Silizium und/oder Yttrium und/oder Chrom aufweisen. Der Deckel kann aus der gleichen Legierung wie der Mantel bestehen, dies würde ein Verschweißen des Deckels mit dem Mantel vereinfachen. Alternativ kann der Deckel auch aus einer anderen Legierung bestehen.
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Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Elektrode eine Zündfläche aufweist. Insbesondere ist die Zündfläche am brennraumseitigen Ende der Elektrode angeordnet und bildet mit der gegenüberliegenden Elektrode einen Zündspalt. Die Zündfläche ist beispielsweise am Deckel oder an der Mantelfläche des Grundkörpers angeordnet. Die Zündfläche ist aus einem Edelmetall-haltigen Material und weist eine höhere Verschleißbeständigkeit als die Nickel-haltige Legierung des Mantelmaterials auf. Alternativ kann vorgesehen sein das der Deckel selbst aus einem Edelmetall-haltigen Material besteht und die Zündfläche bildet.
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Vorteilhaft ist vorgesehen, dass eine Projektion P des Kerns mindestens 25%, insbesondere mindestens 50% oder sogar 100%, der Zündfläche überdeckt, wobei die Projektion P senkrecht zu der Fläche erfolgt, an der die Zündfläche 19 angeordnet ist. Dadurch wird gewährleistet, dass die an der Zündfläche entstehende Wärme beim Ausbilden den Zündfunkens gut durch den Kern abgeleitet wird.
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Die Elektrode kann als Masseelektrode oder als Mittelelektrode ausgebildet sein. Die Masseelektrode kann die Form einer Dachelektrode, Seitenelektrode oder Bügelelektrode haben.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Zündkerze, die mindestens eine erfindungsgemäße Elektrode als Mittelelektrode und/oder Masseelektrode aufweist.
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Zeichnung
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1 zeigt ein Schnitt der erfindungsgemäße Elektrode entlang der Längsachse der Elektrode sowie eine Querschnittsfläche der Elektrode
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2 zeigt ein Beispiel der erfindungsgemäßen Elektrode mit dem Deckel als Kappe
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3 zeigt ein Beispiel der erfindungsgemäßen Elektrode mit dem Deckel als Winkel
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4 zeigt ein Beispiel der erfindungsgemäßen Elektrode mit dem Deckel als Scheibe
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5 zeigt eine Zündkerze
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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In 1a) ist schematisch eine erfindungsgemäße Elektrode 10 dargestellt. Die Elektrode 10 weist einen Grundkörper 15 und einen Deckel 16 auf. Der Deckel 16 ist an einer Stirnfläche 14 des Grundkörpers 15 angeordnet. Der Grundkörper 15 besteht aus einem Kern 17 und einem Mantel 18, der den Kern 17 umgibt. Der Kern 17 erstreckt sich über die gesamte Länge des Grundkörpers 15 und ist an den Stirnflächen des Grundkörpers 15 nicht vom Mantel 18 bedeckt. Der Mantel 18 weist eine Dicke b von nicht kleiner als 0,1 mm und/oder nicht größer als bis 0,8 mm auf, vorzugsweise von nicht größer als 0,5 mm. Der Kern 17 und der Mantel 18 weisen in diesem Ausführungsbeispiel konstante Abmessungen auf.
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Eine Dicke d des Deckels 16 wird senkrecht zu der Stirnfläche 14 des Grundkörpers 15 gemessen. Die Dicke d des Deckels 16 ist maximal dreimal so dick wie die Manteldicke b. Bei einer Manteldicke b von maximal 0,8 mm bedeutet dies für den Deckel 16 eine Dicke d von maximal 2,4 mm. Der Deckel 16 hat eine minimale Dicke d, die der Manteldicke b entspricht. Der Deckel 16 hat eine Dicke von nicht kleiner als 0,1 mm.
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In 1b) ist ein Schnitt des Grundkörpers 15 entlang einer Ebene AA gezeigt. Es ist die Querschnittsfläche der Elektrode 10 bzw. des Grundkörpers 15 sowie die Querschnittsflächen des Kerns 17 und des Mantels 18 gezeigt. Die Querschnittsfläche des Grundkörpers 15 setzt sich aus den Querschnittsflächen des Kerns 17 und des Mantels 18 zusammen. Der Kern 17 und der Grundkörper 15 haben die gleiche Querschnittsflächenform. Neben der hier gezeigten rechteckigen Form kann die Querschnittsfläche auch eine runde, ovale oder mehreckige Form aufweisen. Der Draht, aus dem der Grundkörper 15 hergestellt wird, kann beispielsweise eine runde Querschnittsflächenform aufweisen und durch entsprechendes umformen, wie beispielsweise pressen, walzen oder stauchen, des Drahtstücks für den Grundkörper 15 erhält man die gewünschte Querschittsflächenform für den Grundkörper 15.
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Die in 1 gezeigte Elektrode 10 kann als Mittelelektrode 12 oder als Masseelektrode 11 verwendet werden. Durch einen Umformungsschritt kann die Elektrode 10 entsprechend ihr vorgesehenen Verwendung umgeformt werden, beispielsweise für die Verwendung als Masseelektrode 11 durch Biegen der Elektrode 10. Des Weiteren kann die Elektrode 10 mit einer Zündfläche 19 bestückt werden. Die Zündfläche 19 kann am Deckel 16 oder an der Mantelfläche des Grundkörpers 15 angeordnet sein.
