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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zündkerze für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1, sowie ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Zündkerze.
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Herkömmliche, aus dem Stand der Technik bekannte Zündkerzen umfassen eine stabförmige Mittelelektrode, welche sich entlang der Längsachse der Zündkerze erstreckt. Diese Mittelelektrode wird durch einen Isolator umgeben, welcher Isolator wiederum in einem Zündkerzengehäuse, genauer gesagt vom Zündkerzengehäuse umgebend, getragen wird.
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In Betrieb herrschen in einer Brennkammer der Brennkraftmaschine über 1000 °C, welchen Temperaturen auch die Mittelelektrode der Zündkerze ausgesetzt ist. Unter diesem Einfluss entwickelt auch die Mittelelektrode während des laufenden Betriebs eine Temperatur bis zu 850 °C. Diese Wärme gilt es abzuführen, um die Zündkerze, genaugenommen die Elektroden, vor Beschädigungen zu schützen und eine möglichst lange Standzeit der Zündkerze erzielen zu können.
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Dabei wird von der Mittelelektrode Wärme über den Isolator an das Zündkerzengehäuse abgegeben, wobei wiederum das Zündkerzengehäuse die Wärme an umgebende Bauteile, wie beispielsweise einen Zylinderkopf oder eine Zündkerzenhülse, abführt.
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Aus dem Stand der Technik ist es aus fertigungstechnischen Gründen bekannt, dass zwischen dem Isolator (welcher zumeist aus einer Keramik gefertigt ist) und dem Zündkerzengehäuse (welches bekannterweise aus Stahl umgesetzt wird) ein Spalt vorliegt. Dieser Spalt begründet sich aus fertigtechnischen Begebenheiten, sowie benötigten Toleranzen zur Montage.
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Um hierbei die thermische Leitfähigkeit zwischen elektrischem Isolator und Zündkerzengehäuse zu erhöhen, sind unterschiedlichste Entwicklungen des Standes der Technik bekannt.
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So ist beispielsweise aus der
US 7,944,135 B2 bekannt, zwischen elektrischem Isolator und Zündkerzengehäuse ein bei Normalbedingungen festes Lot einzubringen, welches sich bei Betriebstemperaturen verflüssigt, um die Wärmeübertragung in diesem Bereich zu verbessern.
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Nachteilig daran hat sich jedoch herausgestellt, dass es aufgrund der Wärmeausdehnung des Lots zu Spannungen im Spalt bzw. im keramischen elektrischen Isolator kommt, welche Spannungen die Zündkerze schädigen können, was zu einer Verminderung der Lebensdauer der Zündkerze führt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die zuvor beschriebenen Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise zu überwinden und/oder eine Zündkerze mit verbessertem Temperaturmanagement bereitzustellen und/oder eine Zündkerze mit einer erhöhten Lebensdauer aufgrund einer besseren Wärmeabfuhr umzusetzen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Zündkerze für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruches 1, sowie einem Verfahren zum Herstellen einer solchen Zündkerze, gelöst.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass eine Zündkerze für eine Brennkraftmaschine Folgendes umfasst:
- - einen sich entlang einer Längsachse der Zündkerze erstreckenden elektrischen Isolator, und
- - ein Zündkerzengehäuse, das den elektrischen Isolator zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig umgibt,
wobei zwischen dem elektrischen Isolator und dem Zündkerzengehäuse ein Raum ausgebildet ist, welcher Raum fluiddicht abgeschlossen ist, wobei der Raum zumindest teilweise mit einem, bei Normalbedingungen flüssigen oder gasförmigen Stoff befüllt ist, sodass Wärme vom elektrischen Isolator über den flüssigen oder gasförmigen Stoff in das Zündkerzengehäuse ableitbar ist.
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Durch den fluiddicht abgedichteten Raum zwischen Isolator und Zündkerzengehäuse ist es möglich, diesen Raum mit einem flüssigen oder gasförmigen Stoff zu befüllen, welcher die thermische Leitfähigkeit erhöhen kann und somit einen Wärmefluss vom elektrischen Isolator zum Zündkerzengehäuse begünstigt.
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Dieser abgeschlossene Raum ermöglicht es somit (im Hinblick auf den Stand der Technik) flüssige oder gasförmige Stoffe zur Begünstigung der thermischen Leitfähigkeit einzusetzen, welche über die gesamte Spannbreite der thermischen Belastung der Zündkerze denselben Aggregatszustand aufweisen, sodass sich keine wesentlichen volumetrischen Veränderungen im Raum zwischen elektrischem Isolator und Zündkerzengehäuse ergeben, welche zur Schädigung der Zündkerze führen könnten.
