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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zündkerze mit einem separaten Wärmeleitelement und einem separaten Dichtelement, wobei beide zwischen einem Gehäuse der Zündkerze und einem Isolator angeordnet sind.
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Zündkerzen sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Aufgrund der Bestrebungen, die Abmessungen von Brennkraftmaschinen zu reduzieren, ergibt sich auch die Notwendigkeit von kleineren Zündkerzen. Hierdurch werden jedoch die Anforderungen an die Zündkerze hinsichtlich Robustheit, Gasdichtheit und Temperaturbeständigkeit größer, was zu Neukonstruktionen im Bereich von Zündkerzen führen muss. Bei den bekannten Zündkerzen wird bisher eine Dichtscheibe zwischen Isolator und Gehäuse angeordnet, welche möglichst nahe am brennraumseitigen Ende der Zündkerze angeordnet wird. Diese Dichtscheibe wird bei der Montage der Zündkerze durch Kraftschluss plastisch verformt, wodurch die Gasdichtheit der Zündkerze zwischen Isolator und Gehäuse an der von dem Brennraum abgewandten Seite der Zündkerze sichergestellt wird. Neben der Dichtfunktion übernimmt die plastisch verformte Dichtscheibe dabei auch die Funktion einer Wärmeleitung vom Isolator auf das Gehäuse der Zündkerze. Für die kraftschlüssige Verformung der Dichtscheibe sind jedoch hohe Flächenpressungen notwendig. Diese hohen Flächenpressungen wirken sich jedoch negativ auf den Isolator und das Gehäuse der Zündkerze aus. Insbesondere können bei der Montage Spannungen in den Isolator und das Gehäuse eingebracht werden, wodurch sich insbesondere eine Abdrehfestigkeit reduzieren kann. Die hohen Vorspannkräfte, die zur Verformung der Dichtscheibe benötigt werden, können insbesondere bei einer zukünftigen Reduzierung von Abmessungen der Zündkerze zu Problemen bei der Gasdichtheit und der Montage führen. Zusätzlich werden durch hohe Anzugsdrehmomente beim Einschrauben die benötigten Vorspannkräfte zur Aufrechterhaltung der Gasdichtheit reduziert. Dies führt zu einer erhöhten Leckage in dem Bereich zwischen Isolator und Gehäuse.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Zündkerze mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass Bauteile der Zündkerze, insbesondere ein Isolator und ein Gehäuse, reduzierte Spannungen aufweisen. Ferner können die Abmessungen der Zündkerze reduziert werden, ohne dass der Wärmestrom und die Gasdichtheit beim Betrieb der Zündkerze verschlechtert wird. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass zwischen dem Isolator und dem Gehäuse der Zündkerze ein separates Wärmeleitelement und ein separates Dichtelement angeordnet werden. Das Wärmeleitelement und das Dichtelement sind dabei um einen vorbestimmten Abstand in Axialrichtung der Zündkerze voneinander beabstandet. Hierdurch kann erfindungsgemäß eine Funktion der Abdichtung und der Wärmeleitung getrennt werden. Dadurch ist es möglich, dass insbesondere das Wärmeleitelement mit einer deutlich reduzierten Vorspannkraft zwischen Isolator und Gehäuse angeordnet werden kann, sodass Spannungen in diesen Bauteilen aufgrund der Montage und Verformung des Wärmeleitelements nicht auftreten. Zwar müssen erfindungsgemäß zwei Bauteile für das im Stand der Technik bisher verwendete Dichtungselement verwendet werden, jedoch kann mittels der Erfindung auf einfache und kostengünstige Weise eine Reduzierung von Abmessungen der Zündkerze erreicht werden, ohne dass hierdurch Funktionsnachteile und Nachteile hinsichtlich einer Lebensdauer der Zündkerze auftreten. Ggf. kann aufgrund der Reduzierung der Flächenpressung eine etwas höhere Leckage in einen Innenbereich zwischen Isolator und Gehäuse auftreten, jedoch wird ein durch diese Leckage verursachter Wärmestrom durch das Wärmeleitelement abgeleitet und somit der Dichtring vor zu großer Wärmebelastung geschützt. Die eigentliche Abdichtung zwischen Gehäuse und Isolator erfolgt dann am separaten Dichtelement.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Vorzugsweise ist das Wärmeleitelement näher an einem elektrodenseitigen Ende der Zündkerze angeordnet als das Dichtelement. Dadurch werden einerseits Beschädigungen am Dichtelement aufgrund von zu hohen Temperaturen vermieden. Andererseits kann das Dichtelement aus einem relativ kostengünstigen Material hergestellt werden, welches nicht höchsten Anforderungen hinsichtlich einer Temperaturfestigkeit genügen muss.
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Bevorzugt ist das Wärmeleitelement derart ausgebildet, dass sich das Wärmeleitelement über einen vorbestimmten Bereich in Axialrichtung zwischen dem Isolator und dem Gehäuse erstreckt, welcher größer ist als ein Erstreckungsbereich des Dichtelements in Axialrichtung. Dadurch ergibt sich eine große Wärmeübergabefläche.
