DE102021213239A1

DE102021213239A1 - Zündkerze

Info

Publication number: DE102021213239A1
Application number: DE102021213239.1A
Authority: DE
Inventors: Sergej Subkow; Corinna Vonau
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-11-24
Filing date: 2021-11-24
Publication date: 2023-05-25
Also published as: WO2023094243A1

Abstract

Zündkerze (1) mit einer Längsachse, aufweisend• ein Gehäuse (2) mit einer brennraumseitigen Stirnseite (27),• einen mindestens teilweise innerhalb des Gehäuses (2) angeordneten Isolator (3),• eine mindestens teilweise innerhalb des Isolators (3) angeordnete Mittelelektrode (4) mit einem Elektrodenkörper und einem an dem brennraumseitigen Ende des Elektrodenkörpers angeordneten Zündelement (41), das als Zündfläche dient, wobei das Zündelement (41) eine zylindrische Form mit einer runden Grundfläche und einer Längsachse, die sich parallel zur Zündkerzen-Längsachse erstreckt, und• mindestens eine Masseelektrode (5) mit einer Zündfläche, die innerhalb des Gehäuse (2) am Gehäuse (2) angeordnet sind,• wobei die mindestens eine Masseelektrode (5) und die Mittelelektrode (4) so angeordnet sind, dass die mindestens eine Masseelektrode (5) mit der Mittelelektrode (4) einen Zündspalt (54) ausbildet, der sich radial zur Zündkerzen-Längsachse erstreckt,• wobei eine Breite des Zündspalts (54) durch einen Elektrodenabstand der Mittelelektrode (4) zu der mindestens einen Masseelektrode (5) gegeben ist,• wobei der Elektrodenabstand der Mittelelektrode (4) zu der mindestens einen Masseelektrode (5) nicht größer als 0,3 mm ist, und die Zündspalte (54) vollständig innerhalb des Gehäuses (2) ausgebildet sind, und• dass die Projektion (54a) der Zündfläche der mindestens einen Masseelektrode (5) in axialer Richtung vollständig auf das Zündelement (41) der Mittelelektrode (4) passt.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Zündkerze gemäß des Anspruchs 1. Insbesondere ist die erfindungsgemäße Zündkerze für die Anwendung bei einem mit Wasserstoff betriebenen Motor geeignet.
Bisher werden die meisten Fahrzeuge, wie z.B. PKW oder LKW, mit einem Verbrennungsmotor angetrieben, der Benzin oder Diesel als Treibstoff verwenden. Zunehmend gibt es mobile und stationäre Verbrennungsmotoren, die Erdgas oder Wasserstoff als Treibstoff benutzten. Dabei muss wie beim Benzin-betriebenen Verbrennungsmotor auch beim Wasserstoff-betriebenen Verbrennungsmotor das Luft-Kraftstoff-Gemisch fremdgezündet werden. Hierzu wird typischerweise eine Zündkerze eingesetzt.
Offenbarung der Erfindung
Bei Wasserstoff-betriebenen Verbrennungsmotoren wird in der Regel ein sehr mageres Luft-Kraftstoff-Gemisch (Lambda > 1,8) eingestellt, um die gesetzliche Emission-Vorgaben zu erfüllen. Gemeinsam mit dem niedrigen Gemisch-Heizwert von Wasserstoff ergeben sich dadurch höhere Ladungsdichten und entsprechend auch höhere Drücke zum Zündzeitpunkt. Entsprechend steigen die Anforderungen an die Robustheit der Zündkerzen-Elektroden. Eine weitere Besonderheit bei der Wasserstoffverbrennung in einem Verbrennungsmotor ist die geringe Zündenergie, die für eine Zündung benötigt wird.
Bisher bekannte Zündkerzen sind in der Regel auf den Betrieb in einem Benzin-betriebenen Verbrennungsmotor optimiert und sind somit nicht geeignet für die Anwendung bzw. liefern eine schlechte Performanz bei der Anwendung in Wasserstoff-betriebenen Verbrennungsmotoren.
Entsprechend ist es Aufgabe der Erfindung eine Zündkerze bereit zu stellen, die die Anforderungen an eine Zündkerze bei einer Anwendung in einem Wasserstoff-betriebenen Verbrennungsmotor erfüllt und Elektroden mit einer hohen Robustheit aufweist.
Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Zündkerze gelöst. Die erfindungsgemäße Zündkerze mit einer Längsachse weist ein Gehäuse mit einer brennraumseitigen Stirnseite und einen mindestens teilweise innerhalb des Gehäuses angeordneten Isolator sowie eine mindestens teilweise im Isolator angeordnete Mittelelektrode auf. Die Mittelelektrode hat einen Elektrodenkörper und ein an dem brennraumseitigen Ende des Elektrodenkörpers angeordnetes Zündelement, das als Zündfläche dient. Das Zündelement hat eine zylindrische Form mit einer runden Grundfläche und einer Längsachse die parallel zur Zündkerzen-Längsachse ausgerichtet ist. Die Zündkerze weist auch mindestens eine Masseelektrode auf, die innerhalb des Gehäuses am Gehäuse angeordnet ist, wobei die mindestens eine Masseelektrode und die Mittelelektrode so angeordnet sind, dass die mindestens eine Masseelektrode mit der Mittelelektrode einen Zündspalt ausbildet, der sich radial zur Zündkerzen-Längsachse erstreckt. Dabei ergibt sich eine Breite des Zündspalts durch einen Elektrodenabstand der Mittelelektrode zu der mindestens einen Masseelektrode, wobei der Elektrodenabstand der Mittelelektrode zu der mindestens einen Masseelektrode nicht größer als 0,3 mm ist, und die Zündspalte vollständig innerhalb des Gehäuses ausgebildet sind. Des Weiteren passt die Projektion der Zündfläche der mindestens einen Masseelektrode in axialer Richtung vollständig auf das Zündelement der Mittelelektrode. Mit anderen Worten überdeckt die Projektion des Mittelelektroden-Zündelements vollständig die Masseelektroden-Zündfläche in axialer Richtung.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Zündspalt einen Elektrodenabstand von nicht größer als 0,3 mm hat. Dies hat den Vorteil, dass weniger Spannung für eine Zündung benötigt wird und der Elektrodenabstandzuwachs über die Laufzeit der Zündkerze kleiner ausfällt. Da der Bauraum innerhalb des Gehäuses naturgemäß begrenzt ist, ergibt sich durch den kleinen Elektrodenabstand des Weiteren vorteilhaft die Möglichkeit die Elektroden und damit auch den Zündspalt innerhalb des Gehäuses anzuordnen. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die Elektroden nicht soweit in den Brennraum hineinragen und somit weniger Wärme aus dem Brennraum aufnehmen, wodurch der Verschleiß der Elektroden reduziert wird.
Durch die Überdeckung der Masseelektroden-Zündfläche durch die Projektion des Mittelelektroden-Zündelements in axialer Richtung ergibt sich der Vorteil, dass in axialer Richtung die Zündfläche der Masseelektrode gleichmäßig genutzt und abgenutzt wird.
Dadurch ergibt sich eine Reduzierung von lokalen Temperaturerhöhungen und dem damit verbundenen Verschleiß an den Elektroden. Entsprecht steigt die Robustheit der Elektroden und ihre Lebensdauer.
Durch die Verwendung von einem zylinderförmigen Zündelement mit einer runden Grundfläche bei der Mittelelektrode ergibt sich der Vorteil, dass lokale elektrische Feldüberhöhungen an Kanten vermieden werden, wodurch ein übermäßiger Verschleiß an den Kanten sowie lokale Aufschmelzung und die Bildung von Schmelzperlen an den Elektroden-Zündflächen verhindert wird. Dies führt dazu, dass die Robustheit sowie Lebensdauer der Elektroden sich erhöht.
Die Kombination der erfindungsgemäßen Merkmale ist somit besonders vorteilhaft, da sie sich gegenseitig bei ihren technischen Vorteilen ergänzen und verstärken.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung ist vorgesehen, dass das brennraumabgewandte Ende der Projektion der Zündfläche der mindestens einen Masseelektrode auf dem Zündelement der Mittelelektrode in axialer Richtung beabstandet von dem brennraumabgewandten Ende des Zündelements der Mittelelektrode ist, insbesondere dass der Abstand mindestens 5% und insbesondere maximal 50% der Länge des Zündelements beträgt. Die Länge des Mittelelektroden-Zündelements wird parallel zur Längsachse der Zündkerze gemessen. Das brennraumabgewandte Ende des Mittelelektroden-Zündelements ist beispielsweise das Ende des Zündelements, mit dem das Zündelement an dem Elektrodenkörper der Mittelelektrode angeordnet ist, insbesondere stoffschlüssig verbunden ist. Dabei zählt ein Bereich zwischen Zündelement und Elektrodenkörper der Mittelelektrode, der sich durch die stoffschlüssige Verbindung ergibt, nicht zum Zündelement dazu.
Durch den Abstand des brennraumabgewandten Endes der Masseelektroden-Zündflächen-Projektion auf das Mittelelektroden-Zündelement zu dem brennraumabgewandten Ende des Mittelelektroden-Zündelements ergibt sich der Vorteil, dass eine Befunkung einer Grenzfläche zwischen dem Zündelement und dem Elektrodenkörper der Mittelelektroden bzw. dem aus einer stoffschlüssige Verbindung resultierenden Bereich zwischen Zündelement und Elektrodenkörper der Mittelelektrode vermieden wird. Dies ist wichtig, da der Elektrodenkörper und der aus der stoffschlüssige Verbindung resultierenden Bereich zwischen Zündelement und Elektrodenkörper der Mittelelektrode in der Regel aus einem weniger robusten Material als das Zündelement sind und somit bei Befunkung wesentlich schneller verschleißen als das Zündelement. Eine Befunkung des Elektrodenkörpers und des aus der stoffschlüssigen Verbindung resultierenden Bereichs zwischen Zündelement und Elektrodenkörper wird sicher verhindert, wenn ein Abstand von mindestens 5% der Gesamtlänge des Zündelements eingehalten wird. Durch eine Begrenzung des Abstands von maximal 50% wird vermieden, dass das Zündelement zu lang ist. Dies wäre nachteilhaft, wenn beispielsweise das Zündelement aus einem teuren Material ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, dass die Projektion der Zündfläche der mindestens einen Masseelektrode in senkrechter Richtung zur Zündkerzen-Längsachse vollständig auf das Zündelement der Mittelelektrode passt. Mit anderen Worten die Projektion des Mittelelektroden-Zündelements überdeckt die Zündfläche der Masseelektrode auch vollständig in der Richtung senkrecht zur Längsachse der Zündkerze.
