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Stand der Technik
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Die Erfindung geht von einer Zündkerze gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aus. Eine solche Zündkerze ist beispielsweise aus der
DE 103 44 186 A1 bekannt.
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Seit jeher muss eine gut funktionierende Zündkerze und ihre Komponenten eine Reihe von Anforderungen wie beispielsweise Langlebigkeit, zuverlässige Zündeigenschaften, Durchschlagsfestigkeit und Gasdichtheit erfüllen. Dabei wurden und werden die Bedingungen wie z.B. Temperatur und Druck im Brennraum, unter denen die Zündkerze zuverlässig und möglichst lange funktionieren muss, immer extremer. Die im Brennraum bei Betrieb des Motors herrschenden Temperatur- und Druck-Bedingungen stellen besonders die Gasdichtheit der montierten Zündkerze auf die Probe.
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Heutige Zündkerzen weisen eine Reihe von Dichtelementen und Dichtmaterialien auf, um die benötigte Gasdichtheit zu erzielen und zu gewährleisten. Eine Lösung zur Abdichtung des Zwischenraums zwischen dem Isolator und dem Gehäuse ist in 2 dargestellt. Das Gehäuse hat auf seiner Innenseite eine Verjüngung des Innendurchmessers in Richtung brennraumseitigem Gehäuseende. Diese Verjüngung wird auch als Gehäuse-Sitz bezeichnet. Die Fläche des Gehäuse-Sitzes ist in Bezug auf die Gehäuse-Längsachse bzw. der Zündkerzen-Längsachse, die typischerweise mit der Gehäuse-Längsachse zusammen fällt, um einen Winkel α geneigt. α liegt typischerweise in dem Bereich von 55°-65°. Der Isolator weist ebenfalls eine Verjüngung seines Außendurchmessers in Richtung seines brennraumseitigen Endes bzw. seines Isolatorfußes auf. Diese Verjüngung wird als Isolatorsitz oder auch als Fußkehle bezeichnet. Die Oberfläche des Isolatorsitzes ist in Bezug auf die Isolator-Längsachse bzw. der Zündkerzen-Längsachse, die typischerweise mit der Isolator-Längsachse zusammen fällt, geneigt. Häufig haben der Gehäuse-Sitz und der Isolatorsitz eine unterschiedliche Neigung in Bezug auf die Zündkerzen-Längsachse. Der Isolatorsitz liegt auf dem Gehäuse-Sitz auf, wobei zwischen den beiden Sitzflächen eine Innendichtung, häufig in Form einer Dichtscheibe oder eines Dichtrings, angeordnet ist. Durch das Verpressen des Gehäuses und des Isolators miteinander verformt sich die Innendichtung und bildet mit dem Gehäuse-Sitz und dem Isolatorsitz jeweils eine axiale Dichtfläche aus. Die axiale Dichtfläche hat typischerweise eine Größe von ca. 10mm2 bei einer M12 Zündkerze. Dieses Dichtkonzept hat sich für Temperaturen bis ca. 220°C und Drücken bis ca. 22 bar im Brennraum gut bewährt.
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Allerdings steigen die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit der Motoren und somit auch an die Zündkerze. Besonders im Bereich der Downsizing Motoren werden mit immer höheren Drücken und Temperaturen gearbeitet, wodurch auf die Zündkerze neue Belastungen einwirken. Temperaturen bis zu 300°C und Drücke bis zu 30 bar sind zu nehmend die Regel und nicht mehr die Ausnahme beim Betrieb einer Brennkraftmaschine.
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Für die Außendichtung hat man über das Anzugsmoment, mit dem die Zündkerze im Zylinderkopf eingeschraubt wird, einen gewissen Spielraum den Übergang zwischen Zündkerze und Zylinderkopf gasdicht zu bekommen. So wird beispielsweise eine M12 Zündkerze heute mit einem Anzugsmoment von bis zu 60 Nm angezogen, während früher ein Anzugsmoment von 40 Nm reichte.
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Vorteil der Erfindung/ Offenbarung der Erfindung
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Es hat sich jedoch herausgestellt, dass das bisherige Dichtkonzept für die Innendichtheit, Zwischenraum zwischen Gehäuse und Isolator, mit den steigenden Anforderungen und Kräften, die auf die Zündkerze einwirken, zunehmend an seine Grenzen kommt. Insbesondere sorgt das höhere Anzugsmoment dafür, dass das Gehäuse sich während der Montage im Bereich des Gewindes verlängert. Im Bereich des Gewindes befindet sich auf der Innenseite des Gehäuses der Gehäuse-Sitz. Durch die Längung des Gehäuses reduziert sich die Vorspannkraft, mit der das Gehäuse und der Isolator miteinander verpresst sind, wodurch die Innendichtung nicht mehr stark genug zwischen Gehäuse und Isolator eingepresst ist, wodurch sich die Flächenpressung zwischen Innendichtung und Isolator bzw. Gehäuse und damit auch die Dichtfläche sich verringert und die Dichtfläche den großen im Brennraum herrschenden Drücken nicht mehr ausreichend Widerstand leisten kann, damit die Zündkerze ausreichend gasdicht ist.