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Besonders bevorzugt erstreckt sich das Wärmeleitelement in Axialrichtung von einem ersten Bereich, an dem eine Mittelektrode angeordnet ist, bis zu einem zweiten Bereich, an welchem ein äußerer Dichtring der Zündkerze, insbesondere am Gehäuse, vorgesehen ist.
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Besonders bevorzugt ist das Wärmeleitelement ein Federelement, insbesondere aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit und thermischer Festigkeit, z.B. einem Metallmaterial. Durch die Verwendung eines Federelements als Wärmeleitelement kann zusätzlich eine Zentrierung des Isolators im Gehäuse erreicht werden.
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Besonders bevorzugt weist das Federelement dabei federnde Eigenschaften sowohl in einer Axialrichtung als auch in einer Radialrichtung der Zündkerze auf. Hierdurch kann eine besonders gute Positionierung des Isolators im Gehäuse erreicht werden.
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Das Federelement, welches als Wärmeleitelement verwendet wird, ist vorzugsweise eine zylindrische Schraubenfeder. Dabei weist die Schraubenfeder besonders bevorzugt eine Steigung derart auf, dass ein Abstand zwischen benachbarten Windungen der Schraubenfeder größer ist als ein Durchmesser oder ein Querschnitt eines Federdrahts der Schraubenfeder. Somit wird ein Federelement bereitgestellt, welches ausreichend Zwischenraum zwischen den einzelnen Windungen des Federelements aufweist. Hierdurch wird eine besonders gute Zentrierwirkung des Federelements erreicht.
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Weiter bevorzugt weist der Isolator einen sich radial erweiternden Bereich auf, und das Dichtelement ist zu diesem benachbart angeordnet. Der sich radial erweiternde Bereich des Isolators ist besonders bevorzugt in einem Bereich des Gehäuses angeordnet, an welchem ein Werkzeugansatzpunkt ausgebildet ist.
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Das Dichtelement ist besonders bevorzugt ein Dichtring mit vier Dichtbereichen, wobei sich zwei Dichtbereiche mit dem Isolator in Kontakt befinden und zwei Dichtbereiche mit dem Gehäuse in Kontakt befinden. Der Dichtring ist besonders bevorzugt ein Quad-Ring.
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Weiter bevorzugt ist das Wärmeleitelement ohne Verformung zwischen Isolator und Gehäuse angeordnet. Dadurch werden keinerlei Spannungen in das Gehäuse oder den Isolator aufgrund der Montage des Wärmeleitelements eingebracht. Hierdurch kann eine hohe Zuverlässigkeit der Zündkerze sichergestellt werden.
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Vorzugsweise ist ein Querschnitt des Wärmeleitelements kleiner als ein Querschnitt des Dichtelements.
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Die erfindungsgemäße Zündkerze ist besonders bevorzugt eine Zündkerze mit M12-, M10- oder M8-Gewinde zur Fixierung der Zündkerze in einem Zylinderkopf oder dergleichen. Somit weist die erfindungsgemäße Zündkerze eine signifikante Reduktion an Abmessungen auf, da im Stand der Technik bisher immer noch M14- bzw. M18-Außengewinde für Zündkerzen Standard sind.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
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1 eine schematische Schnittansicht einer Zündkerze gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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2 eine schematische, vergrößerte Ansicht eines Wärmeleitelements der Zündkerze von 1, und
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3 eine schematische, vergrößerte Ansicht eines Dichtelements der Zündkerze von 1.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 eine Zündkerze 1 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst die Zündkerze 1 ein metallisches Gehäuse 2 und einen keramischen Isolator 3. Der keramische Isolator 3 nimmt in bekannter Weise eine Mittelelektrode 6 auf und die Mittelelektrode 6 ist elektrisch über ein elektrisches Widerstandselement 8 mit einem dem Brennraum abgewandten elektrischen Kontaktbereich 9 verbunden.
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Die Zündkerze 1 umfasst ferner eine Masseelektrode 7, welche mit dem metallischen Gehäuse 2 verbunden ist. Das Bezugszeichen 10 bezeichnet einen äußeren Dichtring, welcher die Zündkerze im montierten Zustand, z. B. in einem Zylinderkopf, abdichtet.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, ist zwischen dem Gehäuse 2 und dem Isolator 3 ein separates Wärmeleitelement 4 und ein separates Dichtelement 5 angeordnet. Das Wärmeleitelement 4 ist in Axialrichtung X-X der Zündkerze näher am brennraumseitigen Ende, an welchem die Mittelelektrode 6 und die Masseelektrode 7 angeordnet ist, vorgesehen, als das Dichtelement 5.
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Somit ist das Dichtelement 5 weiter entfernt von der heißen Brennraumseite der Zündkerze angeordnet.
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Das Wärmeleitelement 4 ist über einen vorbestimmten Bereich B der Zündkerze in Axialrichtung zwischen dem Isolator und dem Gehäuse angeordnet. Dieser vorbestimmte Bereich B reicht dabei von einem ersten Teilbereich an der Mittelektrode 6 bis zu einem zweiten Teilbereich der Zündkerze, an welchem der äußere Dichtring 10 zur Abdichtung der Zündkerze im Zylinderkopf vorgesehen ist. Das Bezugszeichen 21 bezeichnet einen Werkzeugansatzbereich, an welchem die Zündkerze in den Zylinderkopf eingeschraubt bzw. ausgeschraubt werden kann.
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Wie aus den 1 und 2 ersichtlich ist, ist das Wärmeleitelement 4 als zylindrische Schraubenfeder ausgebildet. Die Steigung der Schraubenfeder und der Drahtdurchmesser muss in Abhängigkeit der thermo-dynamischen und fertigungstechnischen Anforderungen ausgelegt werden. Dabei weist die Schraubenfeder eine Steigung derart auf, dass Abstände E zwischen einzelnen Windungen der Schraubenfeder größer sind als ein Drahtdurchmesser D der Schraubenfeder (siehe 2). Hierdurch werden relativ große Abstände E zwischen den einzelnen Windungen der Schraubenfeder erreicht. Ein großer Bereich der Wärmeleitung ist durch das Wärmeleitelement bevorzugt zu ermöglichen. Die Wärme im Betrieb wird dabei von der Schraubenfeder am brennraumseitigen Ende der Schraubenfeder aufgenommen und über die Vielzahl von Windungen an das metallische Gehäuse und vom metallischen Gehäuse an den Zylinderkopf abgegeben.
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Wie aus 2 ersichtlich ist, ist das Wärmeleitelement 4 mit geringer Verformung in einen Zwischenraum zwischen dem Gehäuse 2 und dem Isolator 3 angeordnet. Hierdurch werden die unerwünschten Spannungen in das Gehäuse bzw. den Isolator 3 durch geringere Vorspannkräfte reduziert. Die Wärmeabgabe vom Wärmeleitelement 4 kann dabei über einen großen Axialbereich erfolgen. Dadurch wird das Dichtelement 5 vor einer unzulässig hohen Wärmebelastung geschützt.
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Wie insbesondere aus den 1 und 3 ersichtlich ist, ist in Axialrichtung X-X der Zündkerze zwischen dem Wärmeleitelement 4 und dem Dichtelement 5 ein vorbestimmter Abstand A vorhanden. Dieser Abstand A verhindert, dass Wärme, welche durch das Wärmeleitelement 4 aufgenommen wird, direkt auf das Dichtelement 5 übertragen werden kann.
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3 zeigt im Detail das Dichtelement 5. Das Dichtelement 5 ist beispielhaft als ein Quad-Ring mit einem ersten Dichtbereich 51, einem zweiten Dichtbereich 52, einem dritten Dichtbereich 53 und einem vierten Dichtbereich 54 dargestellt. Das Dichtelement 5 weist somit vier Dichtbereiche auf und die Funktion einer doppelt wirkenden Lippendichtung. Eine Abdichtung erfolgt dabei in Radialrichtung in doppelter Weise zwischen dem Isolator 3 und dem Gehäuse 2.
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Das Dichtelement 5 ist dabei benachbart zu einem sich erweiternden Bereich 30 des Isolators 3 angeordnet. In Axialrichtung weist das Dichtelement 5 einen Erstreckungsbereich C auf, welcher kleiner ist als der vorbestimmte Bereich B des Wärmeleitelements.
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Somit kann durch die Anordnung des Wärmeleitelements 4 in Axialrichtung der Zündkerze näher zum brennraumseitigen Ende der Zündkerze als das Dichtelement 5 ein Schutz des Wärmeleitelements 4 vor unnötiger Wärmebelastung erreicht werden. Daher kann ein Material für das Dichtelement 5 derart gewählt werden, dass es nicht höchsten Temperaturbeanspruchungen standhalten muss, sondern ein kostengünstigeres Material verwendet werden. Dadurch können die Herstellungskosten für die Zündkerze geringgehalten werden und eine Trennung zwischen einer Dichtfunktion und einer Wärmeleitfunktion durch zwei separate Bauteile erreicht werden. Hierdurch ist es möglich, dass die beiden separaten Bauteile jeweils hinsichtlich ihrer jeweiligen Funktion – einmal Wärmeleitung und einmal Abdichtung – ausgelegt werden können.
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Diese Trennung der Funktionen macht es möglich, dass die Abmessungen der Zündkerze reduziert werden können und die Zündkerze ein M10- oder ein M8- und M12-Gewinde 20 aufweist. Das Wärmeleitelement kann somit sehr schmal ausgeführt werden, so dass die radialen Abmessungen von Gehäuse und Isolator im Bereich des Wärmeleitelements reduziert werden können.
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Durch die Verwendung der Schraubenfeder als Wärmeleitelement 4 kann ferner noch eine Positionierfunktion durch die Schraubenfeder erreicht werden. Zwar könnte eventuell eine höhere Leckage ausgehend vom brennraumseitigen Ende der Zündkerze in dem Bereich zwischen Gehäuse 2 und Isolator 3 eintreten, jedoch kann der durch die Leckage verursachte Wärmestrom durch das Wärmeleitelement 4 über einen langen Axialbereich abgeleitet werden.
