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Stand der Technik
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Die Erfindung geht von einer Zündkerze gemäß dem Oberbegriff des ersten Anspruchs aus.
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Heutige Ottomotoren der neusten Generation mit Direkteinspritzung erfahren im Gegensatz zu den Saugmotoren eine sehr hohe Aufladung (Druck), um die Forderungen nach hohen Leistungen und gleichzeitigen Krafteinsparungen zu erfüllen. Dies ist insbesondere bei den Downsizing-Motoren der Fall. Dadurch ergeben sich hohe Anforderungen an die Dichtheit der in einem Motorblock montierten Zündkerze.
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Die Abdichtung zwischen der Zündkerze und dem Motorblock, in dem die Zündkerze montiert ist, erfolgt in der Regel durch eine sogenannte Außendichtung, auch äußerer Dichtring oder äußere Dichtung oder äußeres Dichtelement oder äußere Dichtscheibe genannt, durch die die Zündkerze im Motorblock gasdicht abgedichtet ist. Zur Montage der Zündkerze weist das Gehäuse der Zündkerze ein Gewinde auf. Bei der Montage wird die Zündkerze mit einem definierten Anzugsmoment beaufschlagt und so die Außendichtung auf die korrespondierende Dichtfläche des Motorblocks gedrückt.
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Aus dem Stand der Technik ist bekannt, die Außendichtung aus einem metallischen Werkstoff, wie Stahl oder Kupfer, zu fertigen. Es gibt zurzeit zwei Ausgestaltungen für die Außendichtung, die sehr verbreitet sind: Die Faltdichtung und die Blockdichtung.
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Bei einer als Faltdichtung ausgebildeten Außendichtung hat die Außendichtung im Querschnitt eine nicht geschlossene Querschnittsfläche. Die Querschnittsfläche ist beispielsweise S-förmig und/oder schneckenförmig und schließt dabei einen oder mehrerer Hohlräume ein. Es gibt Faltdichtungen mit unterschiedlich ausgestalteten Querschnittsfläche. Sie haben alle gemeinsam, dass die Außendichtung sich bei der Montage verformt, so dass sich das Volumen von mindestens einem Hohlraum verkleinert. Dabei erfolgt bei der Beaufschlagung der Zündkerze mit dem für die Montage erforderlichen Anzugsmoments zuerst eine elastische Verformung der Außendichtung, die dann in eine plastische Verformung übergeht. Die Faltdichtung kann soweit verformt werden, dass am Ende keine Hohlräume mehr vorhanden sind und die Faltdichtung die Eigenschaft einer Blockdichtung annimmt. Der Vorteil der Ausgestaltung der Außendichtung als Faltdichtung ist, dass die Faltdichtung einen großen Toleranzbereich in Bezug auf das Anziehmoment hat. Daher ist bei einer Faltdichtung die Gefahr, bei der Montage die Zündkerze mit einem zu großen Anzugsmoment zu beaufschlagen, aufgrund dessen die Außendichtung undicht werden könnte, sehr gering. Aufgrund der plastischen Verformung weist die Faltdichtung allerdings eine große Höhenänderung bei der Zündkerzenmontage auf, so dass sich für die Ausrichtung der Masseelektrode relative zu einem Kraftstoffeinlass eine große Winkeltoleranz ergibt, so dass eine zuverlässige Ausrichtung der Masseelektrode schwierig ist.
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Bei einer als Blockdichtung (auch volle Dichtung genannt) ausgebildeten Außendichtung hat die Außendichtung im Querschnitt eine geschlossene Querschnittsfläche, d.h. es gibt im Gegensatz zur Faltdichtung keine Hohlräume. Bei der Blockdichtung erfolgt bei der Montage der Zündkerze im Motorblock hauptsächliche eine elastische Verformung. Im Vergleich zu der Faltdichtung hat eine Blockdichtung eine relative kleine Höhenänderung bei der Montage der Zündkerze. Aufgrund der kleinen Höhenänderung bei der Blockdichtung kann diese für Zündkerze mit gerichteten Masseelektroden verwendet werden, da durch die kleinen Höhenänderung der Blockdichtung sich eine kleine Winkeltoleranz für die gerichteten Masseelektrode ergibt und so eine möglichst genaue Ausrichtung der Masseelektrode relative zu einem Kraftstoffeinlass möglich ist. Eine Blockdichtung hat jedoch eine kleine Anzugsmomenttoleranz, wodurch die Gefahr groß ist, bei der Montage die Zündkerze entweder mit einem für eine gasdichte Abdichtung zu niedrigen Anziehmoment zu beaufschlagen, oder auf die Zündkerze ein zu hohes Anziehmoment auszuüben, so dass die Außendichtung beschädigt und damit undicht werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Demgemäß ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Zündkerze mit einer Außendichtung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass die Zündkerze eine Außendichtung hat, die sowohl eine hohe Anzugsmomenttoleranz als auch eine kleine Winkeltoleranz aufweist.
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Diese Aufgabe wird bei der Zündkerze der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Außendichtung, die dazu eingerichtet ist, den Übergang zwischen Zündkerzengehäuse und einem Motorblock, beispielsweise dem Zündkerzenschacht eines Motorblocks, gasdicht abzudichten, ein Element aufweist, das aus Kunststoff besteht.
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Es hat sich herausgestellt, dass eine Außendichtung, die ein Element aufweist, das aus Kunststoff besteht, sowohl eine hohe Anzugsmomenttoleranz als auch eine kleine Winkeltoleranz aufweist.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Vorteilhaft weist die Außendichtung eine Höhenänderung von höchstens 10 %, besonders vorteilhaft höchstens 5 %, auf. Unter der Höhenänderung ist das Verhältnis der Differenz aus einer ersten Höhe H1 und einer zweiten Höhe H2 der Außendichtung zu der ersten Höhe H1 der Außendichtung zu verstehen, also (H1 – H2)/H1, wobei die erste Höhe H1 die Höhe der Außendichtung bei einer unmontierten Zündkerze ist, und wobei die zweite Höhe H2 die Höhe der Außendichtung bei einer in den Motorblock montierten Zündkerze ist. Hierbei ist unter einer im Motorblock montierten Zündkerze eine Zündkerze zu verstehen, die mit dem für eine gasdichte Montage erforderlichen Anzugsmoment montiert wurde. Bei einer derartigen Höhenänderung von höchstens 10 %, besonders vorteilhaft von höchstens 5 %, ist besonders vorteilhaft sowohl eine hohe Anzugsmomenttoleranz als auch eine kleine Winkeltoleranz realisierbar. Alternativ weist das Element der Außendichtung eine Höhenänderung von höchstens 10 %, insbesondere von höchstens 5 %, auf, wobei die Höhenänderung wie bei der Höhenänderung der Außendichtung definiert ist, aber entsprechend nur die Höhen H1 und H2 für das aus Kunststoff bestehende Element betrachtet werden.
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Besonders vorteilhaft wird für eine erfindungsgemäße Zündkerze ein Toleranzbereich für das für die gasdichte Montage der Zündkerze in einem Motorblock benötigtes Anziehmoment von mindestens 5 Nm, insbesondere mindestens 10 Nm, besonders vorteilhaft mindestens 15 Nm erreicht. Der Toleranzbereich für das Anziehmoment ergibt sich aus der Differenz zwischen dem niedrigsten möglichen Anziehmoment, ab dem eine gasdichte Montage möglich ist, und dem höchsten möglichen Anziehmoment, ab dessen Überschreitung die gasdichte Montage nicht mehr gewährleistet ist.
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Vorteilhaft weist der Kunststoff eine Elastizitätsmodul von kleiner als 10000 N/(mm)2, besonders vorteilhaft von kleiner als 5000 N/(mm)2, auf. Ebenfalls besonders vorteilhaft enthält der Kunststoff ein Polyimid (Vespel), und/oder der Kunststoff enthält ein thermoplastischer Kunststoff, insbesondere ein Polyaryletherketon ist, vorzugsweise ein Polyetheretherketon (PEEK).
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Weiterhin kann das Element als ein Ring ausgebildet sein, der vorzugsweise einen vollflächigen Querschnitt hat. Das Element hat mit anderen Worten die Querschnittsfläche wie eine Blockdichtung. Damit ist das Element insbesondere in Richtung senkrecht zu den Dichtflächen ausschließlich aus Vollmaterial gefertigt und weist keine Hohlräume beziehungswiese durch Faltung entstehende, aufeinanderliegende Oberflächen auf.
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Vorteilhaft ist die Außendichtung verliersicher ausgebildet, indem an der Innenseite der Außendichtung eine Lasche vorgesehen ist. Beim Aufschieben der Außendichtung über das Gewinde des Gehäuses verformt sich die Lasche. In der Position in Aufschiebrichtung hinter dem Gewinde wird die Außendichtung durch die am Gehäuse anliegende Lasche dann verliersicher gehalten.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Außendichtung der Zündkerze besteht die Außendichtung nur aus dem Element. Bei einer alternativen Ausgestaltung der Außendichtung der Zündkerze weist die Außendichtung neben dem Element aus Kunststoff noch mindestens einen Stützring aus Metall oder einem anderen Material auf. Wenn das Element aus Kunststoff ringförmig ist, dann ist der Stützring beispielsweise eine Ringscheibe, die das Element aus Kunststoff einseitig oder an zwei Seiten bedenkt, so dass sich eine Schichtstruktur für die Außendichtung ergibt. Alternativ umfasst das Element einen ersten Ring und einen zweiten Ring, wobei der Stützring zwischen dem ersten Ring und dem zweiten Ring angeordnet ist. Dabei hat die Außendichtung in Summe immer noch die Geometrie einer Blockdichtung. Mit den unterschiedlichen Geometrien kann unterschiedlichen Anforderungen beispielsweise an Stabilität, Höhe und Höhenänderung Rechnung getragen werden.
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Zeichnung
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1 zeigt ein Beispiel für eine Zündkerze mit der erfindungsgemäßen Außendichtung
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2 zeigt ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Außendichtung, die selbsthemmend ausgebildet ist
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3 und 4 zeigen weitere Beispiele für erfindungsgemäße Außendichtungen.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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1 zeigt eine halb geschnittene Ansicht einer Zündkerze 1. Die Zündkerze 1 umfasst ein Gehäuse 2. In das Gehäuse 2 ist ein Isolator 3 eingesetzt. Das Gehäuse 2 und der Isolator 3 sind jeweils innen hohl. In den Isolator 3 ist eine Mittelelektrode 6 eingesetzt. Des Weiteren erstreckt sich in den Isolator 3 ein Anschlussbolzen 8. Zwischen der Mittelelektrode 6 und dem Anschlussbolzen 8 befindet sich im Isolator 3 ein Widerstandselement 9, auch Panat genannt. Das Widerstandselement 9 verbindet die Mittelelektrode 6 elektrisch leitend mit dem Anschlussbolzen 8. Das Widerstandselement 9 ist beispielsweise als Schichtsystem aus einem ersten Kontaktpanat, einem Widerstandspanat und einem zweiten Kontaktpanat aufgebaut. Die Schichten des Widerstandselements unterscheiden sich durch ihre Materialzusammensetzung und den daraus resultierenden elektrischen Widerstand. Das erste Kontaktpanat und das zweite Kontaktpanat können einen unterschiedlichen oder einen gleichen elektrischen Widerstand aufweisen.
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Am Gehäuse 2 ist auf seiner dem Brennraum zugewandten Stirnseite 20 eine Masseelektrode 7 elektrisch leitend angeordnet. Zwischen der Masseelektrode 7 und der Mittelelektrode 6 wird ein Zündfunken erzeugt. Die Zündkerze 1 erstreckt sich um eine Mittelachse X-X.
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Das Gehäuse 2 weist einen Schaft auf. An diesem Schaft sind ein Mehrkant 16, ein Schrumpfeinstich und ein Gewinde 17 ausgebildet. Das Gewinde 17 dient zum Einschrauben der Zündkerze 1 in eine Brennkraftmaschine. Zwischen dem Gewinde 17 und dem Mehrkant 16 ist eine Außendichtung 10 angeordnet. Die Außendichtung 10 ist in diesem Ausführungsbeispiel als eine Blockdichtung ausgestaltet, d.h. die Außendichtung 10 hat eine vollflächige Querschnittsfläche. In diesem Ausführungsbeispiel besteht die Außendichtung 10 nur aus einem Element 10a, das aus Kunststoff besteht. Der Kunststoff weist ein Elastizitätsmodul von kleiner als 10000 N/(mm)2, besonders vorteilhaft von kleiner als 5000 N/(mm)2, auf, und besteht beispielsweise aus Polyimid (Vespel), und/oder der Kunststoff ist ein thermoplastischer Kunststoff, insbesondere ein Polyaryletherketone (PEEK).
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Bei einer derartigen Außendichtung 10 liegt die Höhenänderung vor und nach Montage in den Motorblock bei höchstens 10 %, insbesondere bei höchstens 5 %. Die Höhenänderung gibt dabei an, um wieviel Prozent sich die Höhe der Außendichtung 10 durch den Einbau in den Motorblock mit dem für eine gasdichte Montage erforderlichen Anzugsmoment verringert.
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2 zeigt eine alternative Ausführungsform für eine Außendichtung 10, die vollständig auf dem aus Kunststoff bestehenden Element 10a besteht. Die Außendichtung weist eine nach innen ragende Lasche 21 auf. Die Lasche 21 verformt sich beim Aufschieben der Außendichtung 10 über das Gewinde 17 des Gehäuses 2 elastisch. In der Position in Aufschiebrichtung hinter dem Gewinde 17 wird die Außendichtung 10 durch die am Gehäuse 2 anliegende Lasche 21 dann verliersicher gehalten.
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3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Außendichtung 10, wobei die Außendichtung 10 ein aus Kunststoff bestehendes Element 11a, 11b aufweist, das ein erstes Ringelement 11a und ein zweites Ringelement 11b umfasst, wobei zwischen dem ersten Ringelement 11a und dem zweiten Ringelement 11b ein Stützelement 11c angeordnet ist, das beispielsweise aus Metall besteht. In einer alternativen Ausführungsform ist das aus Kunststoff bestehende Element zwischen zwei metallischen Ringen angeordnet. Diese alternative Ausführungsform entspricht geometrisch der in 3 gezeigten Ausführungsform, wobei jedoch das aus Kunststoff bestehende Element und die aus Metall bestehenden Elemente ausgetauscht sind; daher ist bei dieser alternativen Ausführungsform in 3 das aus Kunststoff bestehende Element mit dem Bezugszeichen 11c gekennzeichnet, während die beiden metallischen Ringe mit den Bezugszeichen 11a und 11b gekennzeichnet sind.
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4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der die Außendichtung 10 aus dem aus Kunststoff bestehenden Element 12a sowie aus einem metallischen Stützring 12b besteht. Dabei kann das aus Kunststoff bestehende Element 12a sowohl auf der dem Gehäuse 2 zugewandten als auch dem Gehäuse 2 abgewandten Seite vorgesehen sein.
