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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Masseelektrode mit verbesserter Standzeit sowie eine Zündkerze mit einer derartigen Masseelektrode.
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Masseelektroden und Zündkerzen sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Im Betrieb treten dabei an den Elektroden der Zündkerze Verschleißerscheinungen auf. Zur Reduzierung dieses Elektrodenverschleißes werden dabei Edelmetalllegierungen an der Mittelelektrode und/oder Masseelektrode vorgesehen, was die Standzeit der Zündkerze deutlich verbessert, jedoch auch die Kosten der Herstellung der Zündkerze. Aufgrund der verstärkten Direkteinspritzung von Kraftstoff bei Brennkraftmaschinen sowie einer sehr hohen Aufladung der Brennkraftmaschinen werden jedoch die Anforderungen an eine Dauerhaltbarkeit einer Zündkerze immer größer. Um die Herstellungskosten der Zündkerzen in einem verträglichen Rahmen zu belassen, werden daher an der Masseelektrode häufig Edelmetallplättchen angeschweißt und an der Mittelelektrode Edelmetallpins aufgesetzt. Grundsätzlich ist hierbei eine Menge des Edelmetalls, welche einem Funken zur Verfügung steht, proportional zu einer Dauerhaltbarkeit der Zündkerze. Allerdings ist eine Menge des Edelmetalls, die dem Funken zur Verfügung steht, von einer Geometrie des Elektrodenabstands und des Edelmetalls an der Masseelektrode begrenzt. Das Vorsehen einer größeren Menge an Edelmetall würde dabei eine Dauerhaltbarkeit nicht verbessern, da es dem Funken im Betrieb nicht zur Verfügung steht. Ab einer Vergrößerung eines Elektrodenabstandes von ca. 0,2 mm wird eine benötigte Spannung zur Erzeugung des Funkens zu hoch, was zu Funkenaussetzern führt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Masseelektrode einer Zündkerze mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine über Lebensdauer vorhandene Menge eines Edelmetalls an der Masseelektrode signifikant vergrößert werden kann. Dadurch ist es möglich, eine Standzeit einer Zündkerze im Vergleich mit dem Stand der Technik deutlich zu vergrößern. Hierbei werden die Herstellungskosten durch die erfindungsgemäße Idee nicht signifikant vergrößert. Erfindungsgemäß ist hierbei eine Masseelektrode vorgesehen, an welcher ein Edelmetallbereich angeordnet ist, wobei der Edelmetallbereich eine Bogenform aufweist und an einem bogenförmigen Bereich der Masseelektrode angeordnet ist. Durch die geometrische Form der Bogenfläche des Edelmetallbereichs wird über die Lebensdauer der Zündkerze ein Bereich, an welchem zwischen einer Mittelelektrode und der Masseelektrode ein zündfunkenerzeugender Abstand vorhanden ist, deutlich vergrößert. Der zündfähige Abstand ist wie im Stand der Technik nicht mehr nur im Wesentlichen ein in Axialrichtung der Zündkerze gerichteter Abstand, sondern ein bogenförmiger Bereich kann für die Erzeugung des Zündfunkens genutzt werden. Somit benötigt die erfindungsgemäße Masseelektrode nicht mehr Edelmetall als im Stand der Technik und trotzdem ist eine Herstellung durch einen gegebenenfalls zusätzlichen Verfahrensschritt zur Erzeugung der Bogenform des Edelmetallbereichs nur in geringem Maße zu einer Verteuerung der Zündkerze.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Die Bogenform des Edelmetallbereichs ist bevorzugt eine Teilkugelform oder ein Teilellipsoid. D.h., vorzugsweise ist der bogenförmige Bereich ein teilkugelförmiger oder ein teilellipsoider Bereich.
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Vorzugsweise überdeckt das Edelmetallplättchen eine gesamte Breite der Masseelektrode, welche in Richtung zur Mittelelektrode gerichtet ist. D.h., eine Projektion des Edelmetallbereichs in Richtung der Mittelachse der Zündkerze überdeckt vollständig eine Endfläche der Mittelelektrode. Dadurch wird ein besonders großer Bereich mit Edelmetall für die Zündung vorgesehen, so dass eine Standzeit einer Zündkerze, welche mit der erfindungsgemäßen Masseelektrode ausgestattet ist, signifikant verbessert wird.
