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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zündkerze mit verbesserter elektromagnetischer Verträglichkeit.
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Elektrisch betriebenen Geräte, und hierunter auch Zündkerzen, die durch Anlegen einer elektrischen Spannung einen Zündfunken erzeugen, erzeugen mehr oder minder starke elektromagnetische Felder. Diese können unter Umständen unerwünschte Störungen in anderen elektrisch betriebenen Geräten hervorrufen, wie z.B. in Radios oder sogar in Motor-, Getriebe- und ABS-Steuerungen. Eine Zündkerze zeichnet sich somit durch eine elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) aus, die ein Maß für die Fähigkeit zur Abschirmung von elektromagnetischer Strahlung ist. Um die EMV und damit den störungsfreien Betrieb der Bordelektronik eines Kfz sicherzustellen, werden im Inneren von Zündkerzen Glasschmelzen als Entstörwiderstand eingesetzt. Dies ist aber in vielen Fällen nicht ausreichend, um elektromagnetische Interferenzen zu minimieren oder gar zu verhindern.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Zündkerze gemäß dem Anspruch 1 überkommt dieses Problem und zeichnet sich durch eine hohe EMV aus. Dies wird durch das Vorsehen eines ersten elektrisch leitfähigen Elements und/oder eines zweiten elektrisch leitfähigen Elements erzielt, die als Faraday'scher Käfig wirken und somit elektromagnetische Abstrahlungen verhindern oder zumindest weitestgehend reduzieren.
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Im Einzelnen umfasst die erfindungsgemäße Zündkerze eine Masseelektrode, eine Mittelelektrode und einen Isolator. Dies bedeutet, dass auch mehrere Masseelektroden und/oder mehrere Mittelelektroden am brennraumseitigen Ende der Zündkerze vorhanden sein können. Der Isolator umgibt dabei ein elektrisch leitfähiges Innenelement, durch das ein Strom geleitet wird, der der Erzeugung eines Zündfunkens zwischen der Mittelelektrode und der Masseelektrode dient. Der Isolator ist in Richtung der Längsachse der Zündkerze teilweise von einem Gehäuse umgeben. Das Gehäuse erstreckt sich dabei in Richtung des brennraumseitigen Endes der Zündkerze, so dass in Richtung des anschlussseitigen Endes der Zündkerze, an dem sich ein elektrischer Anschlussbereich befindet, ein Bereich des Isolators nicht vom Gehäuse umgeben ist. In diesem Bereich des Isolators, der somit frei vom Gehäuse vorsteht, der also nicht vom Gehäuse umgeben ist, ist auf dem Isolator eine elektrisch isolierende Glasurschicht vorhanden.
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Ein erstes elektrisch leitfähiges Element ist zwischen der Glasurschicht und dem Isolator vorhanden. Alternativ oder additiv dazu ist ein zweites elektrisch leitfähiges Element zwischen dem elektrisch leitfähigen Innenelement und dem Isolator vorhanden. Der Isolator und auch das elektrisch leitfähige Innenelement bieten eine große Oberfläche. Da insbesondere der Isolator Bereiche aufweist, die lediglich von einer Glasurschicht umgeben aber in die Umgebung der Zündkerze gerichtet sind, ist das Vorsehen eines ersten elektrisch leitfähigen Elements und/oder eines zweiten elektrisch leitfähigen Elements hier besonders effizient, um elektromagnetische Interferenzen zu unterdrücken. Das erste elektrisch leitfähige Element und das zweite elektrisch leitfähige Element können hierzu gleich oder aber unterschiedlich aufgebaut sein, also über eine gleiche oder unterschiedliche chemische Zusammensetzung verfügen und/oder eine gleiche oder unterschiedliche geometrische Ausbildung aufweisen. Wesentlich ist jedoch, dass das Vorsehen des ersten elektrisch leitfähigen Elements und/oder des zweiten elektrisch leitfähigen Elements ein Umgehen des elektrisch leitfähigen Innenelements der Zündkerze durch den anzulegenden Strom nicht ermöglicht wird, da sonst Kurzschlüsse auftreten können.
