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Die Erfindung betrifft eine Zündkerze, insbesondere Vorkammerzündkerze, mit einem Gehäuse, einem Isolator und einer Mittelelektrode, wobei das Gehäuse den Isolator zumindest teilweise umgibt und wobei die Mittelelektrode über eine zumindest teilweise in dem Isolator verlaufende Versorgungsleitung mit elektrischer Spannung beaufschlagbar ist, und wobei durch ein Füllmedium, das zwischen dem Isolator und dem Gehäuse angeordnet ist, eine Wärmeableitzone realisiert ist, wobei zwischen dem Isolator und dem Gehäuse eine Dichtung ausgebildet ist, wobei das Füllmedium auf der der Mittelelektrode abgewandten Seite der Dichtung angeordnet ist.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Zündkerze.
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Zündkerzen der hier in Rede stehenden Art sind hinlänglich aus der Praxis bekannt.
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Aus WO 2021 / 198 013 A1 ist eine Zündkerze bekannt, bei der ein Spalt zwischen Isolator und Gehäuse mit einem wärmeleitenden Material gefüllt ist. Zudem ist in
EP 0 480 670 A1 eine Zündkerze gezeigt, die einen zum Brennraum hin offenen Spalt zwischen Isolator und Gehäuse aufweist. In diesem Spalt ist ebenfalls ein Füllmedium angeordnet.
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Des Weiteren sei auf
EP 2 413 442 B1 verwiesen, aus der eine Vorkammerzündkerze bekannt ist.
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Unabhängig davon, ob die Zündkerze eine Vorkammer umfasst, weisen diese regelmäßig einen Isolator auf, der zumindest teilweise von einem Gehäuse umgeben ist. Durch den Isolator verläuft eine Zündleitung, über welche eine an dem freien Ende des Isolators vorgesehene Mittelelektrode mit elektrischer Spannung beaufschlagbar ist. Durch die Verbrennung im Zylinder bzw. in der Vorkammer erfolgt ein Wärmeeintrag in die Mittelelektrode sowie in den Isolator. Dabei ist problematisch, dass eine hohe Temperatur der Mittelelektrode zu einem höheren Verschleiß dieser führt. Des Weiteren wirkt sich eine hohe Temperatur negativ auf die Durchschlagfestigkeit des Isolators aus. Insgesamt bewirken die hohen Temperaturen somit eine Verringerung der Lebensdauer der Zündkerze.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Zündkerze der eingangs genannten Art derart auszugestalten und weiterzubilden, dass mit konstruktiv einfachen Mitteln eine verlängerte Lebensdauer erreicht wird. Des Weiteren liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, bei dem mit einfachen Mitteln eine Zündkerze mit verlängerter Lebensdauer herstellbar ist.
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Erfindungsgemäß ist die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Danach betrifft die Erfindung eine Zündkerze, insbesondere Vorkammerzündkerze, mit einem Gehäuse, einem Isolator und einer Mittelelektrode, wobei das Gehäuse den Isolator zumindest teilweise umgibt und wobei die Mittelelektrode über eine zumindest teilweise in dem Isolator verlaufende Versorgungsleitung mit elektrischer Spannung beaufschlagbar ist, und wobei durch ein Füllmedium, das zwischen dem Isolator und dem Gehäuse angeordnet ist, eine Wärmeableitzone realisiert ist, wobei zwischen dem Isolator und dem Gehäuse eine Dichtung ausgebildet ist, wobei das Füllmedium auf der der Mittelelektrode abgewandten Seite der Dichtung angeordnet ist, und wobei das Gehäuse eine Öffnung zum Einbringen des Füllmediums aufweist.
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In Bezug auf das Verfahren ist die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 8 gelöst. Danach ist ein Verfahren zur Herstellung einer Zündkerze, insbesondere einer Vorkammerzündkerze, nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine Wärmeableitzone erzeugt wird, indem ein Füllmedium zwischen einem Isolator und einem den Isolator zumindest teilweise umgebenden Gehäuse eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmedium vor und/oder nach dem Einbringen einem Unterdruck ausgesetzt wird.