Durch die Überdeckung der Masseelektroden-Zündfläche durch die Projektion des Mittelelektroden-Zündelements in senkrechter Richtung zur Zündkerzen-Längsachse ergibt sich der Vorteil, dass auch in zur Längsachse der Zündkerze senkrechter Richtung die Zündfläche der Masseelektrode gleichmäßig genutzt und abgenutzt wird. Dadurch ergibt sich eine Reduzierung von lokalen Temperaturerhöhungen und dem damit verbundenen Verschleiß an den Elektroden. Entsprecht steigt die Robustheit der Elektroden und ihrer Lebensdauer.
Bei einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Zündkerze ist vorgesehen, dass die der Mitteleelektrode zugewandte Zündfläche der mindestens einen Masseelektrode eine plane Oberfläche ist. Dies hat den Vorteil, dass die Elektroden einfach zu fertigen und einfach zu einander auszurichten sind.
Bei einer anderen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Zündkerze ist vorgesehen, dass die der Mittelelektrode zugewandte Zündfläche der mindestens einen Masseelektrode konkave ist, insbesondere eine zu Mittelelektroden-Zündelement komplementäre Kontur, insbesondere mit abgerundeten Kanten, aufweist. Dadurch ergibt sich vorteilhaft, dass die Mittelelektrode und die mindestens eine Masseelektrode zu einander einen sehr gleichmäßigen Elektrodenabstand in zur Längsachse der Zündkerze axialer und senkrechter Richtung haben, wodurch die Elektroden sehr gleichmäßig über ihre gesamten Zündflächen abgenutzt werden. Dies entspricht eine Erhöhung der Elektroden-Robustheit und entsprechend der Zündkerzen-Lebensdauer.
Vorteilhafterweise ist beispielsweise der Elektrodenabstand nicht größer als 0,2 mm, insbesondere nicht größer als 0,15 mm. Je kleiner der Elektrodenabstand umso geringer ist der Spannungsbedarf für die Erzeugung eines Zündfunkens.
Es ist auch vorteilhaft, dass der Elektrodenabstand mindestens 0,05 mm ist, insbesondere nicht kleiner als 0,1 mm ist. Damit ergibt sich, dass der Elektrodenabstand nicht zu klein ist. Ein sehr kleiner Elektrodenabstand stellt besondere Herausforderungen an die Genauigkeit bei der Zündkerzen-Produktion. Eine Abweichung von der möglichst parallelen Ausrichtung der Elektroden-Zündflächen hat bei einem kleinen Elektrodenabstand größere Auswirkung, wie beispielsweise einen ungleichmäßigen Verschleiß der Zündfläche, als bei einem größeren Elektrodenabstand. Die Untergrenze für den Elektrodenabstand ist somit ein guter Kompromiss für einerseits einen kleinen Elektrodenabstand zur Reduzierung des Zündspannungsbedarfes und des Verschleißes und anderseits einen vertretbaren Aufwand für eine gleichmäßige gute Qualität der Ausrichtung der Zündflächen zueinander bei der Zündkerzen-Produktion.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Zündkerze hat der Zündspalt einen Abstand zur brennraumseitigen Stirnseite des Gehäuses von mindestens 0 mm und maximal -15 mm, insbesondere von nicht kleiner als -1 mm und/oder nicht größer als -4 mm. Dabei ist eine von der brennraumseitigen Stirnseite des Gehäuses aufgespannte Ebene senkrecht zur Längsachse der Zündkerze eine Referenzebene mit dem Wert 0 mm. Der Abstand von der Referenzebene nimmt in Richtung des brennraumabgewandten Endes der Zündkerze einen zunehmend negativen Wert und in Richtung Brennraum einen zunehmenden positiven Wert an.
Der Zündspalt ist das Volumen zwischen der Masseelektrode und der Mittelelektrode, dass sich zwischen den sich überdeckenden Projektionen der sich gegenüberstehenden Zündflächen der Elektroden aufeinander ergibt. D.h. die Zündfläche der Mittelelektrode wird auf die Zündfläche Masseelektrode projiziert und umgekehrt. Das Volumen, das beide Projektionen überstreichen, ist das Volumen des Zündspalts. Dabei ist das Volumen in einer Dimension durch die Zündflächen begrenzt und in den anderen Dimensionen durch die projizierte Überdeckung der Zündflächen aufeinander begrenzt. Der Abstand wird vom brennraumseitigen Ende des Zündspalts zur brennraumseitigen Stirnseite des Gehäuses gemessen.
Das Merkmal, dass der Abstand des Zündspalts zur brennraumseitigen Stirnseite des Gehäuses mindestens 0 mm ist, bedeutet, dass der Zündspalt vollständig innerhalb des Gehäuses angeordnet ist, sprich die Zündkerze hat eine neutrale bzw. eine negative Funkenlage. Dies hat den Vorteil, dass die Elektroden möglichst weit aus dem Brennraum herausgezogen sind und somit möglichst wenig Wärme aus den im Brennraum stattfindenden Verbrennungsprozessen aufnehmen. Dadurch wird der Verschleiß der Elektroden reduziert.
