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Stand der Technik
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Die Erfindung geht von einer Zündkerze nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs aus.
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Bei heutigen modernen Brennkraftmaschinen wird eine immer bessere Leistung erwartet. Dies führt dazu, dass die Brennkraftmaschinen unter immer extremeren Bedingungen, wie beispielsweise höheren Druck und höhere Temperatur, betrieben werden. Dadurch steigen auch die Anforderungen an die verschiedenen Komponenten in der Brennkraftmaschine, wie beispielsweise an die Zündkerze.
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Durch die höheren Betriebstemperaturen der Brennkraftmaschine muss die Zündkerze und ihre Komponenten, wie beispielsweise die Elektroden, entsprechend bei möglichst hohen Temperaturen ihre Verschleißresistenz beibehalten. Bisher wurden zur Verbesserung der Wärmeabfuhr die Elektroden mit einem Kupfer-haltigen Kern ausgestattet. Dies hat den Nachteil, dass der Wärmetransport beim Übergang von der Masseelektrode zum Gehäuse stockt, da gerade bei diesem Übergang von einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit zu einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit gewechselt wird in einem Bereich, wo die Umgebungstemperatur noch sehr hoch ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Demgemäß ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Zündkerze der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass die Zündkerze auch bei hohen Temperaturen eine möglichst große Verschleißresistenz und somit eine hohe Langlebigkeit hat.
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Um dieses Ziel zu erreichen gibt es verschiedene Ansätze, wie beispielsweise Material oder Wärmeabfuhr, die man verfolgen kann.
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Die vorliegende Aufgabe wird bei der Zündkerze, aufweisend ein Gehäuse aus einem ersten Material, einen innerhalb des Gehäuses angeordneten Isolator, eine innerhalb des Isolators angeordnete Mittelelektrode und mindestens eine an einer Brennraum-zugewandte Stirnseite des Gehäuses angeordnete Masseelektrode, wobei die Mittelelektrode und die mindestens eine Masseelektrode so zu einander angeordnet sind, dass diese eine Zündspalt ausbilden, erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Gehäuse in seinem brennraumseitigen Endabschnitt ein Inlay aus einem zweiten Material aufweist, wobei das zweite Material eine größere Wärmeleitfähigkeit als das erste Material hat, und dass das Inlay im Gehäuse an der Kontaktstelle der Masseelektrode mit dem Gehäuse angeordnet ist.
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Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die beim Verbrennungsprozess in der Brennkraftmaschine entstehende Wärme, die die Masseelektrode aufnimmt, besser und schneller über das Inlay an das Gehäuse abgeleitet wird. Das Gehäuse selbst sitzt im Motorblock, der als Wärmesenke dient, und ist mit diesem thermische kontaktiert. Entsprechend fließt die Temperatur vom Gehäuse in den Motorblock. Je besser die thermische Anbindung zwischen der Masseelektrode und dem Gehäuse ist, umso größer ist die Verschleißresistenz der Masseelektrode, da diese über das Gehäuse gekühlt wird. Bei der erfindungsgemäßen Zündkerze findet der Übergang von einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit zu einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit im einem Bereich des Gehäuses statt, der durch die räumliche Nähe zum Motorblock und den thermischen Kontakt mit dem Motorblock eine deutlich geringere Temperatur als die Brennraum-zugewandte Stirnseite des Gehäuses hat, wodurch es kein Stau beim Wärmetransport aus der Masseelektrode in das Gehäuse gibt.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung erstreckt sich das Inlay von der Brennraum-zugewandten Stirnseite des Gehäuses in das Gehäuse hinein. Dadurch haben das Inlay und die Masseelektrode einen thermischen Kontakt zueinander.
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Zusätzlich oder alternative ist es vorteilhaft, dass das Inlay an der Brennraum-zugewandte Stirnseite des Gehäuses eine Querschnittsfläche hat, die mindestens 50 % einer Fläche der Kontaktstelle der Masseelektrode mit dem Gehäuse entspricht. Dadurch ergibt sich, dass das Inlay und die Masseelektrode eine möglichst große gemeinsame Kontaktfläche für einen optimalen thermischen Kontakt haben.