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Demgemäß ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Zündkerze, der eingangs genannten Art, dahingehend zu verbessern, dass auch bei steigenden Temperaturen und Drücken im Brennraum die Zündkerze und insbesondere der Zwischenraum zwischen Isolator und Gehäuse zu verlässig gasdicht sind. Dafür ist ein neues Innendichtungskonzept bzw. Innendichtsystem notwendig.
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Diese Aufgabe wird bei der Zündkerze der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Isolatorsitz mindestens eine Stufe aufweist, die einen ersten Abschnitt und mindestens einen zweiten Abschnitt hat, wobei der erste Abschnitt und die zweiten Abschnitte einen Winkel γ von größer 0° zu einander haben und der erste Abschnitt parallel zu der Isolator-Längsachse ist, wobei die Innendichtung an diesem ersten Abschnitt anliegt, so dass sich am Isolator eine radiale Dichtfläche ausbildet.
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Die erfindungsgemäße Zündkerze weist ein Gehäuse, ein innerhalb des Gehäuses angeordneten Isolator, eine innerhalb des Isolators angeordnete Mittelelektrode, eine an einer Brennraum-zugewandten Stirnseite des Gehäuses angeordnete Masseelektrode auf, wobei die Masseelektrode und die Mittelelektrode so angeordnet sind, dass die beiden Elektroden einen Zündspalt ausbilden.
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Der Isolator hat eine Längsachse X entlang seiner Längsstreckung. Diese Längsachse kann auch eine Spiegelachse und oder Rotationsachse für den Isolator sein, wenn man beispielsweise den Isolator in einem Schnitt entlang der Längsachse betrachtet. Die Isolator-Längsachse X fällt typerweise bei der montierten Zündkerze mit der Zündkerzen-Längsachse und einer Gehäuse-Längsachse zusammen. Der Isolator kann entlang seiner Längsachse in drei Bereiche unterteilt werden: Isolatorfuß, Isolatorkörper und Isolatorkopf. Der Bereich, der das brennraumseitige Ende des Isolators bildet, wird als Isolatorfuß bezeichnet. Der Isolatorkopf bildet das Brennraum-abgewandte Ende des Isolators. Zwischen Isolatorkopf und Isolatorfuß ist der Isolatorkörper angeordnet. Die drei Bereiche haben häufig unterschiedliche Außendurchmesser, wobei der Außendurchmesser innerhalb eines Bereiches auch variieren kann. Die Übergänge zwischen den Bereichen sind als Schultern bzw. Kehlen ausgebildet. Der Übergang zwischen Isolatorkörper und Isolatorfuß wird auch als Fußkehle oder Isolatorsitz bezeichnet.
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Des Weiteren weist das Gehäuse auf seiner Innenseite einen Gehäuse-Sitz auf, auf dem der Isolator mit seinem Isolatorsitz aufliegt, wobei zwischen dem Gehäuse-Sitz und dem Isolatorsitz eine Innendichtung angeordnet ist, so dass die Innendichtung, der Gehäuse-Sitz und der Isolatorsitz ein Dichtsystem bilden.
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Erfindungsgemäße ist vorgesehen, dass der Isolatorsitz mindestens eine Stufe aufweist, die einen ersten Abschnitt und mindestens einen zweiten Abschnitt hat, wobei der erste Abschnitt und die zweiten Abschnitte einen Winkel γ von größer 0° zu einander haben und der erste Abschnitt parallel zu der Isolator-Längsachse X ist, wobei die Innendichtung an diesem ersten Abschnitt anliegt, so dass sich am Isolator eine radiale Dichtfläche ausbildet. Genauer gesagt bildet sich die radiale Dichtfläche zwischen dem ersten Abschnitt der Stufe im Isolatorsitz und der Innendichtung aus.
