-
GEBIET
-
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Zündkerzen und insbesondere Zündkerzen mit einem verbesserten inneren Dichtungsring zur Erhöhung der elektrischen Durchschlagsfestigkeit, wobei die Zündkerze insbesondere für Verbrennungsmotoren ausgebildet ist.
-
HINTERGRUND
-
Zündkerzen werden dazu verwendet, um eine Verbrennung in Verbrennungsmotoren einzuleiten. Zündkerzen zünden typischerweise ein Gas, wie etwa ein Luft/Brennstoffgemisch, in einer Verbrennungskammer oder einem Brennraum, indem ein Funke über einer Funkenstrecke erzeugt wird, die durch zwei oder mehrere Zündkerzenelektroden definiert ist. Das Zünden des Gases mittels des Funkens erzeugt eine Verbrennungsreaktion, die wiederum während eines Leistungshubes des Verbrennungsprozesses einen Kolben innerhalb eines Motorzylinders antreibt.
-
Bei heutigen Zündkerzen werden an unterschiedlichen Stellen der Zündkerze Dichtungen verwendet, damit die im Zylinderkopf oder Motor bzw. im Zündkerzenschacht eingebaute Zündkerze gasdicht gegenüber den in der Verbrennungskammer befindlichen Gasen ist. Neben einer äußeren Dichtung zur Abdichtung des Zündkerzengehäuses gegenüber dem Zylinderkopf oder Motor gibt es mindestens eine Innendichtung, auch innere Dichtscheibe oder innerer Dichtring genannt, die den Übergang zwischen der Metallhülle, in der das Gewinde aufgenommen ist, und dem Isolator abdichtet, der die Mittelelektrode umschließt.
-
Aufgrund der spezifischen Anforderungen, wie z.B. Temperaturbeständigkeit, Wärmleitfähigkeit und plastische Verformbarkeit, an eine Innendichtung werden bisher Metall-Dichtungen verwendet, die insbesondere aus Aluminiumlegierungen, Kupferlegierungen oder Stahllegierungen bestehen.
-
Es hat sich jedoch herausgestellt, dass es bei metallischen Innendichtungen manchmal zu unerwünschten Spannungsüberschlägen zwischen der Metallhülle und der im Isolator angeordneten Mittelelektrode im Bereich der Innendichtung kommt. Solche unerwünschten Spannungsüberschläge führen in der Verbrennungskammer zu Fehlzündungen, da die elektrische Energie im Inneren der Zündkerze abgeleitet wird. Die Zündkerze ist geschädigt. Dies hat zur Folge, dass kein Zündfunke in der Funkenstrecke (zwischen Mittel- und Masseelektrode) entsteht. Die Energie zur Zündung des Karftstoffluftgemisches wird nicht an der Funkenstrecke zur Verfügung gestellt.
-
Solche unerwünschten Überschläge entstehen bei Zündkerzen gemäß dem Stand der Technik, da die metallische Innendichtung auf dem gleichen elektrischen Potenzial wie die Metallhülle liegt und somit den effektiven Abstand zwischen der Metallhülle und der Mittelelektrode verkleinert, die auf unterschiedlichem elektrischem Potenzialniveau liegen. Auch können die metallischen Innendichtungen fertigungsbedingt Kanten aufweisen, an denen es zu lokalen Erhöhungen des elektrischen Feldes kommen kann. Die Felderhöhung kann sich bis in den Isolator erstrecken und erhöht dessen elektrische Anforderungen, wodurch die elektrische Festigkeit der Zündkerze reduziert wird.
-
Zwar kann die Durchschlagsfestigkeit des Isolators durch die Materialwahl, d.h. die Auswahl der betreffenden Keramik, beeinflusst werden, jedoch bestehen hierbei materialbedingt Grenzen. Typische Durchschlagsfestigkeiten von bei Zündkerzen verwendeten Isolatoren, die in der Regel aus Aluminiumoxid bestehen, liegen in der Größenordnung von 19 kV/mm.