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In erfindungsgemäßer Weise ist zunächst erkannt worden, dass die Lebensdauer der Zündkerze erheblich verlängert werden kann, indem eine Verbesserung der Wärmeableitung aus dem Isolator und damit auch aus der Mittelelektrode in das Gehäuse erreicht wird. Hierzu ist in weiter erfindungsgemäßer Weise eine Wärmeableitzone realisiert, indem ein Füllmedium zwischen dem Isolator und dem Gehäuse eingebracht wird Das Füllmedium dient zur, insbesondere unmittelbaren, Kontaktierung des Isolators und des Gehäuses, so dass gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Zündkerzen eine vergrößerte Fläche zur Wärmeübertragung geschaffen ist, wodurch die Wärme besser abgeleitet werden kann. Dabei muss nicht zwangsweise der gesamte Bereich zwischen Isolator und Gehäuse mit dem Füllmedium gefüllt sein. Die Füllhöhe kann auch geringer gewählt werden, so dass eine in Längsrichtung der Zündkerze gesehen „kürzere“ Wärmeableitzone geschaffen ist. Die Dimensionierung der Wärmeableitzone ist somit über die Füllhöhe einstellbar und kann entsprechend der benötigten Wärmeableitung gewählt werden.
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Zum Einbringen des Füllmediums weist das Gehäuse eine Öffnung auf. Dadurch lässt sich das Füllmedium auf einfache Weise und in definierter Höhe einbringen. Die Öffnung könnte nach dem Einbringen verschlossen werden.
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Zwischen dem Isolator und dem Gehäuse ist eine Dichtung ausgebildet, um eine Abdichtung gegenüber den hohen Drücken zu erzielen, die in der Brennkammer bzw. der Vorkammer herrschen. Das Füllmedium ist auf der der Mittelelektrode abgewandten Seite der Dichtung angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass die Dichtung als „Boden“ des Füllmediums dienen kann, von dem aus eine Füllhöhe messbar ist, so dass eine definierte Dimensionierung der Wärmeableitzone herstellbar ist.
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Das Füllmedium wird vor und/oder nach dem Einbringen einem Unterdruck ausgesetzt. Wenn das Einbringen unter einem Druck unterhalb des atmosphärischen Drucks erfolgt, wird das Füllmaterial regelrecht in den evakuierten Zwischenraum zwischen Isolator und Gehäuse hineingesogen, wenn der Unterdruck aufgehoben wird. Die Bildung von Luftblasen oder Hohlräumen im Füllmedium wird weitestgehend verhindert. Auch wird eine großflächige Kontaktierung der Wandungen von Isolator und Gehäuse durch das Füllmedium erreicht, so dass eine hohe Wärmeableitung gegeben ist.
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In vorteilhafter Weise besteht der Isolator zumindest teilweise, vorzugsweise insgesamt, aus einer Keramik und/oder besteht das Gehäuse zumindest teilweise, vorzugsweise insgesamt, aus einem Metall. Dadurch kann auf eine übliche Konstruktion zurückgegriffen werden, so dass die Zündkerze einfach und kostengünstig in der Herstellung ist, wobei durch die durch das Füllmedium realisierte Wärmeableitzone gewährleistet ist, dass eine ausreichende Wärmeableitung gegeben ist. Somit kann ein keramischer Isolator mit konstanter Durchschlagfestigkeit gefertigt werden. Beispielsweise ist denkbar, dass der Isolator und das Gehäuse als Keramik-Metall-Spannverbund miteinander verbunden sind. Beispielsweise ist es denkbar, dass Gehäuse aus Stahl gefertigt ist. Dieser könnte einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von ca. 15·10-6 1/K aufweisen. Zur Verbesserung der Dichteigenschaften des Spannverbundes bei hoher Temperatur könnte das Gehäuse oder ein Teil davon aber auch aus einem metallischen Werkstoff mit niedrigerer Ausdehnung hergestellt sein. In vorteilhafter Weise kann bei einem zweiteiligen Gehäuse einer der beiden Gehäuseteile aus einem metallischen Werkstoff gefertigt sein, bei dem der thermische Ausdehnungskoeffizient im Bereich von 0 °C bis 400 °C kleiner als 10·10-6 1/K ist, vorzugsweise kleiner als 8·10-6 1/K ist. Dies hat insbesondere bei der Nutzung mit einem keramischen Isolator, der einen thermischen Ausdehnungskoeffizient von ca. 6·10-6 1/K aufweist, den Vorteil, dass sich damit das Gehäuse bei Erwärmung nicht mehr so viel stärker ausdehnt als der keramische Isolator, so dass sich der durch die Erwärmung entstehende Vorspannungsverlust des Keramik-Metall-Spannverbundes reduziert bzw. diesem entgegengewirkt wird. Ein solcher metallischer Werkstoff könnte eine Nickel-Eisen-Legierungen sein, bspw. 1.3981 NiCo 29/18. Somit könnte ein Gehäuseteil aus Stahl und das andere Gehäuseteil aus einer Nickel-Eisen-Legierung bestehen.