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Dennoch wird gegenüber dem Stand der Technik eine verbesserte thermische Leitfähigkeit zwischen elektrischem Isolator und Zündkerzengehäuse umgesetzt, welche die Wärmeabfuhr begünstigt und eine Standzeit der Zündkerze erheblich erhöht.
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Unter einer fluiddichten Abschließung kann eine gasdichte Barriere verstanden werden, welche ein Durchdringen von Gasen verhindert.
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Unter dem Begriff der Normalbedingung ist im Zuge dieses Dokumentes die physikalische Definition der Normalbedingung zu verstehen, welcher eine Temperatur von 273,15 Kelvin (0 °C) und einem Druck von 1 atm zugrunde liegt.
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Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Es kann vorgesehen sein, dass der flüssige oder gasförmige Stoff bei Normalbedingung eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Luft bei Normalbedingung aufweist.
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Es kann vorgesehen sein, dass der flüssige oder gasförmige Stoff bei Normalbedingung eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 0,1 W/mK und weniger als 1 W/mK aufweist.
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Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass sich entlang der Längsachse eine Mittelelektrode erstreckt, welche zumindest teilweise durch den elektrischen Isolator umgeben ist.
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Es kann vorgesehen sein, dass an einem vorderen Ende der Mittelelektrode entlang der Längsachse eine Edelmetallelektrode an der Mittelelektrode angeordnet ist.
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Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass die Mittelelektrode zumindest bereichsweise einen Kupferkern aufweist, wobei der Kupferkern im Wesentlichen bis zu einem vorderen Ende der Mittelelektrode entlang der Längsachse reicht.
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Durch Vorsehen einer zumindest bereichsweise einen Kupferkern aufweisenden Mittelelektrode kann die thermische Leitfähigkeit der Mittelelektrode verbessert werden, wobei Wärme effizienter von einer Edelmetallelektrode über den Kupferkern der Mittelelektrode und den flüssigen oder gasförmigen Stoff im Raum in das Zündkerzengehäuse abgeleitet werden kann.
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Es kann vorgesehen sein, dass das Zündkerzengehäuse in einem vorderen Bereich der Zündkerze eine dritte Dichtfläche aufweist, wobei die dritte Dichtfläche im Einbauzustand der Zündkerze mit einer Dichtfläche an einen Zylinderkopf oder an einer Zündkerzenhülse derart zusammenwirkt, dass Wärme von dem Zündkerzengehäuse über die dritte Dichtfläche in den Zylinderkopf oder in die Zündkerzenhülse ableitbar ist.
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Es kann vorgesehen sein, dass der bei Normalbedingungen gasförmige Stoff Helium ist. Allerdings sind auch andere Gase durchaus denkbar.
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Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass der bei Normalbedingungen flüssige Stoff ein Öl, vorzugsweise ein bis 300 °C, besonders bevorzugt bis 400 °C, temperaturbeständiges Öl ist.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Raum den elektrischen Isolator zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, umgibt.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Raum den elektrischen Isolator bezüglich der Längsachse der Zündkerze rotationssymmetrisch umgibt und vorzugsweise dabei einen Hohlzylinder ausbildet.
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Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass das Zündkerzengehäuse ein das Zündkerzengehäuse bereichsweise umgebendes Befestigungsgewinde aufweist, wobei der Bereich des Zündkerzengehäuses mit dem Befestigungsgewinde zumindest teilweise den Raum umgibt.
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Weiters wird Schutz begehrt für ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Zündkerze, umfassend folgende Schritte:
- - Bereitstellen eines Zündkerzengehäuses,
- - Bereitstellen eines elektrischen Isolators,
- - Einbringen des elektrischen Isolators in das Zündkerzengehäuse, sodass der elektrische Isolator an einer ersten Dichtfläche im Zündkerzengehäuse fluiddicht anliegt und dabei einen Raum zwischen elektrischem Isolator und Zündkerzengehäuse ausbildet,
- - Einbringen eines bei Normalbedingungen flüssigen oder gasförmigen Stoffes in den Raum, und
- - Verschließen des Raums durch Bearbeiten des Zündkerzengehäuses in einer Weise, dass ein Bereich des Zündkerzengehäuses als eine zweite Dichtfläche fungiert, sodass der Raum nach der Bearbeitung fluiddicht abgeschlossen ist.