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Insbesondere sind das erste elektrisch leitfähige Element und das zweite elektrisch leitfähige Element, sofern vorhanden, in Umfangsrichtung der Zündkerze umlaufend geschlossen ausgebildet, was bedeutet, dass im Falle des ersten elektrisch leitfähigen Elements dieses den Umfang des Isolators vollständig umgibt und dass im Falle des zweiten elektrisch leitfähigen Elements dieses den Umfang des elektrisch leitfähigen Innenelements der Zündkerze vollständig umgibt. Hierdurch wird eine sehr gute Wirkung des ersten elektrisch leitfähigen Elements und/oder des zweiten elektrisch leitfähigen Elements als Faraday'scher Käfig erzielt, so dass elektromagnetische Abstrahlungen minimiert und damit eine hohe EMV der erfindungsgemäßen Zündkerze erzielt wird, ohne dass der Aufbau der Zündkerze dabei wesentlich verändert wird.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung steht das erste elektrisch leitfähige Element mit der Glasurschicht und dem Isolator in Kontakt. Dies bedeutet zum einen, dass zwischen dem Isolator und der Glasurschicht außer dem ersten elektrisch leitfähigen Element keine weiteren Schichten vorhanden sind, was den Aufbau der Zündkerze verschlankt. Zum anderen bedeutet dies, dass auf der einen Seite ein direkter Kontakt zwischen dem ersten elektrisch leitfähigen Element und der Glasurschicht und auf der anderen Seite ein direkter Kontakt zwischen dem ersten elektrisch leitfähigen Element und dem Isolator besteht. Hierdurch kann die Abschirmung gegenüber elektromagnetischer Strahlung verbessert werden.
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Ebenso verhält es sich mit dem zweiten elektrisch leitfähigen Element, das mit dem elektrisch leitfähigen Innenelement und dem Isolator in Kontakt steht und damit vorteilhaft sowohl direkt an dem elektrisch leitfähigen Innenelement auf der einen Seite und dem Isolator auf der anderen Seite anliegt. Auch hierdurch kann die elektromagnetische Abschirmung verbessert werden.
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Aufgrund der sehr guten Abschirmeigenschaften von elektromagnetischen Strahlen bei gleichzeitig geringem in die Zündkerze eingetragenem Gewicht liegen das erste elektrisch leitfähige Element und/oder das zweite elektrisch leitfähige Element in Form eines Netzes vor. Das Netz kann dabei lose zwischen den entsprechenden Schichten angeordnet oder fest mit diesen verbunden sein. Eine lose Anordnung des Netzes ist dabei im Hinblick auf eine sehr einfache Verbaubarkeit bevorzugt. Beispielsweise kann, sofern das zweite elektrisch leitfähige Element in Form eines Netzes ausgebildet ist, dieses in eine Bohrung der Zündkerze eingeschoben und danach das elektrisch leitfähige Innenelement und ggf. weitere Komponenten in das Netz eingeschoben werden.
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Alternativ zur Netzform können das erste elektrisch leitfähige Element und/oder das zweite elektrisch leitfähige Element ebenfalls vorteilhaft in Form einer durchgängig ausgebildeten und in Umfangsrichtung der Zündkerze geschlossenen Schicht vorliegen. Eine derartige Schicht kann sehr einfach, beispielsweise durch PVD, CVD, Siebdruck, Aufrakeln, Aufsprühen, Aufpinseln oder durch anderweitige Drucktechniken in gewünschter Schichtdicke und an der gewünschten Stelle aufgebracht werden. Die geeignete Auftragstechnik kann dabei in Abhängigkeit des Materials des ersten elektrisch leitfähigen Elements bzw. des zweiten elektrisch leitfähigen Elements ausgewählt werden.
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Eine sehr gute EMV bei gleichzeitig geringem Gewichtseintrag in die Zündkerze kann vorteilhaft dadurch erzielt werden, dass das erste elektrisch leitfähige Element und/oder das zweite elektrisch leitfähige Element eine Schichtdicke von 10 µm bis 100 µm aufweisen. Die Schichtdicke wird dabei senkrecht zur Längsachse der Zündkerze, also in radialer Richtung der Zündkerze gemessen.
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Eine gleichmäßig, die Zündkerze allseitig abschirmende elektromagnetische Abstrahlungswirkung kann insbesondere durch die vorteilhafte Weiterbildung erzielt werden, in der das erste elektrisch leitfähige Element und/oder das zweite elektrisch leitfähige Element im Wesentlichen zylindrisch sind und ihre Längsachsen mit der Längsachse der Zündkerze zusammenfallen.