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Für einen verbesserten Wärmetransport von der Masseelektrode zum Gehäuse ist es sehr vorteilhaft, dass die Masseelektrode mindestens teilweise einen direkten thermischen Kontakt mit dem Inlay hat. Idealerweise überdeckt die Masseelektrode die Querschnittsfläche (261) des Inlays (26) an der Brennraum-zugewandten Stirnseite (25) des Gehäuses (2) vollständig, wodurch die Masseelektrode einerseits den maximalen direkten thermischen Kontakt zum Inlay hat und den maximalen Wärmetransport gesichert ist und andererseits das Inlay von der Masseelektrode vor den im Brennraum herrschenden Bedingungen und aggressiven Gasen geschützt ist.
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Durch die Verwendung des Inlays im Gehäuse wird gerade der Wärmetransport beim Übergang von der Masseelektrode ins Gehäuse verbessert. Es ist beispielsweise möglich bei der erfindungsgemäßen Zündkerze eine Masseelektrode ohne einen Cu-haltigen Kern zu verwenden. Alternative ist es auch möglich, dass bei einer beabsichtigen Verwendung bei besonders hohen Temperaturen die Masseelektrode einen Cu-haltigen Kern aufweist. Wodurch der Wärmetransport in das Gehäuse unterstützt wird. Zusätzlich ist denkbar, dass der Cu-haltige Kern der Masseelektrode und das Inlay im Gehäuse beim Anschweißen der Masseelektrode ans Gehäuse so zu einander angeordnet werden, dass der Cu-haltige Kern und das Inlay im direkten thermischen Kontakt stehen und damit den Wärmetransport von der Masseelektrode ins Gehäuse optimieren.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Zündkerze hat die Zündkerze mehrere Masseelektroden und an jeder Kontaktfläche zwischen Masseelektrode und Gehäuse weist das Gehäuse ein Inlay auf, das mit der jeweiligen Masseelektrode im, insbesondere direkten, thermischen Kontakt ist. Alle beschriebenen Weiterbildungen für eine Zündkerze mit nur einer Masseelektrode können auch auf eine Zündkerze mit mehreren Masseelektroden übertragen werden.
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Vorteilhafterweise ist das Inlay aus Kupfer oder einer Kupfer-haltigen Legierung, die eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das Material des Gehäuses hat.
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Bei einer alternativen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Zündkerze ist die Zündkerze eine Vorkammer-Zündkerze mit einer Kappe, die die Vorkammer ausbildet. Durch die Vorkammer wird bei der Entflammung des Luft-Kraftstoff-Gemisches die Flammenfront in der Vorkammer gehalten, damit diese mit einem höheren Druck und einer entsprechende auch höheren Temperatur aus den Öffnungen der Vorkammer ausströmen und das restliche Luft-Kraftstoff-Gemisch gezielt entflammen. Dadurch herrscht in der Vorkammer auch eine höhere Temperatur, wodurch wiederrum eine gute Wärmeabfuhr aus der Masseelektrode notwendig ist und durch eine erfindungsgemäße Zündkerze mit Vorkammer erfüllt wird.
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Figurenliste
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- 1 zeigt ein Beispiel für eine Zündkerze
- 2 zeigt den brennraumseitigen Endabschnitt einer erfindungsgemäßen Zündkerze
- 3 zeigt ein Foto von der Kontaktstelle der Masseelektrode und der Gehäuse-Stirnseite einer erfindungsgemäßen 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 X eine Bohrung auf. Die Längsachse des Gehäuses 2, die Längsachse 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 hier nicht dargestellten Spannungsquelle elektrisch kontaktiertbar ist. Die Anschlußmutter 9 bildet das Brennraumabgewandte 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 elektrischen Widerstand oder einen gleichen elektrischen Widerstand aufweisen.
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Der Isolator 3 liegt mit einer Schulter auf einem an der Gehäuse-Innenseite ausgebildeten Gehäuse-Sitz auf. Zur Abdichtung des Luftspalts zwischen Gehäuse-Innenseite und Isolator 3 ist zwischen der Isolator-Schulter und dem Gehäuse-Sitz eine Innendichtung 10 angeordnet, die beim Einspannen des Isolators 3 im Gehäuse 2 plastisch verformt wird und dadurch den Luftspalt abdichtet.
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Am Gehäuse 2 ist auf dessen Brennraum-zugewandten Stirnseite 25 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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In 2 ist der brennraumseitige Endabschnitt des Gehäuses 2 aus 1 detaillierter in einer halb-geschnittenen Ansicht dargestellt. Die Bauteile und ihre Nummerierung entsprechen der Darstellung aus 1. Bei 2 werden nur die Punkte, die über die Darstellung von 1 hinausgehen, beschrieben.
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Von der Brennraum-zugewandten Stirnseite 25 des Gehäuses 2 erstreckt sich ein Inlay 26 in das Gehäuse 2 hinein, wobei das Inlay 26 innerhalb der Gehäusewand angeordnet ist und typischerweise von der Gehäusewand umgeben ist. Das Inlay 26 besteht aus einem anderen Material als das Gehäuse 2. Das Gehäuse 2 besteht aus einem ersten Material wie beispielsweise Stahl. Das Inlay 26 besteht aus einem zweiten Material, dass eine bessere Wärmeleitfähigkeit als das erste Material vom Gehäuse hat. Das Inlay 26 ist beispielsweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung.
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Das Inlay 26 hat an der Brennraum-zugewandte Stirnseite 25 des Gehäuses 2 eine Querschnittsfläche 261, die mindestens 50 % einer Fläche der Kontaktstelle der Masseelektrode 5 mit dem Gehäuse 2 entspricht. Die Querschnittsfläche 261 des Inlays 26 bzw. die brennraumseitige Stirnfläche des Inlays 26 kann an der Brennraum-zugewandten Stirnseite 25 des Gehäuses 2 verschiedene Formen haben, wie beispielsweise rund, oval, rechteckig gerade oder rechteckig gebogen.
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In diesem Beispiel überdeckt die Masseelektrode die brennraumseitige Stirnfläche des Inlays 26 an der Brennraum-zugewandten Stirnseite 25 des Gehäuses 2. Dadurch steht die Masseelektrode 5 im direkten thermischen Kontakt mit dem Inlay 26, wodurch die in der Masseelektrode anfallende Wärme effektive über das Inlay 26 in das Gehäuse abgeführt wird.
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Bei mehreren Masseelektrode 5 weist die Zündkerze 1 im Gehäuse 2 auch mehrere Inlays 26 auf. Das Gehäuse 2 weist für jede Masseelektrode 5 an mindestens einer Kontaktstelle mit der jeweiligen Masseelektrode 5 ein Inlay 26 auf, damit ein verbesserter Wärmetransport von jeder Masseelektrode 5 zum Gehäuse 2 gewährleistet ist.
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3 ist eine Skizze von einem Schliffbild. Die Masseelektrode ist an die Brennraum-zugewandte Stirnseite des Gehäuses 2 angeschweißt. Das Inlay 26 ragt etwas über die Brennraum-zugewandte Stirnseite 25 des Gehäuses 2 hinaus und ist von dem Gehäuse 2 und der Schweißnaht 27 umgeben. Die Masseelektrode 5 bedeckt die brennraumseitige Stirnfläche 261 des Inlay 26. Zwischen dem Inlay 26 und der Masseelektrode 5 besteht ein direkter thermischer Kontakt. Idealerweise erstreckt sich die Schweißnaht 27 nicht zwischen das Inlay 26 und der Masseelektrode 5, so dass die Masseelektrode 5 und das Inlay 26 im direkten thermischen Kontakt stehen und der Wärmetransport von der Masseelektrode 5 in das Gehäuse 2 über das Inlay 26 nicht durch die Schweißnaht 27 behindert wird.