Eine vorteilhafte Maßnahme für eine möglichst kalte Zündkerze ist es den Isolatorfuß möglichst kurz auszulegen. Der Isolatorfuß erstreckt sich vom brennraumseitigen Ende des Isolators bis zum Isolator-Sitz, mit dem der Isolator auf dem Gehäuse aufliegt. Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, dass der Isolatorfuß eine Länge hat, die nicht länger als 7 mm ist, insbesondere nicht länger als 4 mm ist. Dabei wird die Länge des Isolatorfußes parallel zu Längsachse der Zündkerze gemessen.
Je kürzer der Isolatorfuß ist umso weniger ragt er in den Atmungsraum der Zündkerze. Der Atmungsraum der Zündkerze ist mit dem im Brennraum vorhandenen Gas-Gemisch gefüllt. Je weniger der Isolatorfuß in den Atmungsraum ragt umso weniger Kontaktfläche hat der Isolatorfuß mit dem heißen Gas-Gemisch und kann entsprecht weniger Wärme vom Gas-Gemisch aufnehmen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ragt die Mittelelektrode aus dem Isolator heraus. Dabei hat die Mittelelektrode ein Vorstehmaß, das von der brennraumseitigen Stirnfläche des Isolators bis zu einem brennraumseitigen Ende der Mittelelektrode gemessen wird. Das Vorstehmaß der Mittelelektrode ist nicht größer als 6,0 mm, insbesondere nicht größer als 4,0 mm, und insbesondere nicht kleiner ist als 0,5 mm, vorzugsweise nicht kleiner als 1,1 mm.
Die Begrenzung des Vorstehmaßes auf eine maximale Länge von 6,0 mm hat den Vorteil, dass die Mittelelektrode nicht zu weit in den Atmungsraum ragt und somit nicht so viel Wärme von dem Gas-Gemisch im Atmungsraum aufnehmen kann, so dass die Zündkerze einen kleinen Wärmewert hat. Der Vorteil von der minimalen Länge des Vorstehmaßes ist, dass bei einer Mindestlänge von 0,5 mm, der Abstand zur brennraumseitigen Stirnfläche des Isolators groß genug ist, um bei seitlich radialer Einstellung der Masseelektroden in Bezug auf die Mittelelektrode die Gleitfunken entlang des Isolators auszuschließen.
Die Zündkerze weist einen Atmungsraum auf, der sich von der brennraumseitigen Stirnseite des Gehäuses bis zur Isolatorfußkehle innerhalb des Gehäuses erstreckt, wobei die Mittelelektrode und der Isolatorfuß innerhalb des Atmungsraums und die mindestens eine Masseelektrode mindestens teilweise, insbesondere vollständig, innerhalb des Atmungsraums angeordnet sind. Insbesondere steht der Atmungsraum in der durch die Gehäuse-Stirnseite senkrecht zur Längsachse der Zündkerze aufgespannte Ebene mit einem Brennraum im Kontakt, wenn die Zündkerze in einem Verbrennungsmotor eingebaut ist. Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass der Atmungsraum ein Volumen von nicht größer als 500 mm³, insbesondere von nicht größer als 300 mm³, und insbesondere nicht kleiner als 50 mm³. Bei der Berechnung des Volumens wird das Volumen der Elektroden und des Isolators nicht mitgerechnet.
Durch die Begrenzung des Atmungsraum-Volumens ergibt sich der Vorteil, dass der Atmungsraum nicht zu groß ist und somit sich gut mit einem frischen Gas-Gemisch spülen lässt, damit sich nicht zu viel durch die Zündung verbrauchtes Gas-Gemisch im Atmungsraum ansammelt. Einerseits werden dadurch die Ablagerung von bei einer Verbrennung entstandene Partikel, wie Ruß, vermieden und andererseits hat ein frisches Gas-Gemisch eine geringere Temperatur als ein verbrauchtes Gas-Gemisch, damit wird der Wärmeeintrag in die Zündkerze über den Atmungsraum reduziert.
Bei einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Zündkerze mindestens zwei Masseelektroden aufweist, die jeweils einen Zündspalt mit der Mittelelektrode ausbilden, wobei die mehreren Masseelektrode in Bezug auf die Mittelelektrode gleich oder unterschiedlich angeordnet sind, d.h. die Zündspalte können gleich oder unterschiedlich sein, aber bevorzugt erfüllen alle Zündspalte die hier aufgeführten vorteilhaften Merkmale, wie Position in Relation zur brennraumseitigen Stirnseite des Gehäuses und Elektrodenabstand.