-
Um die Durchschlagsfestigkeit einer Zündkerze zu erhöhen, wäre es somit wünschenswert, den Dichtungsring der Innendichtung aus einem Material mit hoher dielektrischer Festigkeit herzustellen.
-
Aus der
WO 2015/090723 A1 ist eine Zündkerze mit einem Dichtungsring für die Innendichtung bekannt, der vollständig aus nicht-leitendem Material besteht. Hierbei werden zwei Innendichtungen verwendet, eine erste Innendichtung im Bereich des brennraumseitigen Endes des Übergangs zwischen Metallhülle und Isolator, insbesondere im Bereich der Fußkehle des Isolators, sowie eine zweite Dichtung im Bereich des Brennraums abgewandten Endes der Metallhülle.
-
Die betreffenden Dichtungsringe bestehen aus einem Polymer oder einer Oxidkeramik, wie z.B. Strontiumtitanat.
-
Während Oxidkeramiken den Nachteil aufweisen, dass diese nicht plastisch verformbar sind und somit damit nur schwer eine Abdichtung erreicht werden kann, haben Polymere den Nachteil, dass diese häufig nicht ausreichend temperaturbeständig sind. Obwohl es auch Polymere gibt, die bis zu 300°C und mehr temperaturbeständig sind, weisen diese in der Regel keine ausreichende Wärmeleitfähigkeit auf.
-
Welches Polymer für den betreffenden Dichtungsring geeignet sein soll, ist im Übrigen dieser Veröffentlichung nicht entnehmbar.
-
Es ist daher wünschenswert, eine Zündkerze mit einer erhöhten elektrischen Durchschlagsfestigkeit bereitzustellen.
-
Es ist weiterhin wünschenswert, eine Zündkerze mit einer hohen Lebensdauer zu offenbaren.
-
ÜBERBLICK
-
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Zündkerze mit einer hohen elektrischen Durchschlagsfestigkeit anzugeben, die bevorzugt ferner eine möglichst hohe Langzeitbeständigkeit aufweist.
-
Diese Aufgabe wird durch eine Zündkerze gelöst mit:
- - einer Metallhülle mit einer axialen Bohrung und einem Gewindeabschnitt;
- - einem Isolator mit einer axialen Bohrung, der wenigstens teilweise innerhalb der axialen Bohrung der Metallhülle angeordnet ist;
- - einer Mittelelektrode, die wenigstens teilweise innerhalb der axialen Bohrung des Isolators aufgenommen ist;
- - einer Masseelektrode, die von der Metallhülle gehalten ist, wobei ein Endbereich der Masseelektrode zusammen mit einem Endbereich der Mittelelektrode eine Zündstrecke bildet und
- - einem Dichtungsring, der sich wenigstens zwischen einer Außenschulter des Isolators und einer Innenschulter der Metallhülle erstreckt, wobei der Dichtungsring Polyaryletherketon (PAEK) aufweist.
-
Die Aufgabe der Erfindung wird auf diese Weise vollkommen gelöst.
-
Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Zündkerze sind in den Unteransprüchen unter Schutz gestellt.
-
Mit der erfindungsgemäßen Zündkerze kann eine erhöhte Durchschlagsfestigkeit erreicht werden. Es hat sich gezeigt, dass PAEK eine ausreichende Temperaturbeständigkeit aufweist, die in der Größenordnung von etwa 300°C oder mehr liegt. Ferner kann dieses Material mit einer relativ hohen Wärmeleitfähigkeit hergestellt werden, so dass die thermische Belastung im Bereich des Dichtungsrings ausreichend gering bleibt.
-
Erfindungsgemäß ergibt sich eine vergrößerte dielektrische Festigkeit der Zündkerze durch eine Reduzierung des vorhanden elektrischen Feldes zwischen der Mittelektrode und dem Metallkörper im Bereich des Dichtsitzes, da die dielektrische Festigkeit des verwendeten Kunststoffmaterials gleich oder höher als die des Isolatormaterials ist. Aufgrund der verringerten elektrischen Kapazität des elektrischen Leiters gegenüber Masse verringert sich der Zündspannungsbedarf an der Zündstrecke, wodurch der Elektrodenverschleiß wegen der geringeren Zündspannung verringert wird.