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Es kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass der bei Normalbedingungen gasförmige oder flüssige Stoff in den Raum gelangt, in dem die Schritte, gemäß dem Herstellungsverfahren, zumindest teilweise in einer Atmosphäre aus dem in den Raum eingebrachten gasförmigen Stoff durchgeführt werden.
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In anderen Worten ausgedrückt, kann vorgesehen sein, dass die einzelnen Komponenten der Zündkerze in einer Atmosphäre aus dem in den Raum eingebrachten gasförmigen Stoff in Kontakt gebracht werden und miteinander verbunden werden, sodass sich aus der herrschenden Atmosphäre ein Teil an Gas im Raum einschließt.
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Dies könnte auch in ähnlicher Weise in einem Bad oder Tauchbad einer Flüssigkeit durchgeführt werden, welche dem in den Raum eingebrachten flüssigen Stoff entspricht.
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Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass der bei Normalbedingungen flüssige Stoff unmittelbar vor dem Verschließen des Raumes eingefüllt wird oder der bei Normalbedingungen gasförmige Stoff unmittelbar vor dem Verschließen des Raumes eingeblasen wird.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Raum nach Fertigung mit einer Zuführöffnung bereitgestellt wird (beispielsweise eine Bohrung durch das Zündkerzengehäuse), durch welche Zuführöffnung der flüssige oder gasförmige Stoff in den Raum eingebracht werden kann, wobei nach Zufuhr des flüssigen oder gasförmigen Stoffes in den Raum Zuführöffnung wieder verschlossen werden kann. Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass der Raum während dieser Prozedur des Weiteren mit einer Entlüftungsöffnung bereitgestellt wird, sodass während der Zufuhr des flüssigen oder gasförmigen Stoffes ein im Raum vorliegendes Medium (beispielsweise Luft) entweichen kann.
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Vorzugsweise kann vorgehsehen sein, dass die Zündkerze durch den Hotlock-Prozess gefertigt wird, wobei über eine Krafteinwirkung der elektrische Isolator mit dem Zündkerzengehäuse an der ersten Dichtfläche in Kontakt gebracht wird und währenddessen in einem Bereich der zweiten Dichtfläche durch Erwärmen des Zündkerzengehäuses und eine einwirkende Kraft das Zündkerzengehäuse and den elektrischen Isolator angenähert wird, um die zweite Dichtfläche zu erzeugen.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung, unter Bezugnahme auf die 1, in welcher eine beispielhafte Ausführungsvariante einer Zündkerze dargestellt ist.
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Das in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Zündkerze 1 ist dermaßen dargestellt, dass die Zündkerze 1 ein Schnitt durch eine den elektrischen Isolator 3 und das Zündkerzengehäuse 4 oder durch die Längsachse 2aufweist.
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Die Zündkerze 1 weist in Einbaulage in der Brennkraftmaschine einen dem Brennraum zugewandten vorderen Bereich 16 und einen vom Brennraum abgewandten hinteren Bereich 17 auf.
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Die Zündkerze 1 umfasst einen elektrischen Isolator 3, welcher sich aus dem hinteren Bereich 17 bis hin zum vorderen Bereich 16 erstreckt und im hinteren Bereich 17 zumindest teilweise das als Anschluss 18 dienende Bauteil umschließt.
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Über diesen Anschluss 18 kann die Zündkerze mit einer elektrischen Versorgungseinheit (beispielsweise mit dem Zündverteiler über einen Zündkerzenstecker) verbunden werden.
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Das den Anschluss 18 ausbildende Bauteil leitet die elektrische Energie über den Einströmwiderstand 15 an die in diesem Ausführungsbeispiel zumindest teilweise mit einem Kupferkern ausgeführte Mittelelektrode 13 weiter.
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In diesem Ausführungsbeispiel wird das als Anschluss 18 dienende Bauteil der Einströmwiderstand 15, sowie die Mittelektrode 9 rotationssymmetrisch um die Längsachse 2 vom elektrischen Isolator 3 umgeben.