Dadurch, dass die Zündkerze mehrere Masseelektroden hat, kann der Verschleiß der Zündfläche auf mehrere Masseelektroden verteilt werden und die Zündfläche der einzelnen Masseelektrode benötigt nicht so viel Volumen aus einem verschleißresistenten Material wie bei einer einzigen Masseelektrode. Die Lebensdauer der Zündkerze wird erhöht.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die mindestens zwei Masseelektroden symmetrisch an der Innenseite des Gehäuses angeordnet. Dabei ist die Längsachse der Zündkerze die Symmetrieachse bei der Anordnung der Masseelektroden. Aufgrund der symmetrischen Anordnung der Masseelektroden ergibt sich der technische Effekt, dass die Strömung des Kraftstoff-Luft-Gemisches innerhalb des Atmungsraum sehr gleichmäßig erfolgt, wodurch eine gute Entflammung und eine gute Entflammungsstabilität des Kraftstoff-Luft-Gemisches in der Zündkerze weiter begünstigt wird.
Bei einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung können die mehreren Masseelektroden auch asymmetrische an der Innenseite des Gehäuses angeordnet sein. Beispielsweise ist eine asymmetrische Anordnung der mehreren Masseelektroden in der Zündkerze vorteilhaft, wenn die Zündkerze im Zylinder dezentral zur Zylinderachse angeordnet ist.
Beispielsweise weist vorteilhafterweise die mindestens eine Masseelektrode und/oder die Mittelelektrode je ein Zündelement aus einem anderen Material als die restliche Elektrode auf, die mit der gegenüberliegenden Elektrode den Zündspalt bilden, und dass das/die Zündelement(e) aus einem Edelmetall oder einer Edelmetalllegierung besteht, insbesondere aus Pt, Ir, Rh, Pd, Re, Au oder einer Legierung daraus. Besonders vorteilhaft ist hier eine Legierung mit einem hohen Ir-Anteil, sprich Ir ist das Element mit dem höchsten Einzelanteil in der Legierung. Diese Elemente bzw. Legierung mit diesen Elementen sind besonders verschleißresistent.
Vorteilhafterweise weist das Zündelement für die Masseelektrode und/oder die Mittelelektrode abgerundete oder gefaste Kanten auf. Der Abrundungsradius r bei einem Zündelement mit abgerundeten Kanten liegt bei d/10 ≤ r ≤ d/2, wobei d der Zylinderdurchmesser des Zündelements ist. Beim Zündelement mit gefasten Kanten hat die Fase eine Breite b und eine Höhe h, wobei gilt d/10 ≤ b ≤ d/2 und/oder d/10 ≤ h ≤ d/2 mit dem Zylinderdurchmesser d des Zündelements.
Die erfindungsgemäße Zündkerze und ihre Weiterentwicklung ist beispielsweise eine Wasserstoff-Zündkerze, die dazu eingerichtet ist in einem mit Wasserstoff enthaltenden Kraftstoff betriebenen Motor eingesetzt zu werden und das zündfähige Wasserstoff enthaltende Kraftstoff-Luft-Gemisch zu zünden. Der Kraftstoff kann bis zu 100% Wasserstoff enthalten, sprich der Kraftstoff kann nur Wasserstoff oder eine Wasserstoff-Gas-Gemisch sein.
Allerdings ist die erfindungsgemäße Zündkerze nicht auf den Betrieb mit Wasserstoff beschränkt. Die erfindungsgemäße Zündkerze kann auch für Erdgas- oder Benzin-Verbrennungsmotoren verwendet werden.
Figurenliste

1 zeigt eine erfindungsgemäße Zündkerze
2 zeigt ein erstes Beispiel für die Elektroden der erfindungsgemäßen Zündkerze
3 zeigt ein zweites Beispiel für die Elektroden der erfindungsgemäßen Zündkerze

Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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 eine Bohrung auf. Das Gehäuse 2 hat eine Außenseite 24 und eine Innenseite 23. Die Längsachse des Gehäuses 2, die Längsachse des Isolators 3 und die Längsachse x 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 zur elektrischen Kontaktierung der Zündkerze, über diese wird die Zündkerze 1 mit einer Spannungsquelle elektrisch kontaktiert. Die elektrische Kontaktierung bildet das Brennraum-abgewandte Ende der Zündkerze 1. Die elektrische Kontaktierung kann einstückig, wie in diesem Beispiel, oder auch aus mehreren Komponenten ausgebildet sein.
Der Isolator 3 wird typischerweise in drei Bereich unterteilt: Isolatorfuß 31, Isolatorkörper und Isolatorkopf. Die drei Bereiche unterscheiden sich beispielsweise durch unterschiedliche Durchmesser. Der Isolatorfuß 31 ist das Brennraum-zugewandte Ende des Isolators 3. Innerhalb des Isolatorfußes 31 ist die Mittelelektrode 4 angeordnet. Der Isolatorfuß 31 ist hier vollständig innerhalb des Gehäuses 2 angeordnet. In der Regel hat der Isolatorfuß 31 den kleinsten Außendurchmesser am Isolator 3. Der Isolatorfuß hat hier eine Länge von maximal 7 mm.
Angrenzend an den Isolatorfuß 31 ist der Isolatorkörper angeordnet, der in der Regel vollständig vom Gehäuse 2 umfasst ist. Der Isolatorkörper hat einen größeren Außendurchmesser als der Isolatorfuß 31. Der Übergang zwischen Isolatorfuß 31 und Isolatorkörper ist als Schulter, dem sogenannten Isolatorsitz 35, ausgebildet. Der Übergang zwischen Isolatorsitz 35 und Isolatorfuß 31 wird als Isolatorfußkehle bezeichnet.