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2 bis 4 zeigen verschiedene Ausführungsbeispiele für den Deckel 16. Auch wenn in den 2 bis 4 eine gebogene Elektrode 10 mit konstanten Durchmesser bzw. Abmessungen beim Grundkörper 15 gezeigt wird, können die gezeigten Beispiele für den Deckel 16 auch an geraden Elektroden 10 und/oder Elektroden 10 mit Abschnitten unterschiedlicher Durchmessern bzw. Abmessungen verwendet werden.
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In 2 ist der Deckel 16 als Kappe ausgebildet. Der Boden der Kappe 16 steht mit einer Stirnseite 14 des Grundkörpers 15 im direkten Kontakt. Die Seitenwände der Kappe 16 sind entlang des Umfangs des Grundkörpers 15 angeordnet und stehen beispielsweise mindestens bereichsweise mit dem Mantel 18 im Kontakt. Die Seitenwände der Kappe 16 können den Grundkörper 15 entlang dessen Umfangs vollständig oder teilweise umschließen. Eine Zündfläche 19 ist an einer Außenseite einer Seitenwand der Kappe 16 oder am Boden der Kappe 16 angeordnet. Wenn die Elektrode 10 als Mittelelektrode 12 verwendet wird, dann ist die Zündfläche 19 an der Außenseite des Bodens der Kappe 16 angeordnet. Die Kappe 16 selbst kann auch die Zündfläche bilden.
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In 3 ist der Deckel 16 als Winkel ausgebildet, der aus zwei Flächen besteht. Die eine Fläche, erste Fläche, ist an der Stirnseite 14 des Grundkörpers 15 angeordnet. Die andere Fläche, zweite Fläche, ist an der äußeren Mantelfläche des Grundkörpers 15 angeordnet. Die Zündfläche 19 kann an der ersten Fläche oder an der zweiten Fläche des Winkels 16 angeordnet sein. Die Zündfläche kann auch direkt an der Mantelfläche des Grundkörpers 15 angeordnet sein. Alternativ ist es auch möglich, dass der Winkel 16 selbst die Zündfläche bildet.
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In 4 ist der Deckel 16 als Scheibe ausgebildet und ist an der Stirnseite 14 des Grundkörpers 15 angeordnet. Die Scheibe 16 hat eine größere Abmessung als die Querschnittsfläche des Kerns 17, damit die Scheibe 16 den Kern vollständig abdeckt. Die Scheibe ist in diesem Beispiel bündig mit dem Grundkörper 15. Die Zündfläche 19 ist wie hier gezeigt an der Mantelfläche oder an der Scheibe 16 angeordnet. Die Scheibe 16 selbst kann auch die Zündfläche bilden.
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Wie in 4 stellvertreten für alle Ausführungsbeispiele gezeigt überdeckt eine Projektion P des Kerns 17 mindestens 25 % der Zündfläche 19. Die Projektion P des Kerns 17 erfolgt senkrecht zu der Fläche, an der die Zündfläche 19 angeordnet ist. In dem in 4 gezeigten Beispiel liegt die Überdeckung der Projektion P des Kerns 17 mit der Zündfläche 19 bei ca. 90 %. In den in 2 und 3 gezeigten Ausführungsbeispielen liegt die Überdeckung der Projektion P des Kerns 17 mit der Zündfläche 19 bei 100%.
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5 zeigt eine schematische Darstellung einer Zündkerze 1 mit mindestens einer erfindungsgemäßen Elektrode 10. Die Zündkerze 1 weist ein metallisches Gehäuse 2 mit einem Gewinde für die Montage der Zündkerze 1 in einen Zylinderkopf auf. 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 12 und ein Anschlussbolzen 4 sind innerhalb des Isolators 3 angeordnet und über ein Widerstandselement 5 elektrisch verbunden.
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Die Mittelelektrode 12 ragt typischerweise am brennraumseitigen Ende der Zündkerze 1 aus dem Isolator 3 raus. Mit ihrem Elektrodenkopf 6 liegt die Mittelelektrode 12 auf einem auf der Innenseite des Isolators 3 ausgebildeten Sitz auf. Die Mittelelektrode 12 weist eine Grundkörper 15 und einen am brennraumseitigen Ende des Grundkörpers 15 angeordneten Deckel 16 auf. Der Grundkörper hat einen hier nicht dargestellten Kern der von einem Mantel umgeben ist.
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Am brennraumseitigen Ende des Gehäuses 2 ist eine Masseelektrode 11 angeordnet. Die gemeinsam mit der Mittelelektrode 12 einen Zündspalt bildet. Die Masseelektrode 11 kann als Dachelektrode, Seitenelektrode oder Bügelelektrode ausgebildet sein. Die Masseelektrode 11 weist eine Grundkörper 15 und einen am brennraumseitigen Ende des Grundkörpers 15 angeordneten Deckel 16 auf. Der Grundkörper hat einen hier nicht dargestellten Kern der von einem Mantel umgeben ist.