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Durch die Ausbildung einer radialen Dichtfläche ergibt sich der Vorteil, dass die Zündkerze, trotz der Reduzierung der Vorspannkraft zwischen Gehäuse und Isolator, aufgrund der Gehäuse-Längung bei Einschrauben der Zündkerze in einen Zylinderkopf, eine gute Gasdichtheit behält. Die Vorspannkraft ist eine Kraft, die eine große axiale Kraftkomponente und eine geringere radiale Kraftkomponente aufweist. Somit ergibt sich, dass die radiale Dichtfläche, die primär durch radial wirkende Kräfte zwischen Innendichtung und Isolator verursacht wird, kaum durch die Gehäuse-Längung und der damit verbundenen Reduzierung, insbesondere der axialen Komponente, der Vorspannkraft, beeinflusst wird. Ein weiterer Vorteil zeigt sich beim Betrieb der Zündkerze. Durch die höheren Temperaturen während des Betriebs der Zündkerze dehnt sich das Material der Innendichtung wie auch die anderen Komponenten der Zündkerze aus. Untersuchungen der Anmeldering haben gezeigt, dass die Innendichtung in axialer Richtung eine größere Wärmeausdehnung als in radialer Richtung hat, das heißt mit steigender Temperatur während des Betriebs der Zündkerze bzw. des Motors verändert sich das in axialer Richtung wirkende Kräfteverhältnis wodurch die Dichtheit an den axialen Dichtfläche sich reduziert. Dagegen ist das in radialer Richtung wirkende Kräfteverhältnis durch die Wärmeausdehnung der Innendichtung relativ unbeeinflusst und somit auch die Dichtheit an den radialen Dichtflächen.
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Im Sinne dieser Anmeldung sind mit axialer Kraft bzw. Kraftkomponente die Kräfte gemeint, die parallel zur Längsachse der Zündkerze wirken. Entsprechend sind mit radiale Kraft bzw. Kraftkomponente die Kräfte gemeint, die senkrecht zur Längsachse der Zündkerze wirken. Dabei können die wirkenden Kräfte jeweils in eine axiale und eine radiale Kraftkomponente aufgeteilt werden.
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Im Rahmen dieser Anmeldung wird das Wort „parallel“ nicht im engen geometrischen Wortsinn benutzt. Als „parallel“, insbesondere in Verbindung mit der Ausrichtung von Flächen, werden auch kleine Abweichungen von einer strengen geometrischen Parallelität als parallele Ausrichtung betrachtet, die beispielsweise durch herstellungsbedingte Unsicherheiten zustande kommen. Beispielsweise wird eine Fläche oder ein Abschnitt als parallel oder im Wesentlichen parallel zur Isolator-Längsachse betrachtet, wenn diese/dieser maximal einen Winkel von 10° zur Isolator-Längsachse aufweist.
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In dieser Anmeldung wird als radiale Dichtfläche jede Dichtfläche betrachtet, die an einer Fläche oder Abschnitt anliegt, die/der im Wesentlichen parallel zur Isolator-Längsachse, der Gehäuse-Längsachse oder der Zündkerzen-Längsachse. Entsprechend sind alle anderen Dichtflächen, die an einer Fläche oder einem Abschnitt anliegen, die/der senkrecht oder in einem Winkel zu der Isolator-Längsachse, der Gehäuse-Längsachse oder der Zündkerzen-Längsachse ausgerichtet sind, axiale Dichtflächen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Zündkerze ist es vorgesehen, dass die Stufe am Isolatorsitz neben der radialen Dichtfläche noch mindestens eine axiale Dichtfläche aufweist, insbesondere die an dem mindestens einen zweiten Abschnitt der Stufe ausgebildet ist. Dadurch wird die Gesamtdichtfläche vergrößert, wodurch eine bessere Gesamtdichtheit des Innendichtsystems sich ergibt. Zusätzlich ergibt sich noch der Effekt, dass die axiale Dichtfläche, die primär durch die axialen auf Isolator, Innendichtung und Gehäuse wirkende Kräfte beeinflusst wird, und die radiale Dichtfläche, die primär durch die radial auf Isolator, Innendichtung und Gehäuse wirkende Kräfte beeinflusst wird, von verschiedenen Komponenten der Vorspannkraft beeinflusst werden, wodurch eine Dichtfläche ihre Funktionalität bewahren kann, wenn bei der anderen Dichtfläche die Funktionalität beispielsweise aufgrund eines Nachlassens der entsprechenden Kraftkomponente sich reduziert.