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Das den Isolator der Zündkerze in Richtung der Längsachse der Zündkerze brennraumseitig umgebende Gehäuse ist in der Regel metallisch und zeichnet sich damit durch eine elektrische Leitfähigkeit aus, so dass das Vorsehen eines ersten elektrischen Elements auf dem vom Gehäuse überdeckten Bereich des Isolators wenig weitere Vorteile im Hinblick auf die EMV der Zündkerze bringt. Vorteilhaft erstreckt sich jedoch das erste elektrisch leitfähige Element brennraumseitig bis zum Gehäuse, so dass eine durchgängige Abschirmwirkung vor elektromagnetischer Strahlung erzielt werden kann.
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Des Weiteren vorteilhaft erstreckt sich das erste elektrisch leitfähige Element in Richtung der Längsachse der Zündkerze vom anschlussseitigen Ende des Isolators bis zum Gehäuse. Damit bedeckt das erste elektrisch leitfähige Element alle Bereiche des Isolators entlang der Längsachse der Zündkerze, die, außer von der Glasurschicht, durch kein weiteres Bauteil bedeckt sind, und damit quasi vom elektrischen Anschlussbereich bis zum brennraumseitigen Ende des Isolators, freiliegen. Dadurch kann eine besonders effiziente elektromagnetische Abschirmung erzielt werden.
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Um Bypässe des Stroms zu verhindern, ist vorzugsweise vorgesehen, dass ein sich in radialer Richtung zur Längsachse der Zündkerze von einem elektrischen Anschlussbereich erstreckender Endbereich des Isolators frei ist von erstem elektrisch leitfähigem Element. Somit ist bei sehr guter EMV eine effiziente Leistung der Zündkerze erzielbar.
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An das elektrisch leitfähige Innenelement der Zündkerze, das insbesondere in Form eines Kontaktstiftes ausgebildet ist, schließt sich brennraumseitig ein elektrisches Widerstandselements an. Hierbei handelt es sich bei dem elektrischen Widerstandselement insbesondere um ein ebenfalls zu elektromagnetischer Abschirmung geeignetes Element. Daher ist es gemäß einer weiteren Weiterbildung vorteilhaft, dass sich das zweite elektrisch leitfähige Element brennraumseitig bis zu dem elektrischen Widerstandselement erstreckt, um bei möglichst geringem Materialeinsatz für das zweite elektrisch leitfähige Element eine besonders gute EMV zu erzielen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sind das Gehäuse und das elektrische Widerstandselement derart angeordnet, dass sich diese Komponenten der Zündkerze in radialer Richtung, und damit senkrecht zur Längsachse der Zündkerze, überlagern. Folglich gibt es einen Bereich, in dem in radialer Richtung gesehen das Gehäuse und das elektrische Widerstandselement einen Überlappungsbereich bilden. Sodann ist das zweite elektrisch leitfähige Element so ausgebildet, dass es sich bis zu dem brennraumseitigen Bereich erstreckt, in dem sich das Gehäuse und das elektrische Widerstandselement überlagern. Da sowohl das Gehäuse als auch das elektrische Widerstandselement eine gewisse Abschirmung gegenüber elektromagnetischer Strahlung bewirken, kann durch diese vorteilhafte Weiterbildung der Materialeinsatz für das zweite elektrisch leitfähige Element minimiert werden.
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Eine weitere Materialeinsparung lässt sich vorteilhaft dadurch erzielen, dass sich das zweite elektrisch leitfähige Element lediglich bis zu einem brennraumseitigen Bereich erstreckt, in dem das Gehäuse und das elektrische Widerstandselement in radialer Richtung, also senkrecht zur Längsachse der Zündkerze, fluchten.
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Besonders vorteilhaft lässt sich eine sehr gute EMV dadurch erzielen, dass das erste elektrisch leitfähige Element und/oder das zweite elektrisch leitfähige Element mindestens ein Metall und/oder mindestens einen Halbleiter umfassen. Sofern zwei oder mehrere Metalle und/oder Halbleiter zur Anwendung kommen, können diese in Form von Legierungen vorliegen. Das erste elektrisch leitfähige Element und das zweite elektrisch leitfähige Element können somit vollständig aus einem Metall, aus einem Halbleiter oder aus einer Legierung gebildet sein, jedoch ist es auch möglich, abschnittsweise unterschiedliche Metall, Halbleiter oder Legierungen einzusetzen. Besonders geeignete Metalle sind Kupfer, Zink und ferromagnetische, eisenhaltige Legierungen. Geeignete Halbleiter umfassen insbesondere ZnO, TiO2 und SiC.