-
Ferner ergibt sich eine verbesserte Biegefestigkeit im Bereich des Keramikisolators (hin zur Mittelelektrodenspitze) infolge einer reduzierten Vorspannung, da die Reibung im Bereich des Dichtungsrings infolge der Verwendung eines Kunststoffmaterials im Vergleich zu einer metallischen Dichtung reduziert ist.
-
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Dichtungsring Polyetheretherketon (PEEK) auf.
-
Es hat sich gezeigt, dass dieses Material besonders geeignet zur Herstellung des Dichtungsrings ist.
-
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung erstreckt sich der Dichtungsring wenigstens in einem Spalt, der zwischen der Außenschulter des Isolators und der Innenschulter der Metallhülle gebildet ist.
-
Auf diese Weise ist eine sichere Abdichtung gewährleistet.
-
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung erstreckt sich der Dichtungsring zumindest teilweise über den Spalt hinaus in eine vom Endbereich der Mittelelektrode entfernte Richtung.
-
Auf diese Weise kann die Dichtungswirkung noch weiter verbessert werden. Sollte während der Lebensdauer der Zündkerze ein minimales Fließen des Materials auftreten, aus dem der Dichtungsring besteht, so ist dennoch eine sichere Abdichtung gewährleistet.
-
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Dichtungsring ferner einen Füller auf. Bevorzugt wird als Füller Bornitrid verwendet. Hierbei können insbesondere 5 bis 80 Vol.-%, vorzugsweise 10 bis 70 Vol.-%, besonders bevorzugt 20 bis 60 Vol.-% Bornitrid vorgesehen sein.
-
Durch die Zusätze von Bornitrid als Füller wird die Wärmeleitfähigkeit verbessert. Hierdurch wird die Temperaturbelastung des Dichtungsrings verringert und eine sichere Wärmeabfuhr vom Isolator zum Metallkörper gewährleistet.
-
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Dichtungsring Glasfasern und/oder Kohlenstofffasern als Füller auf.
-
Hierbei können vorzugsweise 0 bis 30 Vol.-%, vorzugsweise 1 bis 30 Vol.-%, weiter bevorzugt 3 bis 25 Vol.-%, besonders bevorzugt 3 bis 20 Vol.-% Glasfasern und/oder Kohlenstofffasern vorgesehen sein.
-
Durch den Zusatz von Glasfasern und/oder Kohlenstofffasern wird die mechanische Festigkeit des Basismaterials verbessert.
-
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Dichtungsring eine Wärmeleitfähigkeit von wenigstens 3 Wm-1K-1 auf, vorzugsweise wenigstens 3,5 Wm-1K-1, weiter bevorzugt wenigstens 4 Wm-1K-1.
-
Derart hohe Wärmeleitfähigkeiten können beispielsweise durch entsprechende Zusätze von Bornitrid erreicht werden. Es ergeben sich hiermit besonders geringe thermische Belastungen.
-
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Dichtungsring eine elektrische Durchschlagsfestigkeit von mindestens 16 kV/mm, vorzugsweise von mindestens 18 kV/mm, weiter bevorzugt von mindestens 19 kV/mm, besonders bevorzugt von mindestens 20 kV/mmv auf.
-
Hierdurch kann in Verbindung mit einer entsprechend hohen Durchschlagsfestigkeit des Keramikisolators die Durchschlagsfestigkeit der Zündkerze erhöht werden.
-
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
-
Figurenliste
-
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Zündkerze in einer teilweise geschnittenen Längsansicht;
- 2, 3 eine elektrische Feldanlyse mittels FEA (Finite-Elemente-Analyse) bei Anlegen einer Spannung von 1 V an die Mittelelektrode mit einer standardmäßigen Metalldichtung und einem erfindungsgemäßen Dichtungsring aus PEEK mit einer dielektrischen Festigkeit von 23 kV/mm;
- 4 die mittels FEA-Analyse ermittelten Komponententemperaturen unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Dichtungsrings mit einer Außenringdichtungstemperatur von 110°C, ein Zylinderkühltemperatur von 125°C und mit einem Wärmefluss einer Innenoberfläche des Zylinders bei einer spezifischen Leistung von 110 kW/I;
- 5 die sich ergebenden Temperaturen für eine Standardzündkerze mit einem erfindungsgemäßen polymeren Dichtungsring aus PEEK mit einer thermischen Leitfähigkeit von 4 Wm-1K-1 unter Volllastbedingungen und
- 6 die sich ergebenden Temperaturen im Bereich des Dichtungsrings.
-
BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNG
-
1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau einer erfindungsgemäßen Zündkerze, die insgesamt mit der Ziffer 10 bezeichnet ist.
-
Die Zündkerze 10 weist im Wesentlichen eine Metallhülle 12 mit einem Außengewinde 14 auf, einen Isolator 22, der teilweise in der Metallhülle 12 aufgenommen ist und innerhalb dessen eine Mittelelektrode 24 vorgesehen ist. Die Mittelelektrode 24 ist durch eine Glasschmelze 25, welche auch als Panatwiderstand ausgeführt sein kann, gegenüber dem Isolator 22 abgedichtet, um eine Abdichtung gegenüber dem Verbrennungsraum zu gewährleisten.
-
Die Mittelelektrode 24 steht mit einem Endabschnitt 28 aus dem Isolator 22 heraus hervor und bildet zusammen mit einem Endabschnitt 33 einer Masseelektrode 32, die vom Gewindeabschnitt 14 hervorsteht, eine Zündstrecke 30.
-
Die Zündkerze 10 weist am äußeren Ende einen Hochspannungsanschluss 26 auf, über den die Zündspannung über einen geeigneten Kerzenstecker zugeführt wird.
-
Die Metallhülle 12 weist an ihrem äußeren, der Masseelektrode 32 abgewandten Ende einen Abschnitt 40 in Form eines Mehrkants zum Ansatz eines Zündkerzenschlüssels auf. An den Abschnitt 40 schließt sich mit einem gewissen Abstand ein Absatz 18 in Richtung zum Gewindeabschnitt 14 an. An dem Abschnitt 18 ist eine Außendichtung 20 aufgenommen.
-
Die Metallhülle 12 weist eine axiale Bohrung 16 auf, die einen brennraumseitigen Abschnitt des Isolators 22 umschließt. Der Isolator 22 besteht typischerweise aus einem keramischen Material, wie etwa Alumiumoxid. Der Außendichtungsring 20 kann aus Metall, beispielsweise aus Kupfer bestehen und ggf. noch mit einem weiteren Dichtungselement kombiniert werden. Es versteht sich, dass beliebige Kombinationen und Materialien denkbar sind.
-
Die Metallhülle 12 stellt eine äußere Struktur oder ein Gehäuse für die Zündkerze 10 dar und beinhaltet den Gewindeabschnitt 14 zur Installation in einem Zylinderkopf eines Motors, eine äußere Schulter 18 zum Bilden eines flachen oder konischen Sitzes am Zylinderkopf, einen sechseckförmigen oder Installationsabschnitt 40 zur Verwendung mit einem Montagewerkzeug, sowie einen geschlossenen Endabschnitt 42, der auf den Isolator 22 gecrimpt bzw. geklemmt ist.