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Insgesamt hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, dass die Stufe einen ersten Abschnitt und zwei zweite Abschnitte hat, wobei der erste Abschnitt zwischen den beiden zweiten Abschnitten angeordnet ist. Zusammen mit der Innendichtung ergibt sich eine radiale Dichtfläche, die zwischen zwei axialen Dichtflächen angeordnet ist. Dadurch wird sich der Vorteil, dass die Innendichtung an der kompletten Oberfläche des ersten Abschnitts der Stufe am Isolatorsitz anliegt und somit die größtmögliche radiale Dichtfläche an diesem ersten Abschnitt bildet. Des Weiteren wird durch die Kombination von axialen und radialen Dichtflächen die Gesamtdichtfläche vergrößert und durch die gewinkelte Anordnung des ersten und der zweiten Abschnitte der Stufe am Isolatorsitz der Weg, den das Gas für ein Leck zurücklegen muss, verlängert, wodurch insgesamt die Gasdichtheit beim Innendichtungssystem sich verbessert.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Isolatorsitz mehrere Stufen aufweist, die jeweils einen ersten Abschnitt haben, die zusammen mit der Innendichtung mehrere radiale Dichtflächen ausbilden. Dadurch kommen die oben beschriebenen technischen Effekte und Vorteile besonders gut zur Wirkung. Insbesondere auch dann, wenn wie bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform die mehreren radialen Dichtfläche durch jeweils axiale Dichtfläche verbunden sind.
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Bei Ausführungsformen mit mehreren radialen Dichtflächen am Isolatorsitz gibt es eine radiale Hauptdichtfläche mit mindestens einer radialen Nebendichtfläche. Zusätzlich oder alternative gibt es bei mehreren axiale Dichtflächen entsprechend eine axiale Hauptdichtfläche mit mindestens einer axiale Nebendichtfläche am Isolatorsitz. Dabei unterscheiden sich Hauptdichtfläche und Nebendichtfläche durch die Größe ihrer Dichtfläche. Typischerweise gibt es eine radiale bzw. eine axiale Hauptdichtfläche und mehrere Nebendichtflächen, wobei die Hauptdichtfläche die größte Dichtfläche zwischen Isolator und Innendichtung hat. Gemessen entlang der Längsachse des Isolators hat eine radiale Hauptdichtfläche die größte Länge im Vergleich zu den anderen radialen Dichtflächen. Entsprechendes gilt für die axialen Dichtflächen, wobei hier die Länge senkrecht bzw. im Winkel zur der Isolator-Längsachse gemessen werden.
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Vorteilhafterweise ist eine radiale Hauptdichtfläche von radialen Nebendichtflächen entlang der Isolator-Längsachse eingerahmt, wobei die radialen Dichtflächen über axialen Dichtflächen verbunden sind. An die radiale Hauptdichtfläche kann eine axiale Hauptdichtfläche direkt angeordnet sein.
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Eine radiale Nebendichtfläche kann beispielsweise auch am Isolatorfuß und/oder am Isolatorkörper ausgebildet sein, d.h. die Innendichtung ragt nach dem Verformen über den Isolatorsitz hinaus. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die gesamte Fläche des Isolatorsitzes als Dichtfläche ausgenutzt wird, wobei sich die Dichtfläche aus Abschnitten von radialen und axialen Dichtflächen zusammensetzt. Durch die gestufte Anordnung der Dichtfläche ist der Leckageweg für das Gas besonders groß, wodurch die Zündkerze auch bei hohe Gasdrücke ihre Gasdichtheit behält.
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Die genaue Form der Innendichtung nach der Montage der Zündkerze und der elastischplastischen Verformung der Innendichtung und damit verbunden die konkrete Ausbildung, wie beispielsweise Anzahl und Anordnung, von axialen und radialen Dichtflächen (Anzahl, Anordnung) hängt von verschiedenen Faktoren, wie beispielsweise Spaltmaße zwischen Isolator und Gehäuse oberhalb und unterhalb des Isolatorsitzes, Anzahl der Stufen im Isolatorsitz, Vorspannkraft, mit der der Isolator im Gehäuse eingepresst ist oder Fläche der Dichtkontur. Dadurch ergibt sich auch die Möglichkeit das Innendichtungssystem durch eine einsprechende Ausgestaltung dieser Faktoren an besonderen Belastungen und Anforderung anzupassen, um somit die Zündkerze für den jeweiligen Einsatz zu optimieren.
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Untersuchungen der Anmelderin haben gezeigt, dass es vorteilhaft ist, wenn die zweiten Abschnitte einer Stufe am Isolatorsitz zur Isolator-Längsachse (X) einen Winkel γ von mindestens 90° haben. Weitere Untersuchungen haben gezeigt, dass bis zu einem Winkel γ von 175° die oben beschriebenen technischen Effekte sich reproduzierbar ergeben. Aus den Untersuchungen ergab sich auch die Erkenntnis, dass bei mehreren zweiten Abschnitten einer Stufe oder bei mehreren Stufen die zweiten Abschnitte alle den gleichen Winkel γ oder unterschiedliche Winkel γ zur Isolator-Längsachse X haben können. Wenn alle zweiten Abschnitte um den gleichen Winkel γ zur Isolator-Längsachse geneigt ist, vereinfacht dies die Herstellung und reduziert damit auch die Herstellungskosten. Zweite Abschnitte mit unterschiedlichen Winkel γ zur Isolator-Längsachse eröffnen die Möglichkeit bei der genauen Ausgestaltung der Zündkerze auf gegebenenfalls Besonderheiten am Gehäuse-Sitz oder ähnliches zu reagieren und die Stufen am Isolatorsitz entsprechen für den Sonderfall anzupassen, um eine optimale Gasdichtheit der Zündkerze zu erlangen.
