DE3432406A1 - Zuendkerze mit mehrfach-waermewert - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE Dr. rer. nal. DIETER LOUIS Dipl.-Phys. CLAUS PÖHLAU Dipl.-lng. FRANZ LOHRENTZ Dipl.-Phys.WOLFGANC- SEGETH

KESSLEiPLATZ 1 8500 NÜRNBERG 2 P

William P. Strumbos

85 Middleville Road

Northport

State of New York/USA

Zündkerze mit Mehrfach-Wärmewert

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Zündkerze für Brennkraftmaschinen und insbesondere auf eine Zündkerze, die mit einer als Wärmerohr bezeichneten Einrichtung versehen ist, um den Wärmewert der Zündkerze selbsttätig zu verändern.

Zündkerzen, vor allem für Motoren, die mit hoher Geschwindigkeit und hoher Kompression arbeiten, unterliegen einem extremen Bereich von Druck- und Temperaturzuständen. Die Kerzentemperaturen reichen von etwa 200⁰C bei niedriger Motordrehzahl sowie Last bis zu 85O°C bei Vollgas und Volllast. Unter 45O°C beginnen sich Kohlenstoff und andere Produkte am Kerzen-Isolatorfuß zu bilden. Wenn diese Ab-

lagerungen nicht entfernt werden, so bauen sie sich auf, bis sich der Strom kurzschließt, anstatt zwischen den Elektroden Funken zu erzeugen. Bei normalen Geschwindigkeiten wird im allgemeinen genügend Hitze erzeugt, um diese Ablagerungen so schnell zu verbrennen, wie sie gebildet werden. ~ Bei hohen Drehzahlen oder hohen Lasten steigen jedoch die * Kerzentemperaturen über 600°C bis 700°C an,_vdie Ablagerungen! werden nicht abgebrannt, und zwar insbesondere solche, die _: aus den Additiven in heute zur Verfügung stehenden Kraft- ;' und Schmierstoffen rühren, sie werden vielmehr geschmolzen und bilden eine glasige Schicht auf dem Kerzen-Isolatorfuß. j Im heißen Zustand ist diese überglasung hoch leitfähig, und i die Kerze wird kurzgeschlossen, was Zündaussetzer mit daraus: folgenden Kraftstoff- und Leistungsverlusten hervorruft. Falls die Kerzentemperaturen übermäßig hoch werden, werden die Kerzenspitzen selbst ausreichend heiß, so daß sie das Kraftstoff/Luft-Gemisch im Zylinder zünden, wo-durch ein Selbstzünden hervorgerufen wird, das bei seinem An- ; dauern zu einer Zerstörung der Kerze und zu einem ernsten : Motorschaden führen kann, überhitzte Kerzenelektroden ru- ⁵ fen auch einen Zustand hervor, der im allgemeinen bei Zweitakt-Motoren auftritt, nämlich ein Überbrücken der Elektroden auf Grund des Aufbauens von leitenden Ablagerungen, ·' die von bei ihrem Auftreffen auf die überhitzten Elektroden geschmolzenen Verbrennungspartikeln gebildet werden. In Temperaturbereichen oberhalb 85O°C bewirken eine chemische Korrosion und Funkenerosion einen Kerzenausfall innerhalb sehr kurzer Zeit.

Daraus wird deutlich, daß dann,wenn eine Kerze der "heißen" -i Bauart (also mit niedrigem Wärmewert) hohen Kompressionsdrücken, Temperaturen und Lasten ausgesetzt wird, wegen des geringen Wärmedurchsatzes der Kerze Elektrodenabbrand und Selbstzündung das Ergebnis sein werden. Eine "kalte" Kerze (also eine solche mit hohem Wärmewert) wird, weil sie die volle Betriebstemperatur nicht erreichen wird, -

einen Betrieb mit niedriger Last für irgendeine Zeitspanne nicht ertragen, ohne daß sie mit stromleitenden Produkten verschmutzt wird. Da eine "kalte" Kerze unter diesen Bedingungen eine zum Abbrennen von Verschmutzungen erforderliche Temperatur nicht erreichen wird, werden eine Kohlenstoffbildung wie auch Additivteilchen aus dem Kraftstoff und öl, die an den vergleichsweise kühlen Flächen des Isolators kondensieren, die Kerze verunreinigen und sie zum Fehlzünden bringen.