Der Isolatorkopf grenzt am Brennraum-abgewandten Ende des Isolatorkörpers an und bildet das Brennraum-abgewandte Ende des Isolators 3. Der Isolatorkopf ragt aus dem Gehäuse 2 heraus. Der Außendurchmesser des Isolatorkopfs liegt zwischen den Außendurchmessern von Isolatorfuß 31 und Isolatorkörper, wobei die Bereiche typischerweise über ihre Länge keinen konstanten Außendurchmesser haben, sondern der Außendurchmesser variieren kann.
Das Gehäuse 2 weist an seiner Innenseite einen Sitz 25 auf. Der Isolator liegt mit seiner Schulter bzw. Isolatorsitz 35 auf dem Gehäuse-Sitz 25 auf. Zwischen dem Isolatorsitz 35 und dem Gehäuse-Sitz 25 ist eine Innendichtung 10 angeordnet.
Zwischen der Mittelelektrode 4 und dem Anschlussbolzen 8 zur elektrischen Kontaktierung der Zündkerze befindet sich im Isolator 3 ein Widerstandselement 7. Das Widerstandselement 7 verbindet die Mittelelektrode 4 elektrisch leitend mit dem Anschlussbolzen 8. Das Widerstandselement 7 ist beispielsweise als Schichtsystem aus einer ersten Kontaktschicht 7a, einer Widerstandsschicht 7b und einer zweiten Kontaktschicht 7a aufgebaut. Die Schichten des Widerstandselements unterscheiden sich durch ihre Materialzusammensetzung und dem daraus resultierenden elektrischen Widerstand. Die erste Kontaktschicht 7a und die zweite Kontaktschicht 7a können einen unterschiedlichen oder einen gleichen elektrischen Widerstand aufweisen.
An der Innenseite 23 des Gehäuses 2 sind in diesem Beispiel zwei Masseelektroden 5 in jeweils einer Bohrung 52 angeordnet, so dass die Masseelektroden 5 radial von der Gehäuse-Innenseite 23 in die Bohrung entlang der Längsachse X des Gehäuses 2 hineinragen. Die Masseelektroden 5 und die Mittelelektrode 4 bilden zusammen jeweils einen Zündspalt 54 aus. Der jeweilige Zündspalt zwischen der Mittelelektrode und der jeweiligen Masseelektrode erstreckt sich radial zur Längsachse x. Die Breite des jeweiligen Zündspalts 54 ist der Elektrodenabstand und liegt im Bereich von 0,05 mm bis 0,3 mm. Die Bohrungen 52 erstrecken sich von der Außenseite 24 durch die Gehäusewand bis zur Innenseite 23 des Gehäuses 2.
Alternativ kann die Zündkerze 1 auch mehr als nur eine oder mehr als zwei Masseelektroden 5 aufweisen.
Es gibt in diesem Beispiel gemäß 1 jeweils eine Zündspalt 54 zwischen der Mittelelektrode 4 und den zwei Masseelektroden 5. Dabei überdeckt die Projektion des Zündelements 41 der Mittelelektrode 4 jeweils die Zündfläche der jeweiligen Masseelektrode 5 vollständig in axialer Richtung, und insbesondere auch in Richtung senkrecht zur Zündkerzen-Längsachse. Das brennraumseitige Ende des Zündspalts liegt in einer Ebene senkrecht zur Längsachse x mit dem brennraumseitigen Ende der Zündfläche der Masseelektrode 5. Der Abstand 81a des Zündspalts zur von der brennraumseitigen Stirnseite 27 des Gehäuses 2 senkrecht zur Längsachse x aufgespannte Ebene ist hier größer als 0 und gleich oder kleiner als -15 mm.
Die Mittelelektrode 4 ragt aus dem Isolatorfuß 31 heraus und hat ein Vorstehmaß von mindesten 0,5 mm bis maximal 6,0 mm.
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 einen Motor.
Die Bohrungen 52 in der Gehäusewand sind im Bereich des Gewindes 22 ausgebildet. Dabei kann die Bohrung 52 für die Masseelektroden 5 und damit auch die Masseelektroden 5 auf jeder beliebigen Höhe im Bereich des Gewindes 22 angeordnet sein. Je nach der Position der Masseelektroden 5 im Bereich des Gewindes 22 ragt entsprechend die Mittelelektrode 4 und mit ihr auch der Isolatorfuß 31 mehr oder weniger weit in den Atmungsraum 81 hinein. Je nach gewünschten Verwendungszweck der Zündkerze 1 kann die Position der Bohrungen im Bereich des Gewindes 22 und der Masseelektroden 5 auf der Innenseite 23 des Gehäuses 2 gewählt werden.
Die Bohrungen 52 sind beispielsweise in jeweils einer Vertiefung 510, wie beispielsweise eine konische oder eine runde Nut, angeordnet. Dabei ist der Außendurchmesser des Gehäuses 2 in den Vertiefungen kleiner als der Kerndurchmesser des Gewindes 22.
Die Vertiefungen 510 können beispielsweise durch ein Stanzen des Gehäuses 2 bei der Herstellung der Zündkerze 1 entstehen. Dabei wird nicht nur der Außendurchmesser des Gehäuses 2 im Bereich der Vertiefungen 510 reduziert, sondern auch der Innendurchmesser des Gehäuses 2 im Bereich der Vertiefungen 510, so dass innerhalb des Gehäuses ein Vorsprung 26 je Vertiefung 510 entsteht.