-
Die Metallhülle 12 kann aus einer Anzahl von Stahlarten oder einem anderen geeigneten Metall zusammengesetzt sein, und kann auch mit einer Zink-basierten oder einer Nickelbasierten Legierungsbeschichtung beschichtet sein, um ein Beispiel zu nennen. Der Gewindeabschnitt 14 erstreckt sich zwischen dem freien Endabschnitt und der äußeren Schulter 18 und, in Abhängigkeit von der besonderen Anwendung, für die die Zündkerze 10 konstruiert ist, kann der Gewindeabschnitt Außengewindegänge mit einer Anzahl von herkömmlichen Durchmessern (z.B. M14, M12, M10, M8 usw.) aufweisen. Die äußere Schulter 18 erstreckt sich radial vom Gewindeabschnitt 14 nach außen und beinhaltet eine ringförmige Hüllen-Dichtfläche. Wenn die Zündkerze 10 durch Gewindeeingriff in einem Zylinderkopf installiert wird, wird der Dichtungsring 20 zusammengedrückt oder komprimiert, und zwar zwischen der Hüllen-Dichtfläche und einer entsprechenden Dichtfläche des Zylinderkopfes, wodurch eine luftdichte Abdichtung erzeugt wird, die ein Herausblasen von Abgasen verhindert.
-
Der sechseckförmige Abschnitt 40 ist dazu konstruiert, eine Steckbuchse, einen Schraubenschlüssel oder ein anderes Installations- bzw. Montagewerkzeug aufzunehmen, so dass die Zündkerze mit einem geeigneten Drehmoment in den Zylinderkopf geschraubt werden kann. Es versteht sich, dass die erwähnten Materialien und Konfigurationen lediglich beispielhaft sind und dass andere Konstruktionen, einschließlich von Hüllen mit kürzeren Gewindeabschnitten (z.B. mit kürzeren Einschraublängen) natürlich stattdessen verwendet werden können.
-
Die Metallhülle 12 weist einen nach innen hin schräg geneigte Innenschulter 34 auf, der eine entsprechend geneigte Außenschulter 36 des Isolators 22 zugeordnet ist. Zwischen der Innenschulter 34 der Metallhülle 12 und der Außenschulter 36 des Isolators 22 ist ein Spalt gebildet, der durch einen erfindungsgemäßen Dichtungsring 38 ausgefüllt ist.
-
Der Dichtungsring 38 stellt die Innendichtung der Zündkerze 10 dar, mit welcher die Zündkerze im Bereich zwischen Isolator 22 und Metallhülle 12 abgedichtet ist. Es versteht sich, dass zusätzlich zu diesem Dichtungsring 38 auch weitere Innendichtungen zwischen Isolator 22 und Metallhülle 12 vorgesehen sein können.
-
Erfindungsgemäß besteht der Dichtring 38, der den Spalt zwischen der Innenschulter 34 der Metallhülle 12 und der zugeordneten Außenschulter 36 des Isolators 22 abdichtet, aus Polyetheretherketon (PEEK), das zusätzlich mit einem Füller aus Bornitrid und aus Glasfasern und/oder Kohlenstofffasern versetzt ist.
-
Der Dichtungsring 38 kann 5 bis 80 Vol.-%, oder 20 bis 60 Vol.-% Bornitrid und 0 bis 30 Vol.-%, vorzugsweise 3 bis 20 Vol.-% Glasfasern und/oder Kohlenstofffasern aufweisen. Beispielsweise enthält der Dichtungsring 40 Vol.-% Bornitrid und 10 Vol.-% Kohlenstofffasern, wobei der Rest durch PEEK gebildet ist. Ein derartiger Dichtungsring 38 weist bevorzugt eine Wärmeleitfähigkeit von wenigstens 4 Wm-1K-1 und eine elektrische Durchschlagsfestigkeit von mindestens 20 kV/mm, bevorzugt von etwa 23 kV/mm auf.
-
Das verwendete Polyetheretherketon PEEK weist laut Herstellerangaben eine dielektrische Festigkeit von etwa 23 kV/mm auf und einen Schmelzpunkt von 290 bis 370°C. Die Dichte liegt im Bereich von 1,2 bis 1,7 g/cm3.
-
Im Folgenden wird anhand der 2 bis 6 eine Finite-Elemente-Analyse (FEA) dargestellt, mit welcher der Nachweis geführt wird, dass der erfindungsgemäße Dichtungsring praxistauglich ist und zu einer Verbesserung der elektrischen Durchschlagsfähigkeit der Zündelektrode führt.
-
2 zeigt einen Ausschnitt aus einer herkömmlichen Zündkerze mit dem Gewinde M12 mit der Mittelelektrode im linken Bereich und dem vom Dichtungsring ausgefüllten Spalt im rechten Bereich an der Metallhülle 12. Hierbei wurde standardmäßig zu Testzwecken an die Mittelelektrode eine Spannung von 1 V angelegt. Infolge des Spannungsabfalls an der Zündkerze wird nur eine Spannung von 0,831 V an der Mittelelektrode in dem dem Dichtungsring gegenüberliegenden Bereich gemessen. Da der herkömmliche Dichtungsring aus Metall besteht und insofern keine elektrischen Isolationseigenschaften aufweist, ergibt sich am Dichtungsring auf der gegenüberliegenden Seite eine Spannung von 0 V. Die Dicke des Dichtungsrings beträgt 1,956 mm. Es ergibt sich eine maximale elektrische Feldstärke von 3,056 V/mm.
-
3 zeigt das Ergebnis der FEA unter sonst vergleichbaren Bedingungen bei Anlegen einer Spannung von 1 V an die Mittelelektrode. Der Dichtungsring besteht in diesem Fall aus PEEK mit einer Durchschlagsfestigkeit von 23 kV/mm. An der Mittelelektrode ergibt sich eine Spannung von 0,847 V, am Dichtungsring ergibt sich eine Spannung von 0,258 V. Somit ergibt sich über dem Isolator ein Spannungsabfall von 0,589 V.
-
Folglich ist das sich ergebende elektrische Feld deutlich geringer und weist im vorliegenden Fall eine maximale Feldstärke von 0,675 V/mm auf. Demzufolge ergibt sich eine deutlich erhöhte elektrische Durchschlagsfestigkeit.
-
Anhand der 4 bis 6 wird dargelegt, dass die thermische Belastung der Zündkerze, insbesondere im Bereich des Dichtungsrings im Rahmen von zulässigen Werten liegt.
-
4 zeigt die Komponententemperaturen im Bereich des Gewindeabschnittes des Zylinderkopfes unter Verwendung der folgenden Daten:
- - Temperatur am Außendichtring: 110°C;
- - Zylinderkühltemperatur 125°C;
- - Wärmefluss, der auf die Innenoberfläche des Zylinders wirkt, unter Berücksichtigung einer spezifischen Ausgangsleistung eines Motors von 110 kW/I. Dargestellt sind die Temperaturen entlang des Gewindeabschnittes im Zylinderkopf, in den die Zündkerze eingeschraubt wird.
-
Es ergeben sich Temperaturen im Bereich zwischen 118 °C und 195 °C.
-
5 zeigt die sich ergebenden Temperaturen für die standardmäßige Zündkerze gemäß 2 mit dem Dichtungsring aus PEEK mit einer Wärmeleitfähigkeit von 4 Wm-1K-1 unter Volllastbedingungen.
-
Die Temperaturen von 821°C am Endabschnitt 28 der Mittelelektrode 24 und dem gegenüberliegenden Endabschnitt 33 der Masseelektrode 32 von 891°C, sowie von 846°C am Ende des Isolators 22 liegen im zulässigen Bereich.
-
6 zeigt die sich ergebenden Temperaturen im Bereich des Dichtungsrings unter Verwendung der zuvor beschriebenen Parameter bestehend aus PEEK mit einer Wärmeleitfähigkeit von 4 Wm-1K-1.
-
Am brennraumseitigen Ende des Dichtungsrings 38 beträgt die Temperatur 265°C, während am anderen Ende die Temperatur nur 179°C beträgt. Diese Temperaturen liegen im zulässigen Bereich von PEEK, deutlich unterhalb der maximalen Anwendungstemperatur von 290°C.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