Zündkerzen werden üblicherweise mit verschiedenen Wärmewerten geliefert, um den Erfordernissen der einzelnen Motoren und individuellen Betriebsbedingungen gerecht zu werden. Der Wärmewert bezieht sich auf die Fähigkeit der Kerze, die Verbrennungshitze von den Elektroden oder dem Zündkerzenfuß abzuführen.

Zum besseren Verständnis wird auf die Fig. 1 und 2 der beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, in denen die

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Ansicht einer herkömmlichen "heißen" Zündkerze im in den Zylinderkopf eines Motors eingebauten Zustand und die

Fig. 2 eine zu Fig. 1 ähnliche Darstellung einer "kalten" Zündkerze zeigt.

Gemäß Fig. 1 hat eine "heiße" Kerze üblicher Bauart einen langen Isolatorfuß 2. Wegen der Länge des durch die Pfeile 3 angedeuteten Wärmepfades wird die Hitze vergleichsweise langsam vom Kerzenfuß zum Motorkühlsystem übertragen. Eine herkömmliche "kalte" Kerze (Fig. 2) hat dagegen einen vergleichsweise kurzen Isolatorfuß 4, so daß die Hitze schnell auf dem Wärmepfad der Pfeile 5 in das Motorkühlsystem abgeleitet wird.

Im Stand der Technik sind verschiedene Ausführungsformen von Zündkerzen bekanntgeworden, die Einrichtungen enthalten, welche darauf abgestellt sind, den Wärmewert der Kerze selbsttätig so zu verändern, daß sie sich an einen weiteren als den normalen Bereich von Betriebsbedingungen anpassen kann. Bei der in der US-PS 2 212 725 beschriebenen Ausführungsform ist am keramischen Isolator eine Schürze mit Segmenten aus Bimetall angebracht, die im kalten Zustand einen Spalt zum Isolator einhält. Wenn sich der Kerzenfuß im Betrieb aufheizt, so ziehen sich die Segmente zusammen, um den Spalt zu schließen, so daß die Hitze in der Schürze aufsteigt und die Wärmeabfuhr von der Fußspitze gefördert wird. Da jedoch der Wärmeleitwert zwischen zwei Körpern, hier zwischen der Schürze und'dem Isolator, von der Herstellung eines guten thermischen Kontakts abhängig ist und die Konstruktion nach der US-PS 2 212 725 derart ist, daß jeglicher merkbarer Grad an Kerzenverschmutzung den thermischen Kontakt nachteilig beeinflußt, sind die Leistungskennwerte dieser Kerze aller Voraussicht nach unregelmäßig oder wandernd und unter den erwarteten Betriebsbedingungen schwer einzuhalten. Bei einer anderen Zündkerze (US-PS 3 130 338) ist eine ähnliche Schürze mit Segmenten aus Bimetall am keramischen Isolator in dem Bereich oberhalb der unteren Isolatordichtung der Zündkerze angebracht. Obwohl diese Ausbildung'eine gewisse Wirkung auf die Kerzentemperaturen insgesamt hat, ist nicht damit zu rechnen, daß sie in einem merkbaren Ausmaß die Temperatur am Fuß oder an der Fußspitze der Kerze beeinflußt, und das ist gerade der Bereich, auf den die vorliegende Erfindung abzielt. Durch die US-PS 3 612 931 und die US-PS 3 743 877 sind Ausbildungen bekannt, wonach an der Fußspitze der Zündkerze ein Hitzenebenschluß oder -ableiter vorgesehen ist, der sich zu einer Berührung mit dem Gehäuse der Kerze bei der Auslegungstemperatur bewegt, um die Fußspitze auf einer optimalen Betriebstemperatur zu

halten. Bei diesen Ausbildungen sind die Wärmeableiter (-shunts) aus Metall gefertigt, und dieser Faktor bringt eine gewisse Beschränkung in der Konstruktionsfreiheit mit sich.