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Insbesondere sind das erste elektrisch leitfähige Element und/oder das zweite elektrisch leitfähige Element eingerichtet, einen Frequenzbereich von 10 MHz bis 10 GHz auszufiltern. Besonders intensive und damit auf elektrische Geräte störend einwirkende elektromagnetische Strahlungen, die Frequenzen von 10 MHz bis 10 GHz aussenden, können somit ausgefiltert und damit an einer Ausbreitung gehindert werden.
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Im Lichte einer besonders effizienten Abschirmung von elektromagnetischer Strahlung ist es weiter vorteilhaft, wenn das erste elektrisch leitfähige Element und/oder das zweite elektrisch leitfähige Element eine elektrische Leitfähigkeit von mindestens 102 S/m bis 104 S/m aufweisen. Die elektrische Leitfähigkeit wird dabei mittels eines Voltmeters bei Raumtemperatur gemessen.
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Die erfindungsgemäße Zündkerze ist durch eine Kombination gängiger Verfahren herstellbar. Beispielsweise kann ein solches Verfahren einen Schritt des Vorsehens eines elektrisch leitfähigen Elements durch PVD, CVD, Siebdruck, Aufrakeln, Aufsprühen, Aufpinseln oder durch anderweitige Drucktechniken umfassen. Auch kann ein vorgefertigtes elektrisch leitfähiges Element in eine entsprechende Bohrung eingeschoben werden.
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Ebenfalls erfindungsgemäß werden auch eine Brennkraftmaschine und ein Kraftfahrzeug beschrieben, das die erfindungsgemäße, wie vorstehend beschriebene Zündkerze umfasst. Das Kraftfahrzeug zeichnet sich aufgrund der guten Abschirmwirkung von elektromagnetischer Strahlung durch die erfindungsgemäße Zündkerze durch einen dauerhaft stabilen und im Hinblick auf seine elektrischen Geräte wenig oder nicht gestörten Betrieb aus.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 eine teilgeschnittene Ansicht einer Zündkerze gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
- 2 eine teilgeschnittene Ansicht einer Zündkerze gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung und
- 3 eine teilgeschnittene Ansicht einer Zündkerze gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den Figuren sind nur die wesentlichen Merkmale der vorliegenden Erfindung dargestellt. Alle übrigen Merkmale sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen. Ferner beziffern gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst die Zündkerze 1 eine Masseelektrode 2, eine Mittelelektrode 3 und einen Isolator 4. Ein Gehäuse 5 umgibt zumindest teilweise einen Isolator 4. Am Gehäuse 5 ist ein Gewinde 6 angeordnet, welches für eine Befestigung der Zündkerze 1 in einem Zylinderkopf 10 ausgelegt ist.
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Der Isolator 4 umgibt ein elektrisch leitfähiges Innenelement 7 an das sich brennraumseitig, also in Richtung der Mittelelektrode 3, ein Widerstandselement 8 anschließt. Das Widerstandselement 8 und das Gehäuse 5 überlappen sich teilweise im Überlappungsbereich U1.
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Das Gehäuse 5 umgibt den Isolator 4 in Richtung der Längsachse X-X der Zündkerze 1 teilweise, wobei zumindest in einem Bereich B1 des Isolators 4 dieser frei vom Gehäuse 5 vorsteht. Auf dem Isolator 4 ist im Bereich B1 eine elektrisch isolierende Glasurschicht 9 vorhanden, die insbesondere als keramische Glasurschicht ausgebildet ist.
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Zwischen der Glasurschicht 9 und dem Isolator 4 ist im Bereich B1 ein erstes elektrisch leitfähiges Element 11 vorhanden. Das erste elektrisch leitfähige Element 11 erstreckt sich vom elektrischen Anschlussbereich 12 der Zündkerze 1 bis zum Gehäuse 5 und ist im Wesentlichen zylindrisch, wobei die Längsachse des ersten elektrisch leitfähigen Elements 11 und die Längsachse X-X der Zündkerze 1 zusammenfallen.