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Weiterführende Untersuchungen haben zusätzlich ergeben, dass der Gehäuse-Sitz in Bezug auf die Isolator-Längsachse X einen Winkel β aufspannen kann, der einen Wert aus einem wesentlich größeren Wertebereich annehmen kann als bei den Innendichtkonzepten gemäß des Stands der Technik, bei dem typischerweise α= 55°- 65° ist. Der Winkel β ist der Winkel innerhalb der Gehäusewand. Für den Winkel α aus dem Stand der Technik ergibt sich entsprechend ein Winkel βSdT von 115° bis 125°. Bei der erfindungsgemäßen Zündkerze funktioniert das erfindungsgemäße Innendichtsystem bereits, wenn β einen Wert von mindestens 80° hat, und funktioniert auch noch für Werte von β bis maximal 170°. Vorzugsweise liegt der Wert für β bei mindestens 90° und maximal 160° hat. Mit anderen Worten hat der Wertebereich, aus dem β beim erfindungsgemäßen Innendichtsystem gewählt werden kann, eine Breite von mindestens 70° startend bei einem Winkel β = 90°, vorzugsweise mindestens 90° startend bei einem Winkel β = 80°, während bei einem Dichtsitz gemäß dem Stand der Technik der Wertebereich für βSdT typischerweise nur eine Breite von 10° hat.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung hat die Innendichtung vor der Montage im Schnitt eine Höhe h, gemessen parallel zur Isolator-Längsachse X, und eine Breite d, gemessen senkrecht zur Isolator-Längsachse X. Es hat sich dabei als vorteilhaft herausgestellt, dass das Verhältnis von Breite d zu Höhe h der Innendichtung mindestens 0,5, insbesondere von mindestens 0,75 ist. Die Innendichtung ist vorzugsweise ein Festkörper, wie beispielsweise ein Dichtungsring oder eine Dichtscheibe, d.h. die Innendichtung ist keine in Form gepresste Pulverpackung.
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Vorteilhafterweise ist die Breite der Innendichtung größer als die Tiefe des Gehäuse-Sitzes. Die Tiefe ag des Gehäuse-Sitzes ergibt als halbe Differenz zwischen dem Innendurchmesser cg des Gehäuses oberhalb des Gehäuse-Sitzes, bzw. in Richtung der Brennraum-abgewandten Seite des Gehäuses, und dem Innendurchmesser bg des Gehäuses unterhalb des Gehäuse-Sitzes, sprich in Richtung des brennraumseitigen Endes des Gehäuses. Die Tiefe ai des Isolatorsitzes ist analog als halbe Differenz zwischen dem Außendurchmesser ci des Isolators oberhalb des Isolatorsitzes, sprich am Isolatorkörper, und dem Außendurchmesser bi des Isolators unterhalb des Isolatorsitzes, sprich am Isolatorfuß, definiert. Beispielsweise ist die Tiefe des Isolatorsitzes ai kleiner oder gleich der Tiefe des Gehäusesitzes ag .
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Zusätzlich ist es vorteilhaft, wenn die radiale Dichtfläche am Isolatorsitz eine Höhe, gemessen parallel zur Isolator-Längsachse X, von mindestens 30%, insbesondere mindestens 36%, der Höhe h der Innendichtung hat.
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Alternative bei mehreren radialen Dichtflächen am Isolatorsitz hat die radiale Hauptdichtfläche am Isolatorsitz eine Höhe, gemessen parallel zur Isolator-Längsachse X, von mindestens 30%, insbesondere mindestens 36%, der Höhe h der Innendichtung hat. Zusätzlich ist es denkbar, dass die radialen Nebendichtflächen am Isolatorsitz eine Höhe, gemessen parallel zur Isolator-Längsachse X, von mindestens 1%, insbesondere mindestens 5%, der Höhe h der Innendichtung haben.