Des weiteren zeigt die US-PS 2 096 250 eine Zündkerze mit einem länglichen Hohlraum in der Mittelelektrode, der sich im wesentlichen über deren gesamte Länge erstreckt und weitgehend mit einem Material von hoher Wärmeleitfähigkeit angefüllt ist. Hierbei wird durch die Leitfähigkeit des Materials die Hitze von der Kerzenfußspitze aufgenommen und sowohl durch Konvektion wie auch durch Konduktanz zu den kühleren Teilen der Kerze transportiert, an denen sie zerstreut wird. Da der längliche Raum in der Mittelelektrode mit dem Kühlmittel mit Ausnahme einer kleinen Lücke, die einem Ausgleich für die Wärmedehnung des Materials dient, angefüllt ist, ergibt sich klar, daß bei dieser Zündkerze nicht von dem Prinzip ,des Wärmerohres Gebrauch gemacht wird, das bei dem Erfindungsgegenstand zur Anwendung kommt.

Im Hinblick auf den Stand der Technik ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Zündkerze zu schaffen, deren Wärmewert selbsttätig veränderbar ist, um die kerze auf der für ihre beste Nutzleistung geeigneten Temperatur während aller Betriebszustände zu halten, so daß der Start-, Anwärm-, Niedrig- sowie Hochdrehzahlbetrieb des Motors verbessert werden, wobei diese Verbesserung im Betriebsverhalten des Motors van einer leistungsfähigen Kerzenkonstruktion begleitet wird, die die Ursachen für Zündaussetzer oder Fehlzündungen vermindert, so daß der Motor eine höhere Leistung abgibt und eine gesteigerte Kraftstoffausnutzung in allen Geschwindigkeitsbereichen erzielt wird.

Ein Ziel der Erfindung liegt darin, eine Zündkerze zu schaffen, in die ein Wärmerohr eingegliedert ist, um den Wärmewert automatisch zu verändern und so den Kerzenfuß in einem optimalen Temperaturbereich zu halten.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist in der Ausgestaltung einer Zündkerze mit Mehrfach-Wärmewert zu sehen, deren Arbeitstemperatur selbsttätig so verändert wird, daß die Kerze bei niedriger Zylindertemperatur, was im Leerlauf oder bei niedrigen Drehzahlen sowie Lasten des Motors auftritt, heiß arbeitet, um eine Kerzenverschmutzung zu unterbinden, und daß die Kerze bei höheren Zylindertemperaturen, die bei Betrieb des Motors mit hohen Drehzahlen und Lasten auftreten, relativ kalt arbeitet, um eine Überhitzung der Kerze, die eine Selbstzündung und Elektrodenabbrand hervorruft, zu verhindern.

Des weiteren zielt die Erfindung auf eine Zündkerze ab, durch deren Konstruktion das Erfordernis für einen spezifischen Wärmewert der Kerze beseitigt wird, so daß die Anzahl der Zündkerzentypen, die herzustellen oder seitens der Vertreiber auf Lager zu halten sind, vermindert wird. Ein begleitendes Ziel liegt in der Schaffung einer Zündkerze mit einem Mehrfach- oder Mehrbereich-Wärmewert, so daß die Auswahl einer Kerze mit passendem Wärmewert für einen speziellen Motor oder eine spezielle Betriebsart, der der Motor unterworfen wird, nicht länger ein Problem darstellt, wodurch die Möglichkeit des Einbaus einer falschen Kerze in einen Motor mit der damit verbundenen Wahrscheinlichkeit einer schlechten Leistung, eines Motorschadens und einer Unzufriedenheit auf seiten des Betreibers vermieden wird.

Darüber hinaus ist es ein Ziel der Erfindung, eine Zündkerze zu schaffen, die eine Einrichtung zur selbsttätigen Veränderung ihres Wärmewerts aufweist, so daß eine optimale Betriebstemperatur eingehalten wird ,um damit die Kerzenverschmutzung, die zu Fehlzündungen und somit zu stark zur Luftverschmutzung beitragenden Motoremissionen führt, auf ein Minimum herabzudrücken. Zusätzlich ist es ein Ziel, eine Zündkerze so auszubilden, daß sie ein hohes Maß an Leistung mit Motorkraftstoffen beibehält, deren Flüchtigoder Verdampfbarkeit herabgesetzt ist und bei denen einige ihrer Additive sowie chemischen Verbindungen zum Zweck einer Verminderung der Umweltverschmutzung eliminiert worden sind.