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Ein sich in radialer Richtung zur Längsachse X-X der Zündkerze 1 von einem elektrischen Anschluss im elektrischen Anschlussbereich 12 erstreckender Endbereich 13 des Isolators 4 ist dabei frei von erstem elektrisch leitfähigem Element 11, so dass effektiv ein Umgehen des Stromflusses und damit auch ein Kurzschluss zwischen dem elektrischen Anschlussbereich 12 und dem Gehäuse 5 verhindert wird. Im Endbereich 13 des Isolators 4 ist zudem bevorzugt auch keine Glasurschicht 9 vorhanden.
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Das erste elektrisch leitfähige Element 11 kann in Form eines Netzes oder in Form einer durchgängig ausgebildeten und in Umfangsrichtung U der Zündkerze 1 geschlossenen Schicht vorliegen, wobei eine Schichtdicke dieser Schicht, senkrecht zur Längsachse der Zündkerze gemessen, 10 µm bis 100 µm beträgt.
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Vorteilhafterweise umfasst das erste elektrisch leitfähige Element 11 mindestens ein Metall und/oder mindestens einen Halbleiter, hat eine elektrische Leitfähigkeit, gemessen bei Raumtemperatur, von mindestens 102 S/m bis 104 S/m und ist eingerichtet, einen Frequenzbereich von 10 MHz bis 10 GHz auszufi ltern.
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Aufgrund des Vorsehens des ersten elektrisch leitfähigen Elements 11, das als Faraday'scher Käfig wirkt, zeichnet sich die Zündkerze 1 durch eine hohe EMV aus. Elektromagnetische Strahlungen werden sehr gut abgeschirmt und es kommt zu keinen Störungen anderer elektrischer Geräte in der näheren Umgebung der Zündkerze 1.
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Die in 2 dargestellte Zündkerze 20 unterscheidet sich von der Zündkerze 1 aus 1 dadurch, dass anstelle eines ersten elektrisch leitfähigen Elements 11 zwischen dem elektrisch leitfähigen Innenelement 7 und dem Isolator 4 ein zweites elektrisch leitfähiges Element 14 vorhanden ist.
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Das zweite elektrisch leitfähige Element 14 erstreckt sich vom elektrischen Anschlussbereich 12 bis zum brennraumseitigen Ende des elektrischen Widerstandselements 8 und insbesondere bis zu einem brennraumseitigen Bereich, dem Überlappungsbereich U1, in dem das Gehäuse 5 und das elektrische Widerstandselement 8 in radialer Richtung, also senkrecht zur Längsachse X-X der Zündkerze 1, überlappen. Insbesondere im Überlappungsbereich U1 und auch am elektrischen Anschlussbereich 12 werden Bypässe des in Richtung der Mittelelektrode 3 geführten Stromes verhindert und trotzdem aufgrund des zweiten elektrisch leitfähigen Elements 14, das ebenso wie das erste elektrisch leitfähige Element 11 als Faraday'scher Käfig wirkt, eine hohe EMV der Zündkerze 20 erzielt. Elektromagnetische Strahlungen werden sehr gut abgeschirmt und es kommt zu keinen Störungen anderer elektrischer Geräte in der näheren Umgebung der Zündkerze 20.
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3 zeigt eine Zündkerze 30. Diese ist im Prinzip wie die Zündkerze 20 aus 2 ausgebildet, unterscheidet sich aber von dieser dadurch, dass sich das zweite elektrisch leitfähige Element 14 lediglich bis zu einem brennraumseitigen Bereich U2 erstreckt, in dem das Gehäuse 5 und das elektrische Widerstandselement 8 in radialer Richtung, und damit senkrecht zur Längsachse X-X der Zündkerze 30, fluchten. Der Überlappungsbereich U1 weist damit kein zweites elektrisch leitfähiges Element 14 auf, so dass bei der Zündkerze 30 Material für das zweite elektrisch leitfähige Element 14 eingespart werden kann.
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Da im Bereich U2 das Gehäuse der Zündkerze 30 eine abschirmende Wirkung gegenüber elektromagnetischer Strahlung übernehmen kann, zeichnet sich auch die Zündkerze 30 aufgrund des zweiten elektrisch leitfähigen Elements 14 durch eine hohe EMV aus. Elektromagnetische Strahlungen werden ebenfalls sehr gut abgeschirmt und es kommt zu keinen Störungen anderer elektrischer Geräte in der näheren Umgebung der Zündkerze 30.
