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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Masseelektrode einer Zündkerze sowie eine Zündkerze mit einer erfindungsgemäßen Masseelektrode.
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Zündkerzen sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Aufgrund von Bestrebungen, die Abmessungen von Brennkraftmaschinen weiter zu reduzieren, ergibt sich auch eine Notwendigkeit von kleineren Zündkerzen. Hierdurch werden jedoch die Anforderungen an die Zündkerzen hinsichtlich einer Robustheit, einer Gasdichtheit und einer Temperaturbeständigkeit größer, was zu Neukonstruktionen im Bereich von Zündkerzen führen muss. Ein weiteres Problem moderner Brennkraftmaschinen liegt darin, dass während des Verbrennungsvorgangs ständig steigende Drücke im Brennraum vorhanden sind. Diese Drücke wirken auch auf die in den Brennraum vorstehende Zündkerze, insbesondere eine Masseelektrode der Zündkerze. Aufgrund der hohen Drücke kann es im Betrieb zu Verformungen der Masseelektrode kommen, wodurch ein Abstand zwischen Masseelektrode und Mittelelektrode der Zündkerze verändert werden kann. Hierdurch wird jedoch die Zündeigenschaft der Zündkerze negativ beeinflusst, was bis zu einem Totalausfall der Zündkerze führen kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Masseelektrode einer Zündkerze mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine erhöhte Robustheit gegenüber Drücken im Brennraum, welche insbesondere durch einen Kolbendruck und/oder den Verbrennungsvorgang auftreten können, verbessert wird. Dadurch kann eine Lebensdauer der Zündkerze verlängert werden und insbesondere auch die erhöhten Anforderungen hinsichtlich Robustheit und Dauerstandzeit der Zündkerze auch bei Brennkraftmaschinen mit reduzierten Abmessungen, welche unweigerlich auch zu reduzierten Abmessungen der Zündkerze führen müssen, ermöglicht werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Zündkerze einen geradlinigen Fußbereich mit einer ersten Länge aufweist, wobei der Fußbereich zur Fixierung an einem Massebauteil der Zündkerze, insbesondere einem Gehäuse, eingerichtet ist. Ferner umfasst die Masseelektrode einen geradlinigen, freiliegenden Endbereich, welcher eine zweite Länge aufweist. Die zweite Länge des Endbereichs ist dabei größer als die erste Länge des Fußbereichs. Ferner umfasst die Masseelektrode einen Verbindungsbereich, welcher den Fußbereich mit dem freiliegenden Endbereich verbindet. Der Verbindungsbereich ist dabei bogenförmig ausgebildet und weist einen mittleren Radius von ≥ 4 mm, insbesondere ≥ 4,2 mm, auf. Durch diese Kombination der erfindungsgemäßen Maßnahmen mit geradlinigem Endbereich, geradlinigem Fußbereich und einem Verbindungsbereich mit einem relativ großen mittleren Radius, kann während des Betriebes der Brennkraftmaschine eine sehr gute Druckverteilung auf die Masseelektrode erreicht werden, so dass keine Verformung der Masseelektrode auch bei hohen Druckspitzen im Betrieb auftritt, wodurch sich die Lebensdauer der Masseelektrode signifikant verlängert.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Vorzugsweise weist der bogenförmige Verbindungsbereich eine mittlere Bogenlänge auf, welche größer ist als eine Summe der ersten Länge und der zweiten Länge. Dadurch wird ein langgezogener bogenförmiger Verbindungsbereich erreicht, welcher Druckkräfte im Betrieb der Brennkraftmaschine aufnehmen kann, ohne dass dabei eine Verformung der Masseelektrode, und insbesondere des bogenförmigen Verbindungsbereichs, auftritt.
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Der mittlere Radius des bogenförmigen Verbindungsbereichs ist weiter bevorzugt ≥ 6 mm.
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Für eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung wird der bogenförmige Verbindungsbereich ausschließlich mit nur genau einem mittleren Radius ausgebildet. D.h., der Radius entlang der mittleren Bogenlänge bleibt konstant.