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Für die axiale Dichtfläche hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn diese am Isolatorsitz eine Breite, gemessen senkrecht zur Isolator-Längsachse X, von mindestens 15%, insbesondere mindestens 20%, der Breite d der Innendichtung hat. Im Falle von mehreren axialen Dichtflächen kann die axiale Hauptdichtfläche am Isolatorsitz eine Breite, gemessen senkrecht zur Isolator-Längsachse X, von mindestens 15%, insbesondere mindestens 20%, der Breite d der Innendichtung haben. Zusätzlich oder alternativ können die axialen Nebendichtflächen am Isolatorsitz eine Breite, gemessen senkrecht zur Isolator-Längsachse X, von mindestens 1%, insbesondere mindestens 5%, der Breite d der Innendichtung haben. Grundsätzlich ist es möglich, dass die Innendichtung und das Gehäuse am Gehäuse-Sitz eine axiale Dichtfläche und an der Innenseite des Gehäuses eine radiale Dichtfläche ausbilden. Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass die radiale Dichtfläche am Gehäuse eine Höhe, gemessen parallel zur Isolator-Längsachse X, von mindestens 30%, insbesondere mindestens 36%, der Höhe h der Innendichtung hat.
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Die am Isolatorfuß direkt angrenzende axiale (Neben-)Dichtfläche am Isolatorsitz hat bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung mindestens eine Breite, die der, insbesondere engsten, Spaltbreite zwischen dem Isolatorfuß und der dem Isolatorfuß gegenüberliegenden Gehäuseinnenseite direkt am Isolatorsitz entspricht. Zusätzlich ist es vorteilhaft, wenn die Breite der an den Isolatorfuß angrenzende axiale (Neben-)Dichtfläche auch mindestens der Spaltbreite zwischen Isolatorkörper und der gegenüberliegenden Gehäuse-Innenseite entspricht, wenn dieser Spalt eine größere Breite als der Spalt zwischen Isolatorfuß und Gehäuse-Innenseite hat.
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Figurenliste
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- 1 zeigt ein Beispiel für eine Zündkerze
- 2 zeigt im Detail die Anordnung des Gehäuse-Sitzes, des Isolatorsitzes und der Innendichtung von einer Zündkerze gemäß dem Stand der Technik
- 3 zeigt im Detail den Isolatorsitz mit Stufe, die Innendichtung und den Gehäuse-Sitz der erfindungsgemäßen Zündkerze vor der Montage
- 4 zeigt im Detail den Isolatorsitz mit Stufe, die Innendichtung und den Gehäuse-Sitz der erfindungsgemäßen Zündkerze nach der Montage
- 5 zeigt den Isolatorsitz mit Stufe für eine erfindungsgemäße Zündkerze
- 6 zeigt ein Beispiel für ein Gehäuse-Sitz für eine erfindungsgemäße Zündkerze
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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1 zeigt in einer halb geschnittenen Ansicht eine 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 weisen jeweils entlang ihrer Längsachse eine Bohrung auf. Die Längsachse des Gehäuses 2, die Längsachse X des Isolators 3 und die Längsachse der Zündkerze 1 fallen zusammen. In den Isolator 3 ist eine Mittelelektrode 4 eingesetzt. Des Weiteren erstreckt sich in den Isolator 3 ein Anschlussbolzen 8. Am Anschlussbolzen 8 ist eine Anschlußmutter 9 angeordnet, über die die Zündkerze 1 mit einer Spannungsquelle elektrisch kontaktiertbar ist. Die Anschlußmutter 9 bildet das Brennraum-abgewandte Ende der Zündkerze 1.
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Zwischen der Mittelelektrode 4 und dem Anschlussbolzen 8 befindet sich im Isolator 3 ein Widerstandselement 7, auch Panat genannt. Das Widerstandselement 7 verbindet die Mittelelektrode 4 elektrisch leitend mit dem Anschlussbolzen 8. Das Widerstandselement 7 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 dem 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 dessen Brennraum-zugewandten Stirnseite eine Masseelektrode 5 elektrisch leitend angeordnet. Zwischen der Masseelektrode 5 und der Mittelelektrode 4 wird ein Zündfunken erzeugt.
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Das Gehäuse 2 weist einen Schaft auf. An diesem Schaft sind ein Mehrkant 21, ein Schrumpfeinstich und ein Gewinde 22 ausgebildet. Das Gewinde 22 dient zum Einschrauben der Zündkerze 1 in eine Brennkraftmaschine. Zwischen dem Gewinde 22 und dem Mehrkant 21 ist ein äußeres Dichtelement 6 angeordnet. Das äußere Dichtelement 6 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Faltdichtung ausgestaltet.
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Der Isolator 3 wird typischerweise in drei Bereich unterteilt: Isolatorfuß 31, Isolatorkörper 31 und Isolatorkopf 33. Die drei Bereiche unterscheiden sich beispielsweise durch unterschiedliche Durchmesser. Der Isolatorfuß 31 ist das Brennraum-zugewandte Ende des Isolators 3. Innerhalb des Isolatorfußes 31 ist die Mittelelektrode 4 angeordnet. Der Isolatorfuß 31 ist in der Regel vollständig oder zu mindestens mit über den Großteil seiner Länge, gemessen parallel zur Zündkerzen Längsachse oder Isolator-Längsachse X, innerhalb des Gehäuses 2 angeordnet. In der Regel hat der Isolatorfuß 31 den kleinsten Außendurchmesser am Isolator 3.
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Angrenzend an den Isolatorfuß 31 ist der Isolatorkörper 32 angeordnet, der in der Regel vollständig vom Gehäuse 2 umfasst ist. Der Isolatorkörper 32 hat einen größeren Außendurchmesser als der Isolatorfuß 31. Der Übergang zwischen Isolatorfuß 31 und Isolatorkörper 32 ist als Schulter oder Kehle ausgebildet. Dieser Übergang wird auch als Fußkehle oder Isolatorsitz 35 bezeichnet.
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Der Isolatorkopf 33 grenzt am Brennraum-abgewandten Ende des Isolatorkörpers 32 an diesem an und bildet das Brennraum-abgewandte Ende des Isolators 3. Der Isolatorkopf 33 ragt aus dem Gehäuse 2 heraus. Der Außendurchmesser des Isolatorkopfs 33 liegt zwischen den Außendurchmessern von Isolatorfuß 31 und Isolatorkörper 32, wobei die Bereiche typischerweise über ihre Länge keinen konstanten Außendurchmesser haben, sondern der Außendurchmesser variieren kann.
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Das Gehäuse 2 weist an seiner Innenseite einen Sitz 25 auf. Der Isolator liegt mit seiner Schulter bzw. Isolatorsitz 35 auf dem Gehäuse-Sitz 25 auf. Zwischen dem Isolatorsitz 35 und dem Gehäuse-Sitz 25 ist eine Innendichtung 10 angeordnet. Der Bereich 30 des Gehäuse-Sitzes 25 und des Isolatorsitzes 35 ist in der 1 durch einen Kreis markiert und wird in den nachfolgenden 2 bis 6 näher beschrieben.
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2 zeigt im Detail den Bereich 30 mit dem Gehäuse-Sitz 25, Isolatorsitz 35 und Innendichtung 10 gemäß des Stands der Technik. Der Gehäuse-Sitz 25 hat eine Neigung von α=55°-65° zur Zündkerzen-Längsachse. Die Fläche des Isolatorsitzes 35 gibt sich durch den Übergang vom Isolatorfuß 31 zum Isolatorkörper 32, bei dem sich kontinuierlich der Außendurchmesser vergrößert. Bei dieser Anordnung ergibt sich eine axiale Dichtfläche zwischen Gehäuse-Sitz 25, Isolatorsitz 35 und Innendichtung von ca. 10 mm2, wobei die Vorspannkraft mit dem das Gehäuse 2 und der Isolator 3 miteinander verpresst sind bei 1,5 kN bis zu 10 kN liegt.
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3 zeigt im Detail den Bereich 30 mit dem Gehäusesitz 25, dem Isolatorsitz 35 und der Innendichtung 10 vor der Montage des Isolator 3 in das Gehäuse 2 gemäß der Erfindung. Die Innendichtung 10 liegt auf dem Gehäuse-Sitz 25 auf. Vor der Montage des Isolators 3 hat die Innendichtung eine Höhe h, gemessen parallel zur Längsachse der Zündkerzen bzw. Isolator-Längsachse X, und eine Breite d, gemessen senkrecht zur Längsachse der Zündkerzen bzw. Isolator-Längsachse X.
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Der Isolatorsitz 35, der den Übergang zwischen dem Isolatorfuß 31 und dem Isolatorkörper 32 bildet, weist in diesem Beispiel eine Stufe auf. Die Stufe lässt sich in drei Abschnitte unterteilen. Ein erster Abschnitt 3510 hat eine Oberfläche, die parallel zur Isolator-Längsachse X ist, somit ist auch dieser erste Abschnitt 3510 parallel zur Isolator-Längsachse X. Die beiden anderen Abschnitte 3520, auch zweiter Abschnitt genannt, sind zum ersten Abschnitt 3510 um einen Winkel γ geneigt. Dabei hat hier beispielsweise jeder zweite Abschnitt 3520 zum ersten Abschnitt 3510 bzw. zur Isolator Längsachse X einen anderen Winkel γ. Alternativ können verschiedene zweite Abschnitte 3520 den gleichen Winkel γ zu einem ersten Abschnitt 3510 bzw. zu Isolator Längsachse X haben.
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4 zeigt im Detail den Bereich 30 mit dem Gehäuse-Sitz 25, dem Isolatorsitz 35 und der Innendichtung 10 nach der Montage des Isolators 3 in das Gehäuse 2 gemäß der Erfindung. Durch die Montage des Isolators 3 in das Gehäuse 2 wirkt auf die Innendichtung 10 eine Kraft, wodurch die Innendichtung 10 verformt wird und sich radiale Dichtflächen 251, 351a, 351b, 351c und axiale Dichtflächen 252, 352a, 352b, 352c am Isolator 3 und am Isolatorsitz 35 sowie Gehäuse 2 und Gehäuse-Sitz 25 ausbilden. Radiale Dichtflächen 351a, 351b bilden sich immer zwischen der Innendichtung 10 und zur Isolator-Längsachse X parallelen Oberflächen des Isolators 3 oder des Gehäuses 2. Als parallel im Sinne dieser Anmeldung werden auch Oberflächen betrachtet, die aufgrund von Herstellungsprozessen eine leichte Neigung, d.h. einen Winkel kleiner 10°, zur Längsachse der Zündkerzen oder der Isolator-Längsachse X aufweisen.
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Am Gehäuse 2 bildet sich eine radiale Dichtfläche 251 und am Gehäusesitz 25 eine axiale Dichtflächen 252 aus.
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Der Isolator Sitz 35 weist in diesem Ausführungsbeispiel zwei Stufen auf und somit zwei erste Abschnitte 3510a, 3510b und mehrere zweite Abschnitte 3520a, 3520b, 3520c auf. An den ersten Abschnitten 3510a, 3510b bilden sich radiale Dichtflächen 351a, 351b aus. Dabei bildet sich an dem ersten Abschnitt 3510a eine radiale Hauptdichtfläche 351a und an dem anderen ersten Abschnitt 3510b eine radiale Nebendichtfläche 351b aus. Typischerweise bildet sich eine Hauptdichtflächen und mehrere Nebendichtflächen aus, wobei die Hauptdichtfläche von benachbarten Nebendichtflächen eingeschlossen ist. Die Hauptdichtflächen ist typischerweise die größte Fläche. Neben den radialen Dichtflächen bilden sich am Isolatorsitz auch axiale Dichtflächen 352a, 352b an den zweiten Abschnitten 3520a, 3520b aus. Bei den axialen Dichtflächen 352a, 352b kann man auch wieder zwischen Haupt und Nebendichtflächen unterscheiden.
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Aufgrund der Stufenform des Isolatorsitzes wechseln sich radiale und axiale Dichtflächen ab.
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Es ist nicht ausgeschlossen, dass sich auch am Isolatorfuß 31 oder Isolatorkörper 32 radiale Dichtflächen ausbilden, wie beispielsweise die radiale Dichtfläche 351c am Isolatorfuß 31.
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Es ist nicht notwendig, dass sich an allen Abschnitten einer Stufe am Isolatorsitz 35 eine Dichtfläche ausbildet. Wie in diesem Beispiel gezeigt ist es unproblematisch, wenn an einem Abschnitt 3520c, der am Rand des Isolatorsitzes 35 angeordnet ist, sich keine Dichtfläche ausbildet.
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Die axiale Nebendichtfläche 352b, die an den Isolatorfuß 31 grenzt, sollte breiter sein als die Spaltbreite e zwischen Isolatorfuß 31 und Gehäuse 2, also unterhalb des Isolatorsitzes 35, und/oder breiter sein als die Spaltbreite f zwischen Isolatorkörper 32 und Gehäuse 2, also oberhalb des Isolatorsitzes 35.
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5 zeigt noch mal im Detail den Isolatorsitz 35 mit zwei Stufen. Zu sehen ist die Isolator-Längsachse X die beiden Stufen am Isolatorsitz 35 haben zwischen ihrem ersten und zweiten Abschnitt 3510, 3520a, 3520b jeweils unterschiedliche Winkel γ. Der Winkel γ hat einen Wert von 90° bis 175°. Die Tiefe ai des Isolatorsitzes 35 ergibt sich aus der halben Differenz des Durchmessers bi beim Isolatorfuß 31 und dem Durchmesser ci am Isolatorkörper 32.
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In 6 ist im Detail der Gehäusesitz 25 gezeigt. Die Tiefe ag des Gehäusesitzes 25 ergibt sich aus der halben Differenz des Innendurchmessers des Gehäuses auf Höhe des Isolatorfußes und des Gehäuse-Innendurchmessers oberhalb des Gehäusesitzes cg . Die Durchmesser werden senkrecht zur Gehäuselängsachse gemessen. Der Gehäusesitz 25 ist in einem Winkel β zur Gehäuselängsachse geneigt. β hat einen Wert von 90° bis 160°. Prinzipiell kann β auch Werte kleiner 90° haben, allerdings ist der Herstellungsprozess dann schwieriger und die Herstellungskosten höher.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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