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In weiter vorteilhafter Weise kann das Füllmedium Silikon aufweisen. Dabei kann es sich um das Grundmedium des Füllmediums handeln, wobei weitere Zusätze dem Grundmedium beigemengt sein können. Silikon hat den Vorteil, dass es einfach zu verarbeiten und wärmebeständig ist. Wesentlich ist, dass das Füllmedium eine ausreichende Wärmebeständigkeit aufweist und als Wärmeleiter dienen kann.
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In besonders vorteilhafter Weise kann das Füllmedium Kupfer, Graphit und/oder Silber aufweisen. Ein entsprechendes Material weist eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf, so dass die Wärmeableitung erheblich verbessert ist. Des Weiteren ist es denkbar, alternativ oder zusätzlich Stoffe mit einer ähnlich hohen Wärmeleitfähigkeit zu nutzen. Dabei kann das Füllmedium neben einem Grundmedium Kupfer, Graphit und/oder Silber und/oder ähnliche Stoffe als Zusatz enthalten. Im Konkreten kann beispielsweise Silikon als Grundmedium genutzt werden und kann einer oder können mehrere der genannten Zusätze enthalten sein.
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Um das Füllmedium auf einfache Weise in den Bereich zwischen Isolator und Gehäuse einbringen zu können, kann das Füllmedium bei Umgebungstemperatur von ca. 20 °C fest oder flüssig oder pulverförmig oder körnerförmig oder gelartig vorliegen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann sich das Füllmedium bei Betriebstemperatur von ca. 150 °C bis 350 °C elastisch verhalten. Dadurch wird der Vorteil erzielt, dass das Füllmedium im Betriebszustand eine unterschiedliche Wärmeausdehnung des Isolators, ggf. Keramik, und des Gehäuses, ggf. Metall, ausgleichen kann.
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In vorteilhafter Weise kann das Füllmedium als elektrischer Isolator dienen. Somit wird die elektrische Isolation einer in dem Isolator verlaufenden elektrischen Versorgungsleitung verbessert. Hierzu kann das Füllmedium zumindest teilweise Silikon aufweisen, insbesondere als Grundmedium. Ein spezifischer Widerstand von über 106 Ω · m ist von Vorteil, da das Füllmedium sodann als Nichtleiter realisiert ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann das, vorzugsweise flüssige oder fließfähige, Füllmedium durch die Öffnung des Gehäuses zwischen den Isolator und das Gehäuse eingefüllt werden. Die Öffnung könnte nach dem Einbringen des Füllmediums verschlossen werden.
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In besonders vorteilhafter Weise kann nach dem Einbringen ein Aushärteprozess und/oder ein Vernetzungsprozess des Füllmediums erfolgen. Dies hat den Vorteil, dass ein zunächst fließfähiges bzw. schüttfähiges Füllmedium einfach Einzubringen ist und sodann aushärtet bzw. vernetzt, so dass es an seinem Bestimmungsort verbleibt. Ein solcher Prozess kann beispielsweise durch eine Erwärmung und/oder durch eine Beaufschlagung mit UV-Licht gefördert werden.
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In vorteilhafter Weise kann das Füllmedium bis zu einer definierten Füllhöhe eingebracht werden. Dabei kann die Füllhöhe von der zwischen dem Gehäuse und dem Isolator angeordneten Dichtung ab gemessen werden, so dass eine Wärmeableitzone in gewünschter Größe geschaffen wird.
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In Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren werden teilweise vorrichtungsmäßige Merkmale beschrieben. Diese sowie die damit erzielten Vorteile können ausdrücklich Teil der erfindungsgemäßen Zündkerze sein. Ebenso werden in Bezug auf die erfindungsgemäße Zündkerze teilweise verfahrensmäßige Merkmale beschrieben. Diese sowie die damit erzielten Vorteile können ausdrücklich Teil des erfindungsgemäßen Verfahrens sein.
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Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die den Ansprüchen 1 und 8 nachgeordneten Ansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen
- 1 in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel einer Zündkerze,
- 2 eine vergrößerte Ansicht der Darstellung gemäß 1,
- 3 in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Zündkerze,
- 4 eine vergrößerte Ansicht der Darstellung gemäß 3,
- 5 in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Zündkerze,
- 6 eine vergrößerte Ansicht der Darstellung gemäß 5,
- 7 in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Zündkerze,
- 8 eine vergrößerte Ansicht der Darstellung gemäß 7, und
- 9 in einer schematischen Darstellung unterschiedliche Füllhöhen des Füllmediums in einer Zündkerze.
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Zur Verbesserung der Übersichtlichkeit sind in den Figuren nicht sämtliche Elemente jeweils mit einem Bezugszeichen versehen. Des Weiteren weisen gleiche Elemente die gleichen Bezugszeichen auf.
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Die 1 und 2 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel einer Zündkerze, an dem auch das erfindungsgemäße Verfahren ersichtlich ist. Diese weist einen Isolator 1 auf, der von einem Gehäuse 2 umgeben ist und an seinem dem Brennraum abgewandten Ende Kontaktierungsmittel für eine Zündspule aufweist. Das Gehäuse 2 ist zweiteilig aufgebaut, umfasst einen vorderen Gehäuseteil 3 und einen hinteren Gehäuseteil 4, die über eine Schweißnaht 5 miteinander verbunden sind. Das Gehäuse 2 und der Isolator 1 sind hierbei im Keramik-Metall-Spannverbund ausgebildet. Das vordere Gehäuseteil 4 und das hintere Gehäuseteil 3 können aus Materialien mit unterschiedlichen thermischen Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehen, beispielsweise aus Stahl und aus einer Nickel-Eisen-Legierung, um einer Ausdehnung des Gehäuses 2 bei Erwärmung und dem damit einhergehenden Vorspannungsverlust des Keramik-Metall-Spannverbunds entgegenzuwirken. Das Gehäuse 2 wird von einer Kappe 6 mit Übertrittsöffnungen abgeschlossen, so dass eine Vorkammer 7 realisiert ist.
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Innerhalb der Vorkammer 7 ist eine Mittelelektrode 8 angeordnet, die über eine innerhalb des Isolators 1 verlaufende, hier nicht dargestellte Versorgungsleitung mit elektrischer Spannung beaufschlagbar ist. Die Mittelelektrode 8 ist in Form von Streifen mit jeweils bogenförmig gekrümmten Enden gebildet. Die Kappe 6 dient in diesem Ausführungsbeispiel als Massenelektrode und ist über eine Schweißnaht 9 an dem Gehäuse 2 festgelegt.
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An dem Gehäuse 2 ist ein Gewinde 10 zum Einschrauben in einen Zylinderkopf ausgebildet. Zwischen dem Isolator 1 und dem Gehäuse 2 sitzt eine Dichtung 11. In 2 ist eine Öffnung 12 in dem Gehäuse 2 zu erkennen, durch die das Füllmedium 13 einbringbar ist. Durch das Füllmedium 13 ist eine Wärmeableitzone 14 definiert, so dass Wärme von dem Isolator 1 und der Mittelelektrode 8 besonders effizient an das Gehäuse 2 abgeleitet werden kann. Dadurch wird eine zu starke Wärmebelastung der Mittelelektrode 8 und des Gehäuses 2 vermieden, so dass sich die Zündkerze durch eine hohe Lebensdauer auszeichnet.