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Alternativ weist der bogenförmige Verbindungsbereich mehrere unterschiedliche mittlere Radien auf. Besonders bevorzugt weist der bogenförmige Verbindungsbereich genau zwei unterschiedliche mittlere Radien auf. Wenn genau zwei unterschiedliche mittlere Radien vorhanden sind, ist vorzugsweise der kleinere mittlere Radius am freiliegenden Endbereich angeordnet und der größere mittlere Radius am geradlinigen Fußbereich angeordnet. Der größere der beiden Radien ist vorzugsweise mit einem Radius von ≥ 4 mm ausgebildet.
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Bevorzugt sind alle mittleren Radien von bogenförmigen Unterbereichen des bogenförmigen Verbindungsbereichs ≥ 4mm.
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Weiter bevorzugt sind, wenn der bogenförmige Verbindungsbereich genau zwei unterschiedliche mittlere Radien aufweist, eine erste mittlere Bogenlänge B1 eines ersten Bogenbereichs kleiner als eine zweite mittlere Bogenlänge B2 eines zweiten Bogenbereichs.
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Vorzugsweise weist der bogenförmige Verbindungsbereich 23 eine Vielzahl von bogenförmigen Unterbereichen auf, wobei wenigstens zwei Unterbereiche einen unterschiedlichen mittleren Radius aufweisen, und insbesondere jeder Unterbereich einen anderen mittleren Radius aufweist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die erste Länge des geradlinigen Fußbereichs ≥ 1,5 mm. Der geradlinige, freiliegende Endbereich der Masseelektrode ist derart vorgesehen, dass die zweite Länge des Endbereichs in einem Bereich von 1,5 bis 2,2 mm liegt.
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Für eine verbesserte Festigkeit ist vorzugsweise ein Querschnitt der Masseelektrode entlang der gesamten Länge der Masseelektrode konstant. Der Querschnitt ist besonders bevorzugt mit zwei zueinander parallelen Flächen vorgesehen, wobei eine der beiden parallelen Flächen zu einer Mittelelektrode der Zündkerze gerichtet ist. Hierdurch wird ein Widerstand der Masseelektrode gegenüber einer Verformung weiter vergrößert. Bevorzugt sind die Flächen parallel zu einer Endfläche an der Fixierverbindung des Fußbereichs der Masseelektrode.
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Weiter bevorzugt ist eine Mittelachse des geradlinigen Fußbereichs senkrecht zu einer Mittelachse des freiliegenden Endbereichs angeordnet. Somit liegen die Endfläche des Fußbereichs sowie eine Stirnseite des freiliegenden Endbereichs in einem Winkel von 90° zueinander, wobei der bogenförmige Verbindungsbereich nicht wie im Stand der Technik als rechter Winkel vorgesehen ist.
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Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine Zündkerze mit einer erfindungsgemäßen Masseelektrode.
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Besonders bevorzugt weist die Zündkerze ein M8-Gewinde oder ein M10-Gewinde oder ein M12-Gewinde an einem Gehäuse der Zündkerze auf. Die Masseelektrode ist vorzugsweise mittels einer Schweißverbindung am Gehäuse der Zündkerze fixiert.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Zündkerze.
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Zeichnung
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung sind gleiche bzw. funktional gleiche Teile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. In der Zeichnung ist:
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1 eine schematische Ansicht einer Zündkerze gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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2 eine schematische, vergrößerte Seitenansicht einer Masseelektrode der Zündkerze von 1;
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3 eine schematische Querschnittsansicht der Masseelektrode von 2 entlang der Linie III-III;
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4 eine schematische Seitenansicht einer Masseelektrode einer Zündkerze gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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5 eine schematische Seitenansicht einer Masseelektrode einer Zündkerze gemäß dem Stand der Technik.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 eine Masseelektrode 2 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst eine Zündkerze 1 neben der Masseelektrode 2 eine Mittelelektrode 3. Ein Isolator 4 ist vorgesehen, um die Mittelelektrode 3 zu isolieren. Der Isolator 4 ist teilweise von einem metallischen Gehäuse 5 umgeben.
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Die Masseelektrode 2 ist am Gehäuse 5 mittels einer Schweißverbindung 20 fixiert. Am Gehäuse 5 ist ferner ein M10-Gewinde 50 vorgesehen. Mittels dieses M10-Gewindes 50 wird die Zündkerze 1 in einen Zylinderkopf oder dgl. eingeschraubt. Aufgrund der stetigen Tendenz zur Reduzierung von Abmessungen von Brennkraftmaschinen wird erfindungsgemäß ein kleineres Gewinde als im Stand der Technik verwendet, welcher bisher immer noch große Gewinde zur Fixierung von Zündkerzen verwendet.
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An der Zündkerze 1 ist ferner noch eine Anschlussmutter 6 für einen elektrischen Anschluss der Zündkerze vorgesehen. Die Anschlussmutter 6 ist über einen Anschlussbolzen 7 und ein Verbindungselement 8 (Widerstandselement) mit der Mittelelektrode 3 verbunden.
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In den 2 und 3 ist die Masseelektrode 2 im Detail gezeigt. Die Masseelektrode 2 umfasst einen geradlinigen Fußbereich 21, mit welchem die Masseelektrode 2 am Gehäuse 5 mittels der Schweißverbindung 20 fixiert ist. Der geradlinige Fußbereich 21 weist eine erste Länge L1 auf. An den geradlinigen Fußbereich 21 schließt sich ein bogenförmiger Verbindungsbereich 23 an. Den Abschluss der Masseelektrode bildet ein geradliniger, freiliegender Endbereich 22 mit einer zweiten Länge L2.
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Der Verbindungsbereich 23 weist eine mittlere Bogenlänge L3 auf. Die mittlere Bogenlänge L3 ist dabei eine Mittellinie des bogenförmigen Verbindungsbereichs 23.
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Wie aus 2 ersichtlich ist, ist die erste Länge L1 des geradlinigen Fußbereichs 21 kleiner als die zweite Länge L2 des freiliegenden Endbereichs 22. Bevorzugt ist die erste Länge L1 ≥ 1,5 mm. Weiter bevorzugt ist die zweite Länge L2 in einem Bereich von 1,5 mm bis 2,2 mm. Der bogenförmige Verbindungsbereich 23 weist genau einen mittleren Radius R1 auf, welcher die Mittellinie (mittlere Bogenlänge) des bogenförmigen Verbindungsbereichs 23 festlegt.
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Wie aus 2 ersichtlich ist, ist ein erster Endbereich E1 und ein zweiter Endbereich E2 des bogenförmigen Verbindungsbereichs 23 derart vorgesehen, dass diese senkrecht zueinander stehen. Hierdurch ist eine äußere Bogenlänge B1 des Verbindungsbereichs 23 ungefähr 10% größer als eine zweite Bodenlänge B2.
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3 zeigt einen Querschnitt der Masseelektrode 2 entlang der Linie III-III von 2. Die Querschnittsform der Masseelektrode 2 ist dabei im Wesentlichen rechteckig, wobei die beiden einander gegenüberliegenden Schmalseiten des Rechtecks bogenförmig ausgebildet sind. Ein Kern 24 ist dabei aus einem Nickel umfassenden Material hergestellt und eine Umhüllung 25 aus einer widerstandsfähigen, Edelmetall enthaltenden Legierung vorgesehen. Hierdurch kann eine hohe Standzeit der Masseelektrode 2 sichergestellt werden, ohne dass die gesamte Masseelektrode 2 aus der sehr teuren, edelmetallhaltigen Legierung hergestellt werden muss.
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Genauer, wie weiter aus 3 ersichtlich ist, weist die Masseelektrode 2 zwei zueinander parallele Flächen, nämlich eine erste Fläche F1 und eine zweite Fläche F2 auf. Die beiden parallelen Flächen F1 und F2 sind dabei parallel zu einer dritten Endfläche E3 am Fußbereich 21 der Masseelektrode 2 vorgesehen. Die erste Fläche F1 ist dabei zur Mittelelektrode 3 gerichtet.
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Alternativ könnte der Querschnitt der Masseelektrode 2 auch kreisförmig sein.
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5 zeigt zum Vergleich eine Masseelektrode 102 gemäß dem Stand der Technik. Hierbei ist ein Verbindungsbereich 123 als ein Viertelkreis vorgesehen, so dass ein rechter Winkel ausgebildet ist. Eine erste Länge L1 eines geradlinigen Fußbereichs 121 ist dabei größer als eine zweite Länge L2 eines freiliegenden Verbindungsbereichs 122. Hierdurch ist die mittlere Bogenlänge L3 des bogenförmigen Verbindungsbereichs deutlich kürzer als bei der vorliegenden Erfindung. Durch die große erste Länge L1 des geradlinigen Fußbereichs 121 steht die Masseelektrode 102 des Standes der Technik auch weit in den Brennraum vor. Dadurch ergibt sich eine für die Masseelektrode nicht optimale Angriffsfläche gegenüber dem Druck im Brennraum.
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Im Gegensatz dazu ist bei der vorliegenden Erfindung ein größerer mittlerer Radius R1 als ein Radius R im Stand der Technik vorgesehen. Hierdurch kann eine höhere Festigkeit der erfindungsgemäßen Masseelektrode 2 gegenüber dem Druck im Brennraum erreicht werden. Der mittlere Radius R1 der erfindungsgemäßen Masseelektrode 2 ist dabei bevorzugt ≥ 4 mm und beträgt insbesondere 8 mm.
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Durch die erfindungsgemäße Verkürzung der ersten Länge L1 gegenüber der zweiten Länge L2 wird eine Versteifung der Masseelektrode erreicht, welche durch die Wahl des großen mittleren Radius R1 noch zusätzlich unterstützt wird. Hierdurch ergibt sich eine signifikant reduzierte Verformung auch bei Druckspitzen im Betrieb, so dass eine Lebensdauer der Masseelektrode 2 signifikant vergrößert werden kann. Versuche haben ergeben, dass die erfindungsgemäße Masseelektrode dabei im Vergleich mit der Masseelektrode 102 des Standes der Technik 63% weniger Verformung und eine reduzierte Belastung von 37,5% aufweist.
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4 zeigt eine Masseelektrode 2 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel weist die Masseelektrode 2 des zweiten Ausführungsbeispiels einen Verbindungsbereich 23 auf, welcher zwei unterschiedliche Bogenbereiche umfasst. Genauer umfasst der bogenförmige Verbindungsbereich 23 einen ersten Unterbereich 231 und einen zweiten Unterbereich 232. Der erste Unterbereich 231 weist einen mittleren Radius R3 auf. Der zweite Unterbereich 232 weist einen mittleren Radius R2 auf. Der mittlere Radius R2 ist dabei kleiner als der mittlere Radius R3. Ferner liegen die Mittelpunkte M1 des ersten mittleren Radius R3 und M2 des zweiten mittleren Radius R2 auseinander (vgl. 4). Eine erste Länge L1 des geradlinigen Fußbereichs 21 ist wieder deutlich kleiner als eine zweite Länge L2 des freiliegenden Endbereichs 22. Dabei beträgt die erste Länge L1 ungefähr die Hälfte der zweiten Länge L2. Eine mittlere Bogenlänge des Verbindungsbereichs 23 setzt sich beim zweiten Ausführungsbeispiel durch die mittleren Teilbogenlängen L3‘ und L3‘‘ zusammen.
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Wie wiederum ein Vergleich mit dem Stand der Technik (5) zeigt, ist die Masseelektrode 2 des zweiten Ausführungsbeispiels wieder mit einem unterschiedlichen Verbindungsbereich 23 versehen. Hierdurch können wiederum verbesserte Festigkeiten der Masseelektrode 2 und eine verbesserte Druckaufnahme bei Druckspitzen im Betrieb in der Brennkraftmaschine erreicht werden. Ansonsten entspricht das zweite Ausführungsbeispiel dem ersten Ausführungsbeispiel, so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.
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Wie in den beiden Ausführungsbeispielen dargelegt, kann somit durch die erfindungsgemäße Maßnahme einer Verkürzung des geradlinigen Fußbereichs 21 derart, dass der geradlinige Fußbereich 21 immer kleiner als der freiliegende Endbereich 22 ist, eine Versteifung der Masseelektrode in Verbindung mit der Wahl eines größeren mittleren Radius R1 bzw. mehrerer größerer mittlerer Radien (R2, R3) des Verbindungsbereichs 23 erreicht werden. Der Verbindungsbereich 23 kann dabei mit einem konstanten mittleren Radius oder zwei oder mehreren unterschiedlichen mittleren Radien zusammengesetzt sein.