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Besonders bevorzugt ist der Edelmetallbereich ein Edelmetallplättchen. Vorzugsweise ist dabei eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Edelmetallplättchen und der Masseelektrode, beispielsweise eine Schweißverbindung oder eine Lötverbindung oder dgl., vorgesehen.
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Weiter bevorzugt wird die schalenartige Bogenform des Edelmetallbereichs an der Masseelektrode und die entsprechende Bogenform an der Masseelektrode mittels Prägen erzeugt. Prägen ist ein einfaches und schnelles Verfahren und kann ohne großen Aufwand ausgeführt werden. Ferner ist der Schritt des Prägens auch geeignet für eine Herstellung von Massenbauteilen wie Zündkerzen.
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Ferner betrifft die Erfindung eine Zündkerze mit einer Mittelelektrode und einer erfindungsgemäßen Masseelektrode.
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Vorzugsweise liegt bei der Zündkerze dabei ein Abstand zwischen einer Endfläche der Mittelelektrode und einem Mittelpunkt einer Kugel oder eines Ellipsoiden, welche die Bogenform des Edelmetallbereichs definiert, in einem Bereich von 0 mm bis 1,5 mm. Bei einem Abstand von 0 mm liegt der Mittelpunkt der Kugel, welcher die Bogenform des Edelmetallbereichs bildet, genau auf der Endfläche der Mittelelektrode. Weiter bevorzugt ist der Bereich des Abstandes zwischen 0,2 mm bis 0,7 mm und ferner insbesondere zwischen 0,3 mm bis 0,6 mm.
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Weiter bevorzugt weist der Edelmetallbereich eine gleichbleibende Dicke an der Masseelektrode auf.
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Vorzugsweise weist der Edelmetallbereich an der Masseelektrode einen Mittelpunkt auf, welcher auf einer Mittelachse der Zündkerze liegt.
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Weiter bevorzugt ist ein minimaler Elektrodenabstand zwischen der Endfläche der Mittelelektrode und dem bogenförmigen Bereich bei einer unbenutzten Zündkerze in einem Bereich von 0,3 mm bis 1,5 mm, insbesondere in einem Bereich von 0,5 mm bis 1,3 mm, und beträgt besonders bevorzugt 0,7 mm.
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Die Mittelelektrode der Zündkerze weist ferner bevorzugt einen Edelmetallpin auf. Der Edelmetallpin ist vorzugsweise zylindrisch und weist eine ebene Endfläche auf, welche in Richtung zur Masseelektrode gerichtet ist.
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Wenn der Edelmetallbereich an der Masseelektrode ein Edelmetallplättchen ist, weist dieses vorzugsweise eine zylindrische Form oder eine Quaderform auf.
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Die Zündkerze weist vorzugsweise genau eine Masseelektrode auf. Alternativ weist die Zündkerze mehrere Masseelektroden auf.
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Figurenliste
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Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung sind gleiche bzw. funktional gleiche Teile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. In der Zeichnung ist:
- 1 eine schematische, teilweise geschnittene Ansicht einer Zündkerze gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2 eine schematische Schnittansicht der Elektroden der Zündkerze von 1, und
- 3 eine schematische, perspektivische Darstellung zur Verdeutlichung der teilkugelförmigen Geometrie des Edelmetallbereichs an der Masseelektrode.
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Ausführungsform der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 eine Zündkerze 1 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
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Die Zündkerze 1 weist, wie in 1 gezeigt, in bekannter Weise einen keramischen Isolator 2 und ein metallisches Gehäuse 3 auf. Ferner umfasst die Zündkerze 1 eine Mittelelektrode 4 und eine Masseelektrode 5.
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Eine Mittelachse der Zündkerze 1 ist in 1 mit den Bezugszeichen X-X bezeichnet.
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Die Mittelelektrode 4 und die Masseelektrode 5 sind im Detail aus 2 ersichtlich. Die Mittelelektrode 4 weist hierbei einen zylindrischen Edelmetallpin 40 auf, welcher in Richtung zur Masseelektrode 5 gerichtet ist. Der Edelmetallpin 40 weist dabei eine kreisförmige Endfläche 41 auf, welche zur Masseelektrode 5 gerichtet ist.
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Der Edelmetallbereich 6 an der Masseelektrode 5 ist stoffschlüssig mit dem Grundmaterial der Masseelektrode 5 verbunden, beispielsweise mittels Widerstandsschwei ßen.
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Weiterhin weist der Edelmetallbereich 6 eine Teilkugelform auf, welche an einem teilkugelförmigen Bereich 50 der Masseelektrode 5 angeordnet ist.