Gemäß der Erfindung wird der Wärmewert der Zündkerze automatisch durch einen vorbestimmten Verdampfungs/Kondensations-Zyklus einer in einem Wärmerohr, das in die Schürze der Zündkerze zwischen deren Isolatorkern und Gehäuse eingegliedert ist, enthaltenen Wärmeübertragungssubstanz verändert. Diese wärmeübertragende Substanz kann irgendein geeignetes Element oder irgendeine geeignete Verbindung sein, das bzw. die sich etwa bei der gewünschten Auslegungstemperatur der Zündkerze, die von etwa 45O°C bis etwa 85O°C reichen kann und vorzugsweise bei 76O⁰C liegt, verflüssigt.

Die Zündkerze gemäß der Erfindung weist mit Ausnahme der Anwendung einer Wärmerohr-Technologie, um den Kerzenfuß auf einer optimalen Betriebstemperatur zu halten, im wesentlichen einen Standard-Aufbau auf, wobei der Isolatorfuß eine Länge hat, wie sie normalerweise bei einer sehr "heißen" Zündkerze, also einer Kerze mit sehr niedrigem Wärmewert, anzutreffen ist. Es kommen ein Polkopf, eine Mittelelektrode, ein Gehäuse, eine Masseelektrode und Dichtungen in üblicher Ausbildung zur Anwendung. Bei einer Ausführungsform gemäß der Erfindung ist das offene, kerzenfußseitige

Ende der Kerzenschürze oder des Kerzenhemdes zwischen dem Isolatorkern und dem Gehäuse dicht abgeschlossen, um eine ringförmige Kammer zu bilden, in der ein geeignetes Arbeitsfluid aufgenommen wird. Falls es erforderlich ist, können kapillar wirkende Einrichtungen als an der Wand liegende Dochte vorgesehen werden. Zusätzlich kann in der Kammer auch ein inertes, nicht kondensierbares Gas enthalten sein, durch das die Temperatur, bei der das Wärmerohr thermisch leitend wird, in engeren Grenzen gesteuert wird. Bei einer anderen Ausführungsform wird das Wärmerohr als ein selbständiges, einstückiges Bauteil ausgebildet, das in den Ringraum zwischen Isolator und Gehäuse der Kerze eingesetzt wird. Eine elektrisch isolierende Stirnwand kann dazu vorgesehen sein, das Wärmerohr an seinem Platz zu halten und gegen Verschmutzung abzuschirmen. Ferner kann das einstückige Wärmerohr-Bauteil einen dünnwandigen Aufbau haben, wobei ein Dochtsystem aus elastischen Drahtgittern die erforderliche bauliche Ganzheit sowie Unversehrtheit verschafft und eine dünnwandige Hülse als ein Behältnis für das Arbeitsmittel dient.

Der Erfindungsgegenstand wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen anhand von derzeit bevorzugten Ausführungsformen erläutert. Es zeigen:

Fig. 3 einen Axialschnitt einer Zündkerze, der die Wärmeableit- oder -transporteinrichtung gemäß der Erfindung eingegliedert ist;

Fig. 4 bis 7 abgebrochene Schnittdarstellungen von Zündkerzen in weiteren Ausgestaltungen mit Wärmerohren zur "selbsttätigen Veränderung des Kerzen-Wärmewerts?

Fig. 8 einen Axialschnitt einer Zündkerze gemäß der Erfindung mit einem dieser eingegliederten Wärmerohr zur automatischen Veränderung des Kerzen-Wärmewerts ;

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Fig. 9 einen lotrechten Schnitt durch ein Wärmerohr gemäß der Erfindung;

Fig. 10 den Schnitt nach der Linie 10 - 10 in der Fig. 9;

Fig. 11 einen abgebrochenen Schnitt einer erfindungsgemäßen Zündkerze mit einer weiteren Ausführungsform eines Wärmerohres.

Die Zündkerze 10 von Fig. 3 umfaßt einen zylindrischen Isolator oder isolierenden Kern 12, der gasdicht und konzentrisch in einer Bohrung 14 eines zylindrischen, metallischen Kerzengehäuses 16 aufgenommen ist. Die Kerze 10 hat ein Anschlußende (einen Kerzenkopf) 18, das hier als oberes Ende bezeichnet wird, und einen Kerzenfuß 20, der hier als unteres Ende bezeichnet wird. Die Ausdrücke "unten" und "oben" werden nur der Einfachheit halber verwen-det und haben in bezug auf die Ausrichtung keine Bedeutung, da die Kerze in den Motor mit dem Kerzenfuß aufwärts oder in sonst einer Richtung eingesetzt werden kann. Der Isolator 12 wird aus Aluminiumoxid oder einem anderen geeigneten Material in üblicher Weise gefertigt und weist eine Ringschulter 22 mit einer oberen Fläche sowie unteren Fläche 26 auf. Zwischen dem Isolator 12 und der Gehäusebohrung 14 kommt an der oberen Fläche 24 eine Dichtung (sillment seal) 28 zur Anwendung, während zwischen der unteren Fläche 26 und einem ringförmigen geneigten Absatz 32, der in der Gehäuse'bohrung ausgestaltet ist, eine abdichtende Unterlegscheibe 30 angeordnet ist. Wenn bei dieser Anordnung der obere Rand 34 des Gehäuses 16 auf den oberen Teil 36 der Dichtung 28 niedergedrückt wird, so wird der Isolator 12 gasdicht im Gehäuse 16 fetgelegt.