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Die in den 3 und 4 dargestellte Zündkerze entspricht im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel gemäß den 1 und 2. Der Unterschied besteht darin, dass das Gehäuse 2 einteilig ausgebildet ist und einen umlaufenden Deformationsbereich 15 aufweist, um den Isolator 1 innerhalb des Gehäuses 2 zu verspannen. Auch hierbei ist eine Wärmeableitzone 14 durch ein zwischen dem Isolator 1 und dem Gehäuse 2 angeordnetes Füllmedium 13 gebildet.
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Die 5 und 6 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Zündkerze, an dem auch das erfindungsgemäße Verfahren ersichtlich ist. Diese weist ein einteiliges Gehäuse 2 auf, das den Isolator 2 umgibt und entspricht im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel der 3 und 4. Dabei ist zusätzlich eine Gehäuseverlängerung 16 über eine Schweißnaht 17 mit dem Gehäuse 2 verbunden. Innerhalb der Gehäuseverlängerung 15 verläuft eine Zündleitung 18. Der Bereich zwischen der Zündleitung 18 und der rohrförmigen Gehäuseverlängerung 16 ist mit einem elektrischen Isolationsmaterial 19, beispielsweise einem Silikongel, aufgefüllt. An dem dem Brennraum abgewandten Ende der Gehäuseverlängerung ist eine Durchführung für die Zündleitung 18 ausgebildet. Des Weiteren ist an der Gehäuseverlängerung 16 ein Angriffsmittel 20 für ein Werkzeug ausgebildet, so dass diese als Montagehilfe dienen kann. Bei dem Angriffsmittel 20 kann es sich beispielsweise um einen Sechskant handeln, so dass die Zündkerze mit einem damit passenden Werkzeug in den Zündraum einschraubbar ist.
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Wesentlich ist, dass zwischen dem Gehäuse 2 und dem Isolator 1 das Füllmedium 13 eingebracht ist, so dass die Wärmeableitzone 14 besteht. Zum Einfüllen des Füllmediums ist in dem Gehäuse 2 eine Öffnung 12 ausgebildet.
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Die 7 und 8 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel, dass im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel gemäß den 5 und 6 entspricht. Der Unterschied besteht darin, dass das Gehäuse 2 zweiteilig ausgebildet ist, wozu auf die Beschreibung der 1 und 2 verwiesen wird. Wie voranstehend bereits beschrieben, können das vordere Gehäuseteil 4 und das hintere Gehäuseteil 3 aus Materialen mit unterschiedlichem thermischen Ausdehnungskoeffizient bestehen, um einem Vorspannungsverlust des Keramik-Metall-Spannverbunds bei Erwärmung entgegenzuwirken.
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9 zeigt in einer schematischen Darstellung unterschiedliche Füllhöhen 21 des Füllmediums 13 in einer Zündkerze. Die Füllhöhe 21 wird dabei von der Dichtung 11 ab gemessen und kann so entsprechend den gewünschten Vorgaben der Zündkerze dimensioniert werden. Es ist somit deutlich, dass nicht zwangsweise der gesamte Bereich zwischen Isolator 1 und Gehäuse 2 mit dem Füllmedium 13 gefüllt sein muss.
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Auch wenn die gezeigten Ausführungsbeispiele Vorkammerzündkerzen darstellen, ist die erfindungsgemäße Lehre nicht auf Vorkammerzündkerzen beschränkt, sondern umfasst ausdrücklich auch Zündkerzen ohne Vorkammer 7.
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Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Zündkerze sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung sowie auf die beigefügten Ansprüche verwiesen.
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Schließlich sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Zündkerze sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens lediglich zur Erörterung der beanspruchten Lehre dienen, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele einschränken.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Isolator
- 2
- Gehäuse
- 3
- hinterer Gehäuseteil
- 4
- vorderer Gehäuseteil
- 5
- Schweißnaht
- 6
- Kappe
- 7
- Vorkammer
- 8
- Mittelelektrode
- 9
- Schweißnaht
- 10
- Gewinde
- 11
- Dichtung
- 12
- Öffnung
- 13
- Füllmedium
- 14
- Wärmeableitzone
- 15
- Deformationsbereich
- 16
- Gehäuseverlängerung
- 17
- Schweißnaht
- 18
- Zündleitung
- 19
- elektrisches Isolationsmaterial
- 20
- Angriffsmittel
- 21
- Füllhöhe