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Durch das Vorsehen des teilkugelförmigen Edelmetallbereichs 6 an der Masseelektrode 5 ergibt sich somit aus dreidimensionaler Sicht ein Kugelbereich, welcher zur Endfläche 41 einen nahezu gleichen Abstand aufweist. Somit ist im Betrieb der Zündkerze eine Menge an Edelmetall, welche an der Masseelektrode 5 zur Verfügung steht, im Vergleich mit dem Stand der Technik, bei denen die plane Endfläche 41 einer planen Fläche an der Masseelektrode gegenüberliegt, signifikant vergrößert. Dadurch kann eine Standzeit der Zündkerze im Betrieb signifikant verbessert werden.
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Beispielhaft sind in 2 zwei Zündfunken Z1 und Z2 eingezeichnet, welche die Begrenzung des zündfähigen Teilkugelausschnitts zwischen Mittelelektrode und Masseelektrode schematisch darstellen. Selbstverständlich wird im Betrieb üblicherweise nur ein Zündfunke zwischen Mittelelektrode und Masseelektrode gebildet. Die Zündfunkten Z1 und Z2 dienen lediglich zur theoretischen Darstellung der vergrößerten Zündfläche zwischen Mittelelektrode und Masseelektrode durch die geometrische Teilkugelgestaltung des Edelmetallbereichs 6. Der Zündbereich zwischen dem Edelmetallpin 40 und dem Edelmetallbereich 6 kann auch als Kegelstumpf mit teilkugelförmigem Boden beschrieben werden.
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Eine Projektion des Edelmetallbereichs 6 der Masseelektrode 5 in Richtung der Mittelachse X-X überdeckt dabei vollständig die Endfläche 41 des Edelmetallpins 40.
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Der teilkugelförmige Edelmetallbereich 6 wird durch eine Kugel K beschrieben, welche in 2 gestrichelt dargestellt ist. Die Kugel K weist einen Mittelpunkt M auf, welcher auf der Mittelachse X-X der Zündkerze liegt.
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Hierbei ist ein Abstand A1 zwischen dem Mittelpunkt M und der Endfläche 41 des Edelmetallpins 40 bevorzugt 0,2 mm. Ferner ist ein Elektrodenabstand A2 zwischen der Endfläche 41 und dem Edelmetallbereich 6 an der Masseelektrode ca. 0,7 mm.
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3 verdeutlicht nochmals den Herstellungsprozess der erfindungsgemäßen Masseelektrode 5. Hierbei wird in einem ersten Schritt ein Edelmetallplättchen 6', welches eine Zylinderform aufweist, an der zur Mittelelektrode 4 gerichteten Seite der Masseelektrode 5 befestigt. Dies erfolgt vorzugsweise mittels Widerstandsschweißen. Anschließend wird mittels einer Kugel K das Edelmetallplättchen 6 und der entsprechende Bereich, in welchem das Edelmetallplättchen 6 an der Masseelektrode 5 fixiert ist, umgeformt. Dadurch entsteht die in 2 gezeigte erfindungsgemäße Form mit teilkugelförmigem Edelmetallbereich 6 und teilkugelförmigem Bereich 50 der Masseelektrode 5. Hierbei erfolgt die Herstellung des teilkugelförmigen Edelmetallbereichs 6 vor einem Umformschritt der Masseelektrode, welche, wie in 3 gezeigt, um 90° umgeformt ist. Dieses Verfahren kann einfach für Massenbauteile wie Zündkerze eingerichtet werden und kann beispielsweise in einem Formwerkzeug und einer entsprechenden Presse mit einem kugelförmigen Pressbereich erfolgen.
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Alternativ könnte auch nur die Masseelektrode 5 durch eine Kugel geprägt werden und der Edelmetallbereich 6 wird in einem vorherigen Schritt vorgeprägt und in die entsprechende teilkugelförmige geometrische Gestalt gebracht, welche dann anschließend an den geprägten Bereich der Masseelektrode 5 fixiert wird.
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Somit kann erfindungsgemäß eine Zündkerze 1 mit einem deutlich vergrößerten zündfähigen Bereich zwischen Mittelelektrode und Masseelektrode bereitgestellt werden, wodurch eine Standzeit der Zündkerze trotz höherer Drücke und Direkteinspritzung und entsprechend höheren Temperaturen in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine verbessert werden.