Der Isolator 12 hat ein Hauptteil oder einen Körper 38 sowie einen kegeligen Fuß 40 und ist mit einer konzentrischen Längsbohrung 42 versehen, in der eine Mittel-

elektrode 44 befestigt ist. Ein Dichtungsring (sillment seal) 46 in der Längsbohrung 42 liefert einen gasdichten Abschluß für die Mittelelektrode 44, deren oberes Ende 48 in einem Stopfen 50 befestigt ist, an dem der Polkopf 52 der Zündkerze angebracht ist, Wie bekannt ist, wird mit dem Polkopf 52 der Hochspannungsleiter vom Verteiler des Zündsystems des Motors verbunden. Das untere Ende der Mittelelektrode 44 ragt als Funkenzieherspitze über das untere Ende 56 des Isolators 12 hinaus und weist einen passenden Abstand zur Masseelektrode 58 auf, womit hier eine Funkenstrecke 60 gebildet wird. In Fig. 3 ist eine übliche Masseelektrodenanordnung gezeigt, jedoch ist klar, daß irgendeine geeignete Ausbildung, wie z.B. eine J-Spalt-, eine Mehrfach-Elektrodenanordnung od. dgl., zur Anwendung kommen kann.

Das Kerzengehäuse 16 hat einen äußeren Ringbund 62, unter dem ein Schaft 64 mit vermindertem Durchmesser ausgebildet ist, der in üblicher Weise in eine Gewindebohrung 66 im Zylinderkopf 68 eines Motors 70 eingeschraubt ist. Falls es erforderlich ist oder gewünscht wird, kann ein (nicht gezeigter) Kupferring als Abdichtung zwischen dem Ringbund 62 und dem Zylinderkopf 68 eingesetzt werden. Im Zylinderkopf sind Kühleinrichtungen - in typischer Weise sind es Kühlkanäle 72 - vorgesehen, durch die ein geeignetes Kühlmittel 74 umgewälzt wird. Da der Motor nicht Teil der Erfindung ist, sind die darauf bezogenen Erläuterungen nur erklärend zu verstehen, um das Umfeld, in dem die erfindungsgemäße Zündkerze zur Anwendung kommt, zu zeigen.

Die bisher beschriebene Zündkerze entspricht im wesentlichen einer herkömmlichen Kerze und ist aus bekannten Materialien unter Anwendung bekannter Techniken gefertigt*

Erfindungsgemäß ist jedoch in der Schürze 15 der Kerze 10 zwischen dem Isolator 12 und dem Gehäuse 16 ein wärmeverschiebendes oder wärmeableitendes Wärmerohr 76 vorgesehen. Dieses Wärmerohr 76 besteht aus einer Ringkammer 78 zwischen dem Isolatorfuß 40 und der Wand der Bohrung 14 des Gehäuses 16, wobei das untere Ende der Kammer 78 durch eine ringförmige Stirnwand 80 hermetisch abgeschlossen ist. Der Innenumfang 82 der Stirnwand 80 ist mit dem Isolatorfuß 40, der Außenumfang 84 der Stirnwand 80 ist mit der Wand der Gehäusebohrung 14 mit Hilfe eines geeigneten Klebemittels verklebt. Ein solches Klebemittel, das für Temperaturen bis zu 165O°C geeignet ist, ist ein keramischer Kleber "Ceramabond", der von Aremco Products, Inc., Briarcliff Manor, New York vertrieben wird. Es ist klar, daß das obere Ende der Kammer 78 durch die Dichtung 28 sowie die abdichtende Unterlagscheibe 30 der Kerze hermetisch verschlossen ist. Um einen elektrischen Pfad quer über die Stirnwand 80 zu vermeiden, kann diese aus einem elektrisch nichtleitenden Material, z.B. Keramik, gefer-tigt sein oder kann ein geeigneter elektrischer Isolierstoff 86 auf die untere Fläche der Wand 80 geklebt sein. In das Wärmerohr 76 wird mit Hilfe eines in einer die Wand des Kerzengehäuses 16 durchsetzenden öffnung 92 befestigten Füllröhre 90 ein geeignetes Arbeitsmittel 88 eingegeben, worauf das Ende 94 der Füllröhre 90 dicht verschlossen wird, und zwar in typischer Weise durch Zusammenpressen und Verschweißen.

