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Die
Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Zündkerze, die in Kraftfahrzeugen,
Gaspumpen und Kogenerationssystemen (Kogeneration: gleichzeitige Erzeugung
zweier nutzbarer Energiearten) eingesetzt werden kann, und insbesondere
auf eine Zündkerze,
die so gestaltet ist, dass sie einen hohen Wärmewiderstand und eine hohe
Haltbarkeit zeigt, ohne die Entzündbarkeit
gasförmigen
Kraftstoffs aufzugeben.
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Zündkerzen
weisen typischerweise eine über
einen elektrischen Isolator in einem Metallmantel eingebaute Mittelelektrode
und eine mit dem Metallmantel verbundene Masseelektrode auf. Die
Masseelektrode ist der Spitze der Mittelelektrode über einen
(auch als Funkenspalt bezeichneten) Luftspalt hinweg zugewandt,
in dem eine Funkenabfolge erzeugt wird (siehe z. B.
EP 0 243 529 A1 und
WO 99/45 615 A1 ).
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Um
die Lebensdauer zu verlängern
und die Leistung der Zündkerze
zu verbessern, wurden in den letzten Jahren Zündkerzen verwendet, bei denen an
dem zum Funkenspalt hin frei liegenden Ende der Masseelektrode eine
Edelmetallspitze angeschweißt ist
(siehe z. B.
US 4 700
103 A ). Die Edelmetallspitze besteht beispielsweise aus
Pt (Platin) oder Ir (Iridium), die eine hervorragende Verschleißbeständigkeit haben.
Diese Art Zündkerze
ist jedoch mit dem Nachteil verbunden, dass sich nahe dem Funkenspalt
ein Schmelzabschnitt befindet, der der Verschweißung zwischen der Edelmetallspitze
und der Masseelektrode entspricht, so dass dieser innerhalb der
Verbrennungskammer eines Motors einer starken Hitze ausgesetzt wird,
was zu einem hohen Verschleiß des Schmelzabschnitts
führt.
Im schlimmsten Fall kommt es zu einer Ablösung der Edelmetallspitze von
der Masseelektrode und einer Vergrößerung des Funkenspalts.
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Angesichts
dieser Nachteile beim Stand der Technik liegt der Erfindung demnach
die Aufgabe zugrunde, eine Zündkerze
zur Verfügung
zu stellen, die so gestaltet ist, dass sie einen höheren Wärmewiderstand
und eine höhere
Haltbarkeit zeigt, ohne die Entzündbarkeit
eines gasförmigen
Kraftstoffs aufzugeben.
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Die
Aufgabe wird durch eine Zündkerze
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Die
Edelmetallspitze der Masseelektrode besteht vorzugsweise aus einem
zylinderförmigen
Element mit einem Durchmesser von 0,4 mm bis 0,8 mm.
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Die
Edelmetallspitze der Masseelektrode hat eine bis zum Schmelzabschnitt
reichende Länge
von vorzugsweise 0,3 mm bis 1,0 mm.
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Der
Masseelektrodenkörper
weist vorzugsweise einen ersten und zweiten Abschnitt auf, wobei der
erste Abschnitt mit dem angesprochenen Metallmantel verbunden ist
und der zweite Abschnitt von dem ersten Abschnitt auf die Längsmittellinie
der Mittelelektrode zuläuft.
Die Längsmittellinie
des zweiten Abschnitts verläuft
parallel zur Längsmittellinie
der Edelmetallspitze der Masseelektrode.
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Die
Edelmetallspitze der Masseelektrode besteht vorzugsweise entweder
aus einer Ir-Legierung oder einer Pt-Legierung.
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Die
Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen
beschrieben, die jedoch nicht als Einschränkung der Erfindung verstanden
werden sollten, sondern lediglich der Erläuterung dienen. Es zeigen:
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1 in
Teilschnittansicht eine Zündkerze mit
erfindungsgemäßer Lagebeziehung
zwischen der Masseelektrode und der Mittelelektrode;
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2 teilweise
vergrößert einen
Spitzenabschnitt der Zündkerze
von 1;
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3 eine
Darstellung des erfindungsgemäßen Lagebereichs
der Masseelektrode;
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4 eine
Darstellung der Lagebeziehung zwischen der Spitze einer Masseelektrode
und der Spitze einer Mittelelektrode bei in Versuchen verwendeten
Zündkerzenprobekörpern;
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5(a) bis 5(d) Zündkerzenprobekörper, die
in Versuchen verwendet wurden, mit denen die Lagebeziehung zwischen
einer Masseelektrode und einer Mittelelektrode herausgefunden werden sollte,
die eine gewünschte
Entzündbarkeit
sicherstellt, ohne das Wachstum eines Flammenkerns zu beeinträchtigen;
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6 eine
grafische Darstellung des Zusammenhangs zwischen einem Minimalabstand
zwischen den Kanten einer Masse- und Mittelelektrode und einer Entzündbarkeitsgrenze
für das
Luft-Kraftstoff-Verhältnis
bei jedem Zündkerzenprobekörper;
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7 die
Zusammenhänge
zwischen einem Minimalabstand zwischen den Kanten einer Masse- und
Mittelelektrode und einer Entzündbarkeitsgrenze für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis bei
Zündkerzenprobekörpern mit
verschiedenen Durchmesserwerten De der Edelmetall-Masseelektrodenspitze;
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8 eine
grafische Darstellung der Zusammenhänge zwischen einem Minimalabstand
zwischen den Kanten einer Masse- und Mittelelektrode und dem Prozentanteil
an einem Schmelzabschnitt der Masseelektrode auftretender Funken
bei Zündkerzenprobekörpern mit
verschiedenen Funkenspaltwerten;
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9(a) bis 9(d) Abwandlungen
der erfindungsgemäßen Zündkerze;
und
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10 eine
Vergleichszündkerze,
deren Aufbau mit dem der erfindungsgemäßen Zündkerze verglichen werden soll.
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In
den Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen in verschiedenen
Ansichten gleiche Teile bezeichnen, zeigt 1 eine Zündkerze 100,
die in Kraftfahrzeugverbrennungsmotoren oder bei Kogenerationssystemen
in Gasmotoren von Generatoren verwendet werden kann. 2 ist
eine vergrößerte Ansicht,
die den (auch als Luftspalt bezeichneten) Funkenspalt G der Zündkerze 100 zeigt.
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Die
Zündkerze 100 weist
ein zylinderförmiges
Metallgehäuse
bzw. einen Metallmantel 10, einen Porzellanisolator 20,
eine Mittelelektrode 30 und eine Masseelektrode 40 auf.
In den Metallmantel 10 ist ein Gewinde 11 geschnitten,
um die Zündkerze 100 in
einen (nicht gezeigten) Motorblock einzubauen. Der Porzellanisolator 20 besteht
aus einer Aluminiumoxidkeramik (Al2O3) und wird innerhalb des Metallmantels 10 gehalten.
Der Porzellanisolator 20 hat eine Spitze 21, die
an einem Ende des Metallmantels 10 nach außen hin
frei liegt.
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Die
Mittelelektrode 30 ist in einer Zentralkammer 22 des
Porzellanisolators 20 befestigt und elektrisch von dem
Metallmantel 10 isoliert. Die Mittelelektrode 30 hat
eine Spitze 33, die von der Spitze 21 des Porzellanisolators 20 aus
vorsteht. Die Mittelelektrode 30 besteht aus einem zylinderförmigen Körper 31 und
einer (nachstehend als Edelmetall-Mittelelektrodenspitze bezeichneten)
Edelmetallspitze 32. Der zylinderförmige Körper 31 setzt sich aus
einem Kernabschnitt, der aus einem metallischen Material mit höherer Wärmeleitfähigkeit
wie etwa Cu besteht, und einem äußeren Abschnitt
zusammen, der aus einem metallischen Material mit höherem Wärme- und
Korrosionswiderstand wie etwa einer Legierung auf Ni-Basis besteht.
Die Edelmetall-Mittelelektrodenspitze 32 ist scheibenförmig und mit
einem Ende des Körpers 31 verschweißt, so dass sie
die Spitze 33 definiert.
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Die
Masseelektrode 40 ist aus einem zylinderförmigen Körper 41,
der aus einer Legierung auf Ni-Basis oder einer Legierung auf Fe-Basis
besteht, und einer (nachstehend als Edelmetall-Masseelektrodenspitze
bezeichneten) zylinderförmigen
Edelmetallspitze 42 gefertigt, die mit einem Ende des zylinderförmigen Körpers 41 verbunden
ist. Wie in 2 deutlich zu erkennen ist,
sind die Edelmetall-Mittelelektrodenspitze 32 und die Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 mit
dem zylinderförmigen
Körper 31 bzw. 41 laserverschweißt, so dass
sie (nachstehend als Schmelzabschnitte bezeichnete) Verschweißungen 34 und 44 aufweisen.
Der Schmelzabschnitt 34 ist aus Materialien des zylinderförmigen Körpers 31 und
der Edelmetall-Mittelelektrodenspitze 32 gebildet, die
durch Laserbestrahlung miteinander verschmolzen sind. Entsprechend
ist der Schmelzabschnitt 44 aus durch Laserbestrahlung miteinander
verschmolzenen Materialien des zylinderförmigen Körpers 41 und der Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 gebildet.
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Der
zylinderförmige
Körper 41 der
Masseelektrode 40 ist durch Verschweißung an einer Endfläche 12 des
Metallmantels 10 befestigt und verläuft neben der Mittelelektrode 30.
Wie in 2 deutlich zu erkennen ist, ist der zylinderförmige Körper 41 aus einer
L-förmigen
Stange gefertigt und besteht aus drei Abschnitten: einem Fuß 41a,
einer zentralen Biegung 41b und einer Spitze 41c.
Der Fuß 41a ist
mit der Endfläche 12 des
Metallmantels 10 verschweißt und verläuft parallel zu der in 3 gezeigten
Längsmittellinie
J3 der Mittelelektrode 30 (d. h. längs zur Zündkerze 100). Die
Spitze 41c ist über
den Schmelzabschnitt 44 mit der Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 verbunden
und verläuft,
wie in 2 dargestellt, von der zentralen Biegung 41b aus
senkrecht zur Längsmittellinie
J3 der Mittelelektrode 30 in Horizontalrichtung.
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Die
Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 verläuft senkrecht
zur Längsmittellinie
J3 der Mittelelektrode 30, so dass sie eine Ecke oder Kante 43 aufweist,
die einer Ecke oder Kante 33 der Mittelelektrode 30 zugewandt
ist. Und zwar hat die Spitze 41c, die einem Abschnitt des
von der Biegung 41b zu dem Schmelzabschnitt 44 verlaufenden
zylinderförmigen Körpers 41 entspricht,
eine Längsmittellinie
J2, die senkrecht zur Längsmittellinie
J3 der Mittelelektrode 30 verläuft. Die Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 weist
eine Längsmittellinie
J1 auf, die parallel zur Längsmittellinie
J2 der Spitze 41c des zylinderförmigen Körpers 40 verläuft (wobei
die Linie J1 bei diesem Ausführungsbeispiel
mit der Linie J2 zusammenfällt).
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Der
Funkenspalt G wird von den einander gegenüber liegenden Eckabschnitten
der Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 und der Edelmetall-Mittelelektrodenspitze 32 gebildet.
In der folgenden Diskussion werden die in 3 durch
Kreise gekennzeichneten gegenüber
liegenden Eckabschnitte der Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 und
der Edelmetall-Mittelelektrodenspitze 32,
die den kürzesten
Abstand zueinander haben, aus Gründen
der Einfachheit als die Kanten 43 und 33 bezeichnet.
Abgesehen davon wird der am nächsten
zur Kante 33 der Edelmetall-Mittelelektrodenspitze 32 gelegene
Abschnitt der Eckspitze des Schmelzabschnitts 44 der Masseelektrode 40 als
Kante 45 des Schmelzabschnitts 44 bezeichnet.
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Die
Edelmetall-Mittelelektrodenspitze 32 und die Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 können aus
einer Ir-Legierung
oder einer Pt-Legierung bestehen. Die Ir-Legierung enthält vorzugsweise 50 Gew.-% oder
mehr Iridium (Ir). So kann zum Beispiel ein Material verwendet werden,
das als Hauptkomponente mehr als 50 Gew.-% Ir und zusätzlich mindestens
einen der Stoffe Rh (Rhodium), Pt (Platin), Ru (Ruthenium), Pd (Palladium)
und W (Wolfram) enthält
(z. B. eine Ir-10Rh-Legierung mit 90 Gew.-% Ir und 10 Gew.-% Rh).
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Die
gestrichelte Linie K1 in 3 stellt eine (im Folgenden
als erste imaginäre
Linie bezeichnete) imaginäre
Linie dar, die von der Kante 33 der Edelmetall-Mittelelektrodenspitze 32 aus
in Radialrichtung der Mittelelektrode 30 (d. h. der Zündkerze 100) verläuft. Die
gestrichelte Linie K2 stellt eine (im Folgenden als zweite imaginäre Linie
bezeichnete) imaginäre
Linie dar, die von der Kante 33 der Edelmetall-Mittelelektrodenspitze 32 aus
in Längsrichtung der
Mittelelektrode 30 verläuft.
A gibt den Abstand zwischen den Kanten 33 und 43 der Mittelelektrode 30 und
der Masseelektrode 40 in Radialrichtung der Mittelelektrode 30 (d.
h. der Zündkerze 100)
an. B bezeichnet die Länge
der Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42. G gibt den Abstand
zwischen den Kanten 33 und 43 der Mittelelektrode 30 und
der Masseelektrode 40 (d. h. den Funkenspalt) an. Dc gibt
den Durchmesser der Edelmetall-Mittelelektrodenspitze 32 und
De den Durchmesser der Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 an.
L gibt den Minimalabstand zwischen der Kante 33 der Edelmetall-Mittelelektrodenspitze 32 und
der Kante 45 des Schmelzabschnitts 44 an. α bezeichnet
den Winkel, den die (im Folgenden als dritte imaginäre Linie
bezeichnete) gestrichelte Linie K3, die durch die Kanten 33 und 43 der
Mittel- und Masseelektrode 30 und 40 geht, mit der
ersten imaginären
Linie K1 bildet.
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Ein
Hauptmerkmal dieses Ausführungsbeispiels
ist, dass sich die Kante 43 der Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 innerhalb
eines (im Folgenden als Masseelektroden-Lagebereich bezeichneten) Bereichs befindet,
der innerhalb der imaginären
Linien K1 und K2 definiert ist, so dass sie sich, wie in 3 gezeigt
ist, in Vertikal- und Horizontalrichtung nicht mit der Edelmetall-Mittelelektrodenspitze 32 überlappt.
Mit anderen Worten sind die Kanten 33 und 43 der
Mittel- und Masseelektroden 30 und 40 so angeordnet,
dass sie eine Lagebeziehung eingehen, in der der Abstand A zwischen
den Kanten 33 und 43 größer gleich null (0) und der
Winkel α zwischen
den imaginären
Linien K1 und K3 zwischen 0° und
90° beträgt.
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Die
obige Lagebeziehung zwischen den Kanten 33 und 43 geht
auf die Tatsache zurück,
dass, wenn sich in 3 die Kante 33 der
Edelmetall-Mittelelektrodenspitze 32 mit der Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 in
Vertikal- und Horizontalrichtung überlappen würde, das Wachstum eines in dem
Funkenspalt G erzeugten Flammenkerns von der Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 in
Schach gehalten würde,
wodurch sich die Gemischentzündbarkeit
innerhalb der Motorverbrennungskammer verringern würde. Zu
dieser Tatsache gelangten die Erfinder anhand von Untersuchungen,
die im Folgenden diskutiert werden.
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Die
Erfinder führten
die folgenden Entzündbarkeitsversuche
durch, um mit Blick auf die durch die erste und zweite imaginäre Linie
K1 und K2 gegebenen Grenzen die Lagebeziehung zwischen der Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 und
der Mittelelektrode 30 zu finden, die zur Sicherstellung
einer gewünschten
Entzündbarkeit
erforderlich ist, ohne das Wachstums des Flammenkerns aufzugeben.
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Es
wurden zunächst
Zündkerzenprobekörper vorbereitet,
in denen die Kante 43 der Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 in
Bezug auf die Kante 33 der Edelmetall-Mittelelektrodenspitze 32 eine
Lagebeziehung aufwies, die der dicken durchgezogenen Linie auf dem
Kreis in 4 entsprach. Der Radius des
Kreises entspricht dem Funkenspalt G, und seine Mitte befindet sich
auf der Kante 33 der Edelmetall-Mittelelektrodenspitze 32.
Die dicke durchgezogene Linie ergibt sich durch den Abstand A zwischen
den Kanten 33 und 43 in Radialrichtung der Mittelelektrode 30 und ändert sich
als Funktion des Winkels α.
Wenn die durch die Kanten 33 und 43 gehende Linie
mit der zweiten imaginären
Linie K2 zusammenfällt,
ist der Abstand A null (0). Wenn sich die Kante 43 der
Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 über der
Edelmetall-Mittelelektrodenspitze 32 außerhalb
der zweiten imaginären
Linie K2 befindet, hat der Abstand A einen negativen Wert. Wenn
sich die Kante 43 der Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 innerhalb
der zweiten imaginären
Linie K2, d. h. in 3 auf der rechten Seite der
imaginären
Linie K2, befindet, hat der Abstand A einen positiven Wert.
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Die
Zündkerzenprobenkörper weisen
als Funktion des Winkels α verschiedene
Werte für
den Abstand A auf. Wenn sich die Kante 43 der Edelmetallmasseelektrode 42 in
dem innerhalb der ersten und zweiten imaginären Linie K1 und K2 definierten Masseelektroden-Lagebereich
befindet, nimmt der Abstand A die Werte an, die einem konstanten
Funkenspalt G entsprechen. Wenn sich die Kante 43 außerhalb
des Masseelektroden-Lagebereichs befindet, liegen die Werte des
Abstands A auf der Tangente des Kreises in 4.
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Die 5(a) bis 5(d) veranschaulichen einige
Beispiele der in den Entzündbarkeitsversuchen
verwendeten Zündkerzenprobekörper. Der Zündkerzenprobekörper in 5(a) weist eine (im Folgenden als Masse-/Mittelelektroden-Beziehung bezeichnete)
Lagebeziehung der Kante 43 zur Kante 33 auf, bei
der der Abstand A gemäß 4 einen
negativen Wert einnimmt. Und zwar befindet sich die Kante 43 der
Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 außerhalb des Masseelektroden-Lagebereichs.
Der Zündkerzenprobekörper in 5(b) weist eine Masse-/Mittelelektroden-Lagebeziehung
auf, bei der der Abstand A null (0) ist (α = 90°). Der Zündkerzenprobekörper in 5(c) weist eine Masse-/Mittelelektroden-Lagebeziehung auf,
bei der der Abstand A einen positiven Wert hat, der kleiner als
die Länge
des Funkenspalts G ist. Der Zündkerzenprobekörper in 5(d) weist eine Masse-/Mittelelektroden-Lagebeziehung
auf, bei der der Abstand A einen positiven Wert hat, der der Länge des
Funkenspalts G entspricht (α =
0). Die Zündkerzenprobekörper in
den 5(b), 5(c) und 5(d) weisen Masse-/Mittelelektroden-Lagebeziehungen auf,
die innerhalb des Masseelektroden-Lagebereichs des Ausführungsbeispiels
liegen.
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Die
Erfinder führten
also Entzündbarkeitsversuche
durch, indem sie Zündkerzenprobekörper mit
verschiedenen Masse-/Mittelelektroden-Lagebeziehungen der Kante 43 zur
Kante 33 verwendeten.
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Die
Entzündbarkeitsversuche
wurden durchgeführt,
indem jeder Zündkerzenprobekörper in
einen 4-Zylinder-Verbrennungsmotor
mit 1,6 Liter Hubraum eingebaut wurde, der bei 650 U/min betrieben wurde,
und indem das Luft-Kraftstoff-Verhältnis eines Gemischs
ausgehend vom Leerlaufmotorbetrieb nach und nach erhöht wurde,
um so Fehlzündungen zu
erfassen. Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis, bei dem innerhalb von
zwei Minuten zwei oder mehr Fehlzündungen auftraten, wurde als
Entzündbarkeitsgrenze für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis festgelegt.
Die Versuchsergebnisse sind in 6 gezeigt.
Bei den Zündkerzenprobekörpern betrug
der Funkenspalt G 1,0 mm, der Durchmesser Dc der Edelmetall-Mittelelektrodenspitze 32 0,7
mm und der Durchmesser De der Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 0,4
mm.
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Die
Zündkerzenprobekörper mit
höheren Entzündbarkeitsgrenzen
für das
Luft-Kraftstoff-Verhältnis
wiesen ein hervorragendes Zündungsverhalten
auf und konnten bei einer mageren Mischung zünden. Der Zündkerzenprobekörper, der
in 6 mit einem weißen Kreis gekennzeichnet ist,
hat die in 5(a) dargestellte Masse-/Mittelelektroden-Lagebeziehung mit
einem Abstand A von –1,0
mm, was außerhalb
des Masseelektroden-Lagebereichs dieses Ausführungsbeispiels liegt. Der
Zündkerzenprobekörper mit
einem Abstand A von 1,0 mm hat die in 5(d) dargestellte
Masse-/Mittelelektroden-Lagebeziehung. Die grafische Darstellung
in 6 zeigt, dass die Zündkerzenprobekörper, die
für den
Abstand A positive Werte aufweisen, eine bessere Entzündbarkeit
als diejenigen Zündkerzenprobekörper zeigen,
die für
den Abstand A negative Werte aufweisen.
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Außerdem wurde
festgestellt, dass der Zündkerzenprobekörper, bei
dem sich die Kante 43 der Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 über der Mittelelektrode 30 außerhalb
der ersten imaginären Linie
K1 befindet (α > 90°), den Funkenspalt zwischen
einer Seitenfläche
der Edelmetall-Mittelelektrodenspitze 32 und der Kante 43 der
Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 bildet, was zu Funken
an dem Schmelzabschnitt 34 der Mittelelektrode 30 führt, und dass
es wichtig ist, dass die Kante 43 der Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 zur
Mittelelektrode 30 hin nicht jenseits der imaginären Linie
K1 angeordnet wird.
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Genauer
gesagt können
die in den 5(b) bis 5(d) gezeigten
Zündkerzenprobekörper, bei denen
die Kante 43 der Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 in
dem innerhalb der imaginären
Linien K1 und K2 definierten Masseelektroden-Lagebereich liegt, so dass sie sich
in Längs-
und Radialrichtung der Mittelelektrode 30 nicht mit der
Edelmetall-Mittelelektrodenspitze 32 überlappen (d. h. Abstand A ≥ 0 und 0 ≤ α ≤ 90°), eine Funkenabfolge
erzeugen, ohne das Wachstum des Flammenkerns zu behindern, was verglichen
mit dem in 5(a) gezeigten Vergleichszündkerzenkörper zu
einer verbesserten Entzündbarkeit
führt.
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Der
Durchmesser De der Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 beträgt vorzugsweise
zwischen 0,4 mm und 0,8 mm und ihre Länge B vorzugsweise zwischen
0,3 mm und 1,0 mm. Diese Abmessungsbereiche ergaben sich aus den
folgenden Untersuchungen der Erfinder.
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Im
Allgemeinen ist die Wahrscheinlichkeit, dass der Flammenkern auf
die Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 trifft, umso geringer,
je dünner
die Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 ist.
Die Erfinder bereiteten daher Zündkerzenprobekörper mit
verschiedenen Werten für
den Durchmesser De der Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 vor
und führten
damit die gleichen Versuche wie oben beschrieben durch. Die Versuchsergebnisse
sind in 7 gezeigt.
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Wie
in 7 angegeben ist, betrugen die Durchmesser De der
in den Versuchen verwendeten Zündkerzenprobekörper 0,4
mm, 0,6 mm, 0,8 mm und 1,0 mm. Die grafische Darstellung in 7 gibt den
Zusammenhang zwischen dem Abstand A und der Entzündbarkeitsgrenze für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der
Zündkerzenprobekörper an.
Die grafische Darstellung zeigt, dass die Entzündbarkeit des Gemisches umso
größer ist,
je kleiner der Durchmesser De der Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 ist,
wobei sich allerdings im Falle eines Durchmessers De von 1 mm die
Entzündbarkeit
stark verringert.
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Die
von den Erfindern vorgenommenen Untersuchungen zeigten, dass die
Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 zwar einen hervorragenden
Wärmewiderstand
und eine hervorragende Verschleißbeständigkeit besaß, ein Durchmesser
De von weniger als 0,4 mm jedoch dazu führte, dass sich die Funken an
der Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 sammelten, was
zu einem erhöhten
Verschleiß führte. Es stellte
sich daher heraus, dass der Durchmesser De der Edelmetall-Masseelektrodenspitze
vorzugsweise zwischen 0,4 mm und 0,8 mm betragen sollte, um eine
stabile Entzündbarkeit
sicherzustellen.
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Der
Durchmesser De der Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 ist
bei diesem Ausführungsbeispiel
kleiner als der Durchmesser Dc der Edelmetall-Mittelelektrodenspitze 32,
um das Wachstum des Flammenkerns sicherzustellen.
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Des
Weiteren liegt der zylinderförmige
Körper 41 der
Masseelektrode 40 umso näher an dem Funkenspalt G, je
kürzer
die Länge
B der Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 ist. Der zylinderförmige Körper 41 kann
daher ein Faktor sein, der das Flammenkernwachstum behindert und
zu einer geringen Entzündbarkeit
beiträgt.
Es liegt daher auf der Hand, dass die Entzündbarkeit um so größer ist,
je größer die
Länge B
der Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 ist.
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Die
Untersuchungen der Erfinder zeigten, dass die Entzündbarkeit
maximiert wird, wenn die Länge
B der Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 0,3
mm beträgt.
Wenn die Länge
B beispielsweise zwischen 0 und 0,3 mm liegt, erhöht sich
die Entzündbarkeitsgrenze
für das
Luft-Kraftstoff-Verhältnisses
um zwei (2), während
sich die Entzündbarkeitsgrenze
für das
Luft-Kraftstoff-Verhältnis
bei einer Länge
von B von 0,3 mm oder mehr um lediglich ungefähr 0,3 erhöht.
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Darüber hinaus
wurde festgestellt, dass, wenn die Länge B der Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 mehr
als 1,0 mm beträgt,
es zu einer starken Temperaturerhöhung am Ende der Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 kommt,
so dass sie schmilzt. Die Länge
B beträgt
daher im Hinblick auf die Entzündbarkeit
vorzugsweise zwischen 0,3 mm und 1,0 mm.
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Der
zwischen der Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 und dem
zylinderförmigen
Körper 41 gebildete
Schmelzabschnitt 44 befindet sich wie gesagt außerhalb
der durch den Funkenspalt G gehenden Verlängerungslinie. Dadurch wird
das Ablösen der
Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 infolge von Funkenverschleiß vermieden,
was zu einem verbesserten Wärmewiderstand
und zu einer verbesserten Haltbarkeit der Masseelektrode 40 führt. Dies
ergibt eine erhöhte
Lebensdauer der Zündkerze 100.
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Wenn
sich die Kante 45 des Schmelzabschnitts 44 der
Masseelektrode 40, wie in dem Vergleichsbeispiel von 10 gezeigt
ist, unterhalb der ersten imaginären
Linie K1 befindet, so dass sie sich mit der Mittelelektrode 30 in
ihrer Radialrichtung überlappt,
ist der Abstand L1 zwischen der Kante 45 der Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 und
der Seitenfläche
der Edelmetall-Mittelelektrodenspitze 32 kürzer als
der Minimalabstand L zwischen der Kante 45 und der Kante 33 der
Edelmetall-Mittelelektrodenspitze 32, was die Wahrscheinlichkeit
erhöht, dass
zwischen dem Schmelzabschnitt 44 und der Seitenfläche der
Edelmetall-Mittelelektrodenspitze 32 Funken
auftreten, was zu einem verstärkten
Verschleiß des
Schmelzabschnitts 44 führt.
Bei der Zündkerze 100 dieses
Ausführungsbeispiels
befindet sich die Kante 45 des Schmelzabschnitts 44 der
Masseelektrode 40, wie in 3 klar zu
erkennen ist, im Masseelektroden-Lagebereich,
der von der ersten und zweiten imaginären Linie K1 und K2 definiert wird,
so dass sie sich in Radial- und
Längsrichtung der
Mittelelektrode 30 nicht mit der Edelmetall-Mittelelektrodenspitze 32 der
Mittelelektrode 30 überlappt. Dadurch
wird vermieden, dass zwischen dem Schmelzabschnitt 44 und
der Seitenfläche
der Edelmetall-Mittelelektrodenspitze 32 möglicherweise Funken
auftreten, sodass sich der Wärmewiderstand und
die Haltbarkeit der Masseelektrode 40 erhöhen. Dies
erhöht
auch die Lebensdauer der Zündkerze 100.
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Der
Minimalabstand L zwischen der Kante 45 des Schmelzabschnitts 44 der
Masseelektrode 40 und der Kante 33 der Mittelelektrode 30 ist
um mindestens 0,2 mm größer als
der Funkenspalt G. Dies ergibt sich aus den folgenden Untersuchungen
der Erfinder.
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Die
Erfinder führten
Versuche mit Zündkerzenprobekörpern durch,
die verschiedene Werte für den
Abstand L und den Funkenspalt G aufwiesen. Die Versuchsergebnisse
sind in der grafischen Darstellung von 8 gezeigt.
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Die
Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 und die Edelmetall-Mittelelektrodenspitze 32 der Zündkerzenprobekörper bestanden
aus einer Ir-10Rh-Legierung. Es wurde der Prozentanteil (%) der
zwischen dem Schmelzabschnitt 44 der Masseelektrode 40 und
der Mittelelektrode 30 erzeugten Funken gemessen. Die Messungen
erfolgten, indem jeder Zündkerzenprobekörper in
eine Kammer eingebaut wurde, der Druck in der Kammer auf 0,6 MPa
erhöht
wurde und elektrische Entladungen bzw. Funken erzeugt wurden. Die
grafische Darstellung in 8 stellt den Zusammenhang zwischen
dem Minimalabstand L und dem Prozentanteil der an dem Schmelzabschnitt 44 der
Masseelektrode 40 auftretenden Funken bei Zündkerzenprobekörpern dar,
deren Funkenspalt G 0,3 mm, 0,5 mm und 0,8 mm betrug. Dabei bedeutet
ein Funkenprozentanteil von beispielsweise 20%, dass 20% der Funken
an dem Schmelzabschnitt 44 und 80% der Funken innerhalb des
Funkenspalts G auftraten.
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Die
grafische Darstellung in 8 zeigt, dass bei einem Funkenspalt
G von 0,3 mm sämtliche Funken
innerhalb des Funkenspalts G erzeugt werden, wenn der Abstand L
größer oder
gleich 0,5 mm ist, und dass bei einem Funkenspalt G von 0,5 mm sämtliche
Funken innerhalb des Spaltabstands G erzeugt werden, wenn der Abstand
L größer oder gleich
0,7 mm ist, und dass bei einem Funkenspalt G von 0,8 mm sämtliche
Funken innerhalb des Funkenspalts G erzeugt werden, wenn der Abstand
L größer oder
gleich 1,0 mm ist.
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Es
ist daher ratsam, dass der Minimalabstand L zwischen der Kante 45 des
Schmelzabschnitts 44 der Masseelektrode 40 und
der Kante 33 der Edelmetall-Mittelelektrodenspitze 32 der
Mittelelektrode 30 um 0,2 mm größer als der Funkenspalt G ist,
um unerwünschte
Funken zwischen dem Schmelzabschnitt 44 und der Kante 33 der
Mittelelektrode 30 zu verhindern.
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Die 9(a) bis 9(d) zeigen
Abwandlungen der Zündkerze 100.
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Bei
der in 2 gezeigten Zündkerze
verlaufen die Längsmittellinie
J1 der Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 und die Längsmittellinie
J2 der Spitze 41c des zylinderförmigen Körpers 41 im Wesentlichen
senkrecht zur Längsmittellinie
der Zündkerze 100 (d.
h. der Mittelelektrode 30), doch können sie auch, wie in 9(a) gezeigt ist, diagonal nach oben verlaufen.
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Die
Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 kann auch, wie in den 9(b), 9(c) und 9(d) gezeigt ist, aus einem viereckigen Stab bestehen.
Die 9(b) bis 9(d) zeigen
die Masseelektrode 40 in Perspektivansicht, um die Erkennbarkeit
zu erleichtern.
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Die
Verbindung der Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 der
Masseelektrode 40 der Zündkerzen
in den 9(b) bis 9(d) mit
dem Körper 41 kann
durch Laserverschweißen
der Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 mit einer in der
Spitze 41c des Körpers 41 ausgebildeten
Vertiefung oder direkt mit der Oberfläche der Spitze 41c erreicht
werden.
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Auch
wenn die Längsmittellinien
der Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 und
des zylinderförmigen
Körpers 41 bei
den in den 9(c) und 9(d) gezeigten
Zündkerzen
zueinander parallel verlaufen und nicht zusammenfallen, lassen sich
die gleichen Wirkungen wie oben angesprochen erzielen.
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Abgesehen
vom Laserverschweißen
kann die Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 mit
dem Körper 41 auch
durch Plasma- oder Argonbogenschweißen verbunden werden. Das Gleiche
trifft für die
Verbindung der Edelmetall-Mittelelektrodenspitze 32 mit
dem Körper 31 der
Mittelelektrode 30 zu.
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Die
Erfindung wurde zwar anhand von bestimmten Ausführungsbeispielen beschrieben,
um das Verständnis
zu erleichtern, doch sei darauf hingewiesen, dass im Rahmen des
Schutzumfangs der Patentansprüche
weitere Ausführungsbeispiele
und Abwandlungen denkbar sind.