Innerhalb des Gehäuses 2 gibt es einen Atmungsraum 81 mit einem Volumen. Der Atmungsraum 81 erstreckt sich von der brennraumseitigen Stirnseite 27 des Gehäuses bis ins Gehäuse 2 hinein und innerhalb des Gehäuses 2 bis zur Isolatorfußkehle, die an dem Isolatorsitz 35 angrenzt, der auf dem Gehäusesitz 25 aufliegt. Der Zwischenraum zwischen Gehäuse 2 und Isolator 3 ist an dieser Stelle mittels einer Innendichtung 10 gasdicht abgedichtet. Das Volumen der Masseelektroden 5, der Mittelelektrode 4 und des Isolatorfußes 31 werden bei der Berechnung des Atmungsraumvolumens abgezogen. Das Volumen des Atmungsraums 81 beträgt maximal 500 mm³.
Das Gehäuse 2 oder die Bohrungen 52 für die Masseelektroden 5 können von der Herstellung Rillen oder Riefen aufweisen, wodurch sich eine Oberflächenrauigkeit ergibt. Die Rillen und Riefen entstehen beispielsweise, wenn die Bohrungen am bzw. im Gehäuse 2 durch ein Drehprozess bearbeitet wird, bei dem Material vom Gehäuse 2 abgetragen wird.
2 zeigt ein erstes Beispiel für die Anordnung der Elektroden 4, 5 der erfindungsgemäßen Zündkerze 1. In der oberen Hälfte ist eine Draufsicht auf die Elektroden aus Richtung eines Brennraums und in der unteren Hälfte ist eine geschnittene Seitenansicht der Elektroden-Anordnung dargestellt.
Die Mittelelektrode 4 hat einen Elektrodenkörper und an dessen brennraumseitigen Ende ein Zündelement 41. Das Zündelement 41 ist beispielsweise mittels einer stoffschlüssigen Verbindung wie Schweißen mit dem Elektrodenkörper verbunden. Das Zündelement 41 ist zylinderförmig mit runder Grundfläche. Das Zündelement 41 hat eine Längsachse senkrecht zu seinen runden Grundflächen, wobei sich die Längsachse parallel zur Längsachse x der Zündkerze 1 erstreckt.
In diesem Beispiel sind zwei Masseelektroden 5 gezeigt. Es können aber auch mehr oder weniger sein. Im Folgenden wird sich bei der Beschreibung der Figur der einfachheitshalber auf eine Masseelektrode bezogen. Die Ausführungen gelten für beide Masseelektroden.
Die Masseelektrode 5 ist innerhalb des Gehäuses am Gehäuse 2 angeordnet und bildet eine Seitenelektrode in Bezug auf die Mittelelektrode 4. Entsprecht bildet sich ein radialer Zündspalt 54. Der Zündspalt 54 wird durch das Zündelement 41 der Mittelelektrode 4 und der Zündfläche der Masseelektrode 5 begrenzt. In diesem Beispiel weist die Masseelektrode 5 auch ein Zündelement 51 auf, dass die Zündfläche bildet. Das Zündelement 51 der Masseelektrode 5 hat in Richtung der Mittelelektrode 4 eine plane Oberfläche und entsprechend eine plane Zündfläche. Der Elektrodenabstand ist hier der kleinste Abstand zwischen den Zündflächen der beiden Elektroden 4, 5. Die Projektion 54a der Zündfläche der Masseelektrode 5 passt in axialer Richtung und in zur Zündkerzen-Längsachse x senkrechter Richtung auf das Zündelement 41 der Mittelelektrode 4. Mit anderen Worten die Projektion des Mittelelektroden-Zündelements 41 überdeckt in axialer und senkrechter Richtung die Zündfläche der Masseelektrode 5 vollständig. Dabei hat das brennraumabgewandte Ende der Projektion 54a der Masseelektroden-Zündfläche einen Abstand 45 von dem Elektrodenkörper der Mittelelektrode 4 bzw. dem Verbindungsbereich zwischen Elektrodenkörper und Zündelement 41 der Mittelelektrode 4.
3 zeigt ein zweites Beispiel für die Anordnung der Elektroden 4, 5 der erfindungsgemäßen Zündkerze 1. In der oberen Hälfte ist eine Draufsicht auf die Elektroden 4, 5 aus Richtung eines Brennraums und in der unteren Hälfte ist eine geschnittene Seitenansicht der Elektroden-Anordnung dargestellt.
Dieses Beispiel unterscheidet sich vom ersten Beispiel in 2 nur durch die Ausgestaltung des Zündelementes 51 der Masseelektrode 5. Dies ist besonders gut in der Draufsicht zu sehen. Das Zündelement 51 der Masseelektrode 5 hat keine plane Oberfläche, sondern eine konkave Oberfläche. Dabei ist die Kontur der konkaven Oberfläche komplementär zu dem Mittelelektroden-Zündelement 41 ausgebildet. Dadurch ergibt sich, dass der Elektrodenabstand in axialer und zur Zündkerzen-Längsachse senkrechter Richtung konstant ist und somit die Elektroden 4, 5 gleichmäßig verschleißt werden.

Claims

Zündkerze (1) mit einer Längsachse x, aufweisend • ein Gehäuse (2) mit einer brennraumseitigen Stirnseite (27), • einen mindestens teilweise innerhalb des Gehäuses (2) angeordneten Isolator (3), • eine mindestens teilweise innerhalb des Isolators (3) angeordnete Mittelelektrode (4) mit einem Elektrodenkörper und einem an dem brennraumseitigen Ende des Elektrodenkörpers angeordneten Zündelement (41), das als Zündfläche dient, wobei das Zündelement (41) eine zylindrische Form mit einer runden Grundfläche und einer Längsachse, die sich parallel zur Zündkerzen-Längsachse x erstreckt, und • mindestens eine Masseelektrode (5) mit einer Zündfläche, die innerhalb des Gehäuses (2) am Gehäuse (2) angeordnet sind, • wobei die mindestens eine Masseelektrode (5) und die Mittelelektrode (4) so angeordnet sind, dass die mindestens eine Masseelektrode (5) mit der Mittelelektrode (4) einen Zündspalt (54) ausbildet, der sich radial zur Zündkerzen-Längsachse x erstreckt, • wobei eine Breite des Zündspalts (54) durch einen Elektrodenabstand der Mittelelektrode (4) zu der mindestens einen Masseelektrode (5) gegeben ist, • wobei der Elektrodenabstand der Mittelelektrode (4) zu der mindestens einen Masseelektrode (5) nicht größer als 0,3 mm ist, und die Zündspalte (54) vollständig innerhalb des Gehäuses (2) ausgebildet sind, und • dass die Projektion (54a) der Zündfläche der mindestens einen Masseelektrode (5) in axialer Richtung vollständig auf das Zündelement (41) der Mittelelektrode (4) passt.
Zündkerze (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das brennraumabgewandte Ende der Projektion (54a) der Zündfläche der mindestens einen Masseelektrode (5) auf dem Zündelement (41) der Mittelelektrode (4) in axialer Richtung beabstandet von dem brennraumabgewandten Ende des Zündelements (41) der Mittelelektrode (4) ist, insbesondere dass der Abstand (45) mindestens 5% der Länge des Zündelements (41) beträgt.
Zündkerze (1) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektion (54a) der Zündfläche der mindestens einen Masseelektrode (5) in senkrechter Richtung zur Zündkerzen-Längsachse x vollständig auf das Zündelement (41) der Mittelelektrode (4) passt.
Zündkerze (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die der Mitteleelektrode (4) zugewandte Zündfläche der mindestens einen Masseelektrode (5) eine plane Oberfläche ist.
Zündkerze (1) nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die der Mittelelektrode (4) zugewandte Zündfläche der mindestens einen Masseelektrode (5) konkave ist, insbesondere eine zu Mittelelektroden-Zündelement (41) komplementäre Kontur aufweist.
Zündkerze (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrodenabstand nicht größer als 0,2 mm, insbesondere nicht größer als 0,15 mm ist, und/oder dass der Elektrodenabstand mindestens 0,05 mm ist, insbesondere nicht kleiner als 0,1 mm ist.
Zündkerze (1) nach einem der vorherigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der Zündspalt (54) einen Abstand (81a) zur brennraumseitigen Stirnseite (27) des Gehäuses (2) von größer 0 mm und maximal -15 mm, insbesondere von nicht kleiner als -1 mm und/oder nicht größer als -4 mm, wobei eine von der brennraumseitigen Stirnseite (27) des Gehäuses (2) aufgespannte Ebene senkrecht zur Längsachse x der Zündkerze (1) eine Referenzebene mit dem Wert 0 mm ist und der Abstand (81a) von der Referenzebene in Richtung des brennraumabgewandten Endes der Zündkerze (1) einen zunehmend negativen Wert annimmt.
Zündkerze (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündkerze (1) eine mindestens zwei Masseelektroden (5) aufweist, die jeweils einen Zündspalt (54) mit der Mittelelektrode (4) ausbilden, wobei insbesondere die Masseelektroden (5) symmetrisch um die Mittelelektrode (4) herum angeordnet sind.
Zündkerze (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Masseelektrode (5) und/oder die Mittelelektrode (4) je eine Zündelement (41, 51) aufweisen, die mit der gegenüberliegenden Elektrode (4, 5) bzw. mit deren Zündelement den Zündspalt (54) bilden, und dass das/die Zündelement(e) (41, 51) aus einem Edelmetall oder einer Edelmetalllegierung besteht, insbesondere aus Pt, Ir, Rh, Pd, Re, Au oder einer Legierung daraus.
Zündkerze (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Masseelektrode (5) und/oder die Mittelelektrode (4) je eine Zündelement (41, 51) aufweisen, wobei das Zündelement abgerundete oder gefaste Kanten hat.
Zündkerze (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündkerze (1) eine Wasserstoff-Zündkerze ist, die dazu eingerichtet ist in einem mit Wasserstoff betriebenen Motor eingesetzt zu werden und das zündfähige Wasserstoff enthaltende Kraftstoff-Luft-Gemisch zu zünden.