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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Zündkerze gemäß dem Anspruch 1.
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Bei vielen der heute verwendeten Zündkerzen ist die Masseelektrode an der brennraumseitigen Stirnseite des Gehäuses angeordnet und der Zündspalt ist außerhalb des Gehäuses ausgebildet. Häufig ragt auch die Mittelelektrode aus dem Gehäuse raus und in den Brennraum hinein. Dadurch können die Elektroden und der Isolator viel Wärme aus dem Brennraum aufnehmen. Des Weiteren ist in der Regel der Atmungsraum, der sich zwischen dem Gehäuse und dem Isolator mit der Mittelelektrode erstreckt, zylindrisch ausgestaltet und spielt bei Zündkerzen, deren Zündspalt außerhalb des Gehäuses ausgebildet ist, eine untergeordnete Rolle.
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Diese Zündkerzen sind auf die Verwendung in Benzin-betriebenen Verbrennungsmotoren optimiert.
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Offenbarung der Erfindung
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Zunehmend wird geplant Wasserstoff als Kraftstoff im Verbrennungsmotor einzusetzen, wodurch sich neue Herausforderungen bei der Konstruktion und Gestaltung der Zündkerze ergeben. Wasserstoff verbrennt sehr schnell, so dass zu einem späteren Zeitpunkt und bei höherem Brennraumdruck als bei anderen Kraftstoffen gezündet wird. Dabei entstehen hohe Temperaturen im Brennraum.
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Zusätzlich neigt Wasserstoffen bereits bei vergleichsweisen niedrigen Temperaturen zur Selbstentflammung. Um diese Selbstentflammung zu vermeiden, müssen alle Bauteile der Zündkerze möglichst kalt sein.
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Es ist Aufgabe der Erfindung eine Zündkerze bereit zu stellen, die eine niedrige Bauteiltemperatur hat.
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Diese Aufgabe wird bei der erfindungsgemäßen Zündkerze der eingangs genannter Art dadurch gelöst, dass das Gehäuse an seinem brennraumseitigen Ende einen ersten Innendurchmesser D1 und innerhalb des Gehäuses in der Ebene E1 einen zweiten Innendurchmesser D2 hat, wobei der erste Innendurchmesser D1 größer ist als der zweite Innendurchmesser D2, so dass ein innerhalb des Gehäuses ausgebildeter Atmungsraum sich von seinem brennraumseitigen Ende zu seinem brennraumabgewandten Ende hin verjüngt.
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Die erfindungsgemäße Zündkerze mit einer Längsachse weist ein Gehäuse mit einer Längsbohrung, wodurch das Gehäuse eine Gehäusewand mit einer Innenseite hat, einen innerhalb des Gehäuses angeordneten Isolator mit einer brennraumseitigen Isolatorspitze, die bündig mit einer sich senkrecht zur Längsachse erstreckenden Ebene E1 ist, eine mindestens teilweise innerhalb des Isolators angeordnete Mittelelektrode, und eine innerhalb des Gehäuses angeordnete Masseelektrode auf, wobei die Masseelektrode und die Mittelelektrode so angeordnet sind, dass diese einen Zündspalt ausbilden und der Zündspalt innerhalb des Gehäuses ausgebildet ist.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Gehäuse an seinem brennraumseitigen Ende einen ersten Innendurchmesser D1 und innerhalb des Gehäuses in der Ebene E1 einen zweiten Innendurchmesser D2 hat, wobei der erste Innendurchmesser D1 größer ist als der zweite Innendurchmesser D2, so dass ein innerhalb des Gehäuses ausgebildeter Atmungsraum sich von seinem brennraumseitigen Ende zu seinem brennraumabgewandten Ende hin verjüngt. Der Atmungsraum ist der Raum innerhalb des Zündkerzengehäuses und wird durch die Gehäusewand und dem Isolator begrenzt. Dabei wird der Bereich des Atmungsraums von dessen brennraumabgewandten Ende bis zum Zündspalt als Totraum bezeichnet, da das Kraftstoff-Luft-Gemisch in dieses Gebiet schlecht ein- und ausströmen kann. Durch die Verjüngung des Atmungsraums wird der Totraum reduziert und es befindet sich weniger vom Kraftstoff-Luft-Gemisch im Bereich des Isolators und der Elektroden, dadurch wird nach der Zündung weniger Wärmeenergie durch Konvektion und Strahlung auf die Elektroden, den Isolator und das Gehäuse eingetragen. Das Gehäusevolumen wird zusätzlich vergrößert und führt zu weiterer Temperaturreduzierung im Atmungsraum und bei den Bauteilen. Die dadurch resultierende geringere Temperaturbelastung reduziert den Verschleiß der Elektroden und das Risiko von Vorentflammung oder Glühzündung. Des Weiteren ergibt sich die Möglich die Form des Atmungsraums so zu gestalten, dass die Strömung des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Atmungsraum entsprechend gelenkt wird.
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Die Anordnung der Elektroden innerhalb des Gehäuses haben den weiteren Vorteil, dass der Isolator, die Masseelektrode und die Mittelelektrode kürzer ausgebildet werden können. Dadurch ragen diese weniger weit in den Brennraum hinein. Einerseits nehmen die Bauteile weniger Wärme aus dem Brennraum auf und andererseits ist die Wärmeabfuhr aus den Bauteilen über das Gehäuse in einen Zylinderkopf, in den die erfindungsgemäß Zündkerze montiert ist, effektiver. Im Rahmen dieser Anmeldung ist mit dem Begriff „Brennraum“ der Brennraum eines Verbrennungsmotor-Zylinders gemeint, in dessen Zylinderkopf die erfindungsgemäße Zündkerze montiert werden kann. Der Atmungsraum der Zündkerze zählt im Rahmen dieser Anmeldung nicht zum „Brennraum“.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass der zweite Innendurchmesser D2 35% bis 80 % des ersten Innendurchmessers D1 entspricht. Der zweite Innendurchmesser D2 bestimmt auch den Platz, der für den Isolator, insbesondere für die Isolatorspitze im Gehäuse zur Verfügung steht. Die Isolatorspitze hat einen Durchmesser D3, der kleiner ist als der zweite Innendurchmesser D2. Durch die sich verjüngende Form des Atmungsraums hat die Isolatorspitze eine kleinere Fläche, die Wärme aus dem Atmungsraum aufnehmen kann. Des Weiteren führt die kleinere in den Atmungsraum ragende Fläche des Isolators dazu, dass der Isolator und die Mittelelektrode weniger durch die bei der Verbrennung auftretenden pulsierenden Drücke belastet werden. Die Belastung der mechanischen Fixierung des Isolators im Zündkerzen-Gehäuse wird dadurch verringert und die Zündkerze robuster.
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Bei einer Weiterentwicklung ist vorgesehen, dass die Isolatorspitze den Atmungsraum mindestens teilweise an seinem brennraumabgewandten Ende begrenzt. Der Atmungsraum wird durch das Gehäuse und den Isolator begrenzt. In Richtung des Brennraums ist das Gehäuse und der Atmungsraum offen. Beispielsweise ist die Isolatorspitze bündig mit einer Fläche des Gehäuses, die den Atmungsraum an dessen brennraumabgewandten Ende begrenzt. Beispielsweise kann auch nur die Isolatorspitze den Atmungsraum an dessen brennraumabgewandten Ende begrenzen und die Innenseite der Gehäusewand begrenzt den Atmungsraum in radialer Richtung. Dadurch wird erreicht, dass der Atmungsraum keine oder nur einen geringen Totraum aufweist. Des Weiteren wird die mit dem Atmungsraum in Kontakt stehende und wärmeaufnehmende Oberfläche des Isolators auf ein Minimum reduziert. Die Isolatorspitze ragt auch nicht in den Atmungsraum rein, so dass die Strömung des Kraftsoff-Luft-Gemischs im Atmungsraum nicht durch mögliche Kanten der Isolatorspitze gestört wird.
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Bei einer Weiterentwicklung ist vorgesehen, dass die Gehäusewand des Gehäuses den Atmungsraum seitlich begrenzt, so dass die sich verjüngende Form des Atmungsraums ergibt.
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Bei einer Ausgestaltung der Weiterentwicklung ist vorgesehen, dass die Form des Atmungsraums sich aus geraden Flächen des Gehäuses ergibt, insbesondere wobei ein erster Übergang von der Innenseite der Gehäusewand zu einer brennraumseitigen Stirnseite des Gehäuses und/oder ein zweiter Übergang von der Innenseite der Gehäusewand zu einer Fläche des Gehäuses, die den Atmungsraum an dessen brennraumabgewandten Ende begrenzt, verrundet sind. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die den Atmungsraum begrenzenden Oberflächen keine Kanten aufweisen, durch die die Kraftstoff-Luft-Gemisch-Strömung irritiert werden könnte.
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Bei einer alternativen Ausgestaltung der Weiterentwicklung ist vorgesehen, dass die Form des Atmungsraums sich aus mehreren Teilflächen zusammensetzt, die parallel zu Längsachse sich aneinanderreihen, wobei eine einzelne Teilfläche gerade oder gekrümmt sein kann und verschiedene Teilflächen unterschiedliche Krümmungsradien haben können, so dass sich insgesamt eine Kontur mit gekrümmter Form ergibt. Dadurch ergeben sich die oben beschriebene Vorteile.
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Bei einer weiteren alternativen Ausgestaltung der Weiterentwicklung ist vorgesehen, dass die Form des Atmungsraums sich aus einem konischen Abschnitt und zylindrischen Abschnitt mit einem konstanten Durchmesser zusammensetzt. Insbesondere ist der konische Abschnitt näher am Brennraum angeordnet als der zylindrische Abschnitt. Dadurch ergibt sich beispielsweise, dass der Atmungsraum die Form des divergenten Teils einer Laval-Düse hat. Dies hat den Vorteil, dass ein größerer Teil des ausströmenden verbrannten Kraftstoff-Luft-gemisches parallel zur Längsachse der Zündkerze geführt wird und so die Eindringtiefe in den Brennraum eines Zylinders vergrößert wird.
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Bei einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Zündkerze ist vorgesehen, dass die Kontur rotationssymmetrisch und/oder spielsymmetrisch ist, wobei die Längsachse der Zündkerze die Symmetrieachse ist. Dadurch ergibt sich eine einfache Herstellung des Zündkerzengehäuses.
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Bei einer anderen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Zündkerze ist vorgesehen, dass die Kontur rotationssymmetrisch und/oder spielsymmetrisch ist, wobei die Symmetrieachse beabstandet zu der Längsachse der Zündkerze ist. Durch die Beabstandung der Symmetrieachse des Atmungsraums von der Längsachse der Zündkerze kann die Strömung des Kraftstoff-Luft-Gemisch gezielt gelenkt werden.
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Bei einer weiteren anderen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Zündkerze ist vorgesehen, dass die Kontur unsymmetrisch ist. Dadurch kann die Strömung des Kraftstoff-Luft-Gemisch ebenfalls gezielt gelenkt werden.
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Bei einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Zündkerze hat der Zündspalt von einer brennraumseitigen Stirnseite des Gehäuses einen Abstand T mit T= 0,1 mm oder größer und/oder T=15 mm oder kleiner. Der Abstand T erstreckt sich von der brennraumseitigen Stirnfläche des Gehäuses bis zum brennraumseitigen Ende des Zündspalts. Dadurch ergibt sich, dass der Zündspalt innerhalb des Gehäuses angeordnet ist. Durch diese negative Funkenlage ergibt sich die Möglichkeit die Mittelelektrode und den Isolator kürzer als üblich auszugestalten, so dass die Mittelelektrode und der Isolator einerseits nicht so weit in den Brennraum hineinragt und der Weg für die Wärmeabfuhr kürzer und somit die Wärmeabfuhr effektiver ist.
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Vorteilhafterweise ist beispielsweise die Breite des Zündspalts nicht größer als 0,5 mm, insbesondere nicht größer als 0,2 mm. Je kleiner der Zündspalt umso geringer ist der Spannungsbedarf für die Erzeugung eines Zündfunkens.
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Es ist auch vorteilhaft, dass die Breite des Zündspalts mindestens 0,05 mm ist, insbesondere nicht kleiner als 0,1 mm ist. Damit ergibt sich, dass der Zündspalt nicht zu klein ist. Ein sehr kleiner Zündspalt stellt besondere Herausforderungen an die Genauigkeit bei der Zündkerzen-Produktion. Eine Abweichung von der möglichst parallelen Ausrichtung der Elektroden-Zündflächen hat bei einem kleinen Zündspalt größere Auswirkung, wie beispielsweise einen ungleichmäßigen Verschleiß der Zündfläche, als bei einem größeren Zündspalt. Die Untergrenze für die Breite des Zündspalts ist somit ein guter Kompromiss für einerseits einen kleinen Zündspalt 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.
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Die erfindungsgemäße Zündkerze und ihre Weiterentwicklung sind eine Wasserstoff-Zündkerze, die dazu eingerichtet ist in einem mit Wasserstoff 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 Wasserstoff oder eine Wasserstoff-Gas-Gemisch sein.
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Allerdings ist die erfindungsgemäße Zündkerze nicht auf den Betrieb mit Wasserstoff beschränkt. Die erfindungsgemäße Zündkerze kann auch für Erdgas- oder Benzin-Verbrennungsmotoren verwendet werden. Allerdings ist die erfindungsgemäße Zündkerze auf den Betrieb mit Wasserstoff optimiert.
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Beispielsweise kann die Zündkerze eine Kappe aufweisen, die am brennraumseitigen Ende des Gehäuses angeordnet ist, so dass die Zündkerze eine Vorkammer-Zündkerze ist.
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Figurenliste
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- 1 zeigt ein erstes Beispiel für einen sich verjüngenden Atmungsraum der erfindungsgemäßen Zündkerze
- 2 zeigt ein zweites Beispiel für einen sich verjüngenden Atmungsraum der erfindungsgemäßen Zündkerze
- 3 zeigt ein drittes Beispiel für einen sich verjüngenden Atmungsraum der erfindungsgemäßen Zündkerze
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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In den 1 bis 3 ist jeweils schematisch die brennraumseitige Hälfte einer erfindungsgemäße Zündkerze 1 dargestellt. Die Zündkerze 1 weist ein Gehäuse 2 auf, das eine Längsbohrung hat, so dass das Gehäuse 2 eine Gehäusewand 20 mit einer Innenseite 21 aufweist. Die Zündkerze 1 weist des Weiteren einen innerhalb des Gehäuses 2 angeordneten Isolator 3 mit einer brennraumseitigen Isolatorspitze 31. Die Isolatorspitze 31 ist bündig mit einer sich senkrecht zur Längsachse X der Zündkerze 1 erstreckenden Ebene E1. Die Isolatorspitze 31 hat einen Durchmesser D3.
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Innerhalb des Isolators 3 ist eine Mittelelektrode 4 und innerhalb des Gehäuses 2 ist eine Masseelektrode 5 angeordnet. Die Masseelektrode 5 ist hier als Seitenelektrode ausgebildet. Die Masseelektrode 5 kann auch als Dachelektrode ausgebildet werden. Die Masseelektrode 5 kann beispielsweise in einer Ausnehmung der Innenseite 21 der Gehäusewand 20 angeordnet oder in einer Bohrung durch die Gehäusewand 20 eingesteckt oder an einem Vorsprung an der Innenseite 21 der Gehäusewand 20 angeordnet sein. Diese lokale Ausnehmung oder dieser lokale Vorsprung auf der Innenseite 21 der Gehäusewand 20 kann bei der Betrachtung der Form des Atmungsraums 50 vernachlässigt werden. Die Mittelelektroden 4 und die Masseelektrode 5 bilden zusammen beispielsweise einen radialen Zündspalt 55 aus. Der Zündspalt 55 hat einen Abstand T von der brennraumseitigen Stirnfläche 27 des Gehäuses 2 und ist innerhalb des Gehäuses 2 ausgebildet.
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Der Atmungsraum 50 ist der Raum am brennraumseitigen Ende der Zündkerze 1, der durch das Gehäuse 2 in radialer Richtung und durch den Isolator 3 und ggfls. einem Gehäuseabschnitt 22 in axialer Richtung in Bezug auf die Zündkerzen-Längsachse X begrenzt ist. Das Gehäuse 2 hat an seinem brennraumseitigen Ende aufgrund der Längsbohrung eine Öffnung. Entsprechend ist auch der Atmungsraum 50 an seinem brennraumseitigen Ende 51 offen. Die Ebene der brennraumseitige Stirnseite 27 des Gehäuses begrenzt den Atmungsraum 50 an dessen brennraumseitigen Ende 51. Das Gehäuse 2 hat an seinem brennraumseitigen Ende einen ersten Innendurchmesser D1 und innerhalb des Gehäuses 2 in der Ebene E1 einen zweiten Innendurchmesser D2. Der erste Innendurchmesser D1 ist größer als der zweite Innendurchmesser D2, so dass der innerhalb des Gehäuses 2 ausgebildete Atmungsraum 50 sich von seinem brennraumseitigen Ende 51 zu seinem brennraumabgewandten Ende 52 hin verjüngt. Der zweite Innendurchmesser D2 des Gehäuses 50 ist größer als der Durchmesser D3 der Isolatorspitze 31. Der Atmungsraum 50 ist radial durch die Gehäusewand 20 begrenzt. Die Gehäusewand 20 hat entsprechend der Verjüngung des Atmungsraums 50 eine zunehmende Wandstärke.
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Zwischen Isolator 3 und Gehäuse 2 ist ein Dichtelement 10 angeordnet, das den Zwischenraum zwischen Gehäuse 2 und Isolator 3 abdichtet. Somit können aus dem Atmungsraum 50 keine Gase entlang der Längsbohrung des Gehäuses 2 bis zum brennraumabgewandten Ende des Gehäuses 2 und der Zündkerze 1 strömen.
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In dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 wird an seinem brennraumabgewandten Ende 52 der Atmungsraum von einer Fläche 22 Gehäuse 2 und von der Isolatorspitze 31 des Isolators 3 begrenzt. Die Isolatorspitze 31 ist bündig mit der Gehäusefläche 22, so dass am brennraumabgewandten Ende 52 des Atmungsraums 50 nur die Mittelelektrode 4 in den Atmungsraum 50 reinragen.
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Die Form des Atmungsraum 50 ergibt sich aus geraden Flächen der Innenseite 21 der Gehäusewand 20. Dabei kann ein erster Übergang 17 von der Innenseite 21 der Gehäusewand 20 zu einer brennraumseitigen Stirnseite 27 des Gehäuses 2 verrundet sein. Der Verrundungsradius des ersten Übergangs 17 ist R1. Zusätzlich oder alternative kann ein zweiter Übergang 18 von der Innenseite 21 der Gehäusewand 20 zu einer Fläche 22 des Gehäuses 2, die den Atmungsraum 50 an dessen brennraumabgewandten Ende 52 begrenzt, verrundet sein. Der Verrundungsradius des zweiten Übergangs 18 ist R2. Die Verrundungsradien R1 und R2 können gleich oder verschieden sein.
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Die weiteren Figuren zeigen weitere Ausführungsbeispiele für die erfindungsgemäße Zündkerze 1. Gleiche Bauteile sind mit dem gleichen Bezugszeichen beschriftet. Im Weiteren wird hauptsächlich auf die Unterschiede der Ausführungsbeispiele eingegangen.
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Die 2 zeigt ein zweites Beispiel für einen sich verjüngenden Atmungsraum der erfindungsgemäßen Zündkerze 1. Im Unterschied zum ersten Beispiel gemäß 1 begrenzt nur die Isolatorspitze 31 den Atmungsraum an dessen brennraumabgewandten Ende. Die Innenseite der Gehäusewand begrenzt den Atmungsraum in radialer Richtung zur Längsachse der Zündkerze. Die Innenseite der Gehäusewand setzt sich aus mehreren Abschnitten zusammen, die parallel zu Längsachse sich aneinanderreihen. Die Abschnitte können eine gerade Fläche oder eine gekrümmte Fläche mit unterschiedlichen Krümmungsradien haben, so dass sich eine gewellte Form der Gehäusewand-Innenseite ergibt.
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Die 3 zeigt ein drittes Beispiel für einen sich verjüngenden Atmungsraum der erfindungsgemäßen Zündkerze 1. Im Unterschied zum ersten Beispiel gemäß 1 begrenzt nur die Isolatorspitze 31 den Atmungsraum an dessen brennraumabgewandten Ende. Die Innenseite der Gehäusewand begrenzt den Atmungsraum in radialer Richtung zur Längsachse der Zündkerze. Die Form des Atmungsraum (50) sich aus einem konischen Abschnitt (53) und zylindrischen Abschnitt (54) mit einem konstanten Durchmesser zusammensetzt. Insgesamt ergibt sich die Form einer Düse, wie beispielsweise dem divergierende Teil einer Laval-Düse. Die Masseelektrode und die Mittelelektrode sind beispielsweise im zylindrischen Abschnitt des Atmungsraum angeordnet.