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An einem entlang der Längsachse 2 vorderen Ende der Mittelelektrode 9 im vorderen Bereich 16 ist an der Mittelelektrode 9 eine Edelmetallelektrode 10 angeordnet, welche mit einer weiteren Edelmetallelektrode 10 am Zündkerzengehäuse 4 korrespondiert, wodurch zwischen den Edelmetallelektroden 10, ein Zündspalt 14 ausgebildet wird.
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Somit kann durch die über die Mittelelektrode 9 geleitete elektrische Energie zwischen den Edelmetallelektroden 10 im Zündspalt 14 ein Zündfunke erzeugt werden, indem die am Zündkerzengehäuse 4 gelagerte Edelmetallelektrode 10 durch die Lagerung des Zündkerzengehäuses 4 in einer Zündkerzenhülse oder einem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine die Masseelektrode ausbildet.
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Das Zündkerzengehäuse 4 umgibt den elektrischen Isolator 3 in diesem Ausführungsbeispiel bezüglich der Längsachse 2 rotationssymmetrisch im vorderen Bereich 16.
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Zwischen dem elektrischen Isolator 3 (welcher zumeist aus einer Keramik ausgebildet ist) und dem Zündkerzengehäuse 4 (meist aus einem metallischen Werkstoff ausgebildet) bildet sich ein Spalt aus, welcher gemäß diesem Ausführungsbeispiel dazu genutzt wird, den Raum 5 umzusetzen.
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Dieser Spalt wird hierfür (zum Ausbilden des Raums 5) durch eine erste Dichtfläche 6 und eine zweite Dichtfläche 7 gegenüber der Umgebung fluiddicht abgeschlossen.
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Der Raum 5, welcher sich zwischen elektrischem Isolator 3 und Zündkerzengehäuse 4 erstreckt, ist mit einem bei Normalbedingungen flüssigen oder gasförmigen Stoff 8 befüllt, sodass Wärme von dem elektrischen Isolator 3 über den flüssigen oder gasförmigen Stoff 8 in das Zündkerzengehäuse 4 ableitbar ist.
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Dieser flüssige oder gasförmige Stoff 8 weist eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Luft bei Normalbedingungen auf.
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In diesem konkreten Ausführungsbeispiel kann der flüssige oder gasförmige Stoff 8 als Helium oder Öl (vorzugsweise mit einer Temperaturbeständigkeit bis zu 400 °C) beinhalten. Andere Gase und Öle sind denkbar.
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Weiters weist die Zündkerze 1, genaugenommen das Zündkerzengehäuse 4, im vorderen Bereich 16 der Zündkerze 1, eine dritte Dichtfläche 11 auf, welche dritte Dichtfläche 11 im Einbauzustand der Zündkerze 1 mit einer Dichtfläche an einem Zylinderkopf oder an einer Zündkerzenhülse dermaßen zusammenwirkt, dass Wärme von dem Zündkerzengehäuse 4 über die dritte Dichtfläche 11 in den Zylinderkopf oder in die Zündkerzenhülse ableitbar ist.
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Weiters weist die Zündkerze 1 ein Befestigungsgewinde 12 auf, welches umlaufend am Zündkerzengehäuse 4 gefertigt ist und dazu dient, die Zündkerze 1 in einem Einbauzustand der Zündkerze 1 in der Brennkraftmaschine mit dem Zylinderkopf und/oder der Zündkerzenhülse zu verbinden.
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Das Befestigungsgewinde 12 dieses Ausführungsbeispiels ist, zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, den Raum 5 umgebend ausgebildet und dazu ausgebildet, Wärmeenergie vom Zündkerzengehäuse 4 in das die Zündkerze 1 umgebende Bauteil (beispielsweise einen Zylinderkopf oder eine Zündkerzenhülse) abzuführen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zündkerze
- 2
- Längsachse
- 3
- elektrischer Isolator
- 4
- Zündkerzengehäuse
- 5
- Raum
- 6
- erste Dichtfläche
- 7
- zweite Dichtfläche
- 8
- flüssiger oder gasförmiger Stoff
- 9
- Mittelelektrode
- 10
- Edelmetallelektrode
- 11
- dritte Dichtfläche
- 12
- Befestigungsgewinde
- 13
- Masseelektrode
- 14
- Zündspalt
- 15
- Einströmwiderstand
- 16
- vorderer Bereich
- 17
- hinterer Bereich
- 18
- Anschluss
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 7944135 B2 [0007]
- US 9647428 B2 [0009]
- US 8633640 B2 [0009]
- DE 102016203465 A1 [0009]