Das Arbeitsmittel des Wärmerohres kann aus einer Reihe von angemessenen Substanzen ausgewählt werden. Das Kriterium für diese Auswahl ist dadurch bestimmt, daß das Wärmerohr die kerzenfußspitze auf ihrer richtigen oder zweckmäßigen Betriebstemperatur halten soll. Bei den derzeit erhältlichen Kraftstoffen für Ottomotoren muß die Kerze oberhalb einer Temperatur von 45O°C arbeiten, _um ein Verschmutzen

zu vermeiden, und um eine Selbstzündung auszuschalten, darf die Temperatur am Kerzenfuß 85O°C nicht überschreiten. Darüber hinaus muß das verwendete Arbeitsmittel mit den in der Kerze verwendeten Materialien verträglich sein und soll sich nicht auf Grund der Betriebstemperaturen oder Temperaturwechselbeanspruchungen zersetzen. Bei den im Betrieb der Zündkerze auftretenden Temperaturen haben sich die Alkalimetalle, z.B. Lithium oder vorzugsweise Natrium, als geeignet erwiesen. Zusätzlich zur eigentlichen Na-Füllungjkann ein kleiner Anteil, etwa 5%, des Volumens des Wärmerohres von einem inerten, nicht kondensierbaren Gas, in typischer Weise ist das Stickstoff, eingenommen werden. Mit dieser Füllung wird das Wärmerohr unter etwa 538°C nichtleitend und bei etwa 76O°C voll leitend sein. Durch eine Veränderung des Arbeitsmittels (Arbeitsfluids) und der Menge an Inertgas in einer bekannten Weise können unterschiedliche nichtleitende bzw. leitende Temperaturbereiche erhalten werden. Sollten es die Erfordernisse verlangen, so kann ein Teil der oder können alle Innenflächen des Wärmerohres mit eine kapillare Pumpwirkung erzeugenden Einrichtungen, wie Dochtgeflechten u. dgl., versehen werden.

Wenn die Zündkerze in einen Motor eingesetzt ist, so werden im Betrieb bei Starten und Laufen des Motors die Verbrennungsvorgänge in dessen Zylinder(n) einen rapiden Temperaturanstieg der Zündkerze herbeiführen. Auf Grund des relativ langen Isolatorfußes und der niedrigen Wärmeübertragungskennwerte der Keramik, aus der der Isolator gebildet ist, bringt die sich aufbauende Hitze die Spitze des Isolatorfußes in einen Temperaturbereich, in dem sich dort ansetzende Ablagerungen abgebrannt werden. Wenn die Motorlast oder -drehzahl dazu führt, daß die Betriebstemperatur des Zylinders ansteigt, so schmilzt zuerst das wärmeübertragende Mittel im Wärmerohr der Kerze und verdampft anschließend. Die auf die relativ kühlen Wände des Kerzengehäuses

treffenden Dämpfe werden kondensiert, und dieses Dampfkondensat fließt an der Gehäusewand abwärts zum unteren Ende des Wärmerohres hin, an dem es wieder durch den heißen Isolatorfuß (und die heiße Stirnwand) verdampft wird. Die Zustandsänderung der wärmeübertragenden Substanz zieht, wenn sie verdampft, die Hitze vom Kerzenfuß ab, um diesen zu kühlen, und die bei der Kondensation der Substanz auftretende Phasenänderung überträgt die Hitze auf das Gehäuse, worauf der Dampf kondensiert und die Hitze durch das Gehäuse geht sowie in das Motorkühlsystem hinein verteilt wird. Da die Verdampfungswärme durch die Phasenänderung von flüssig zu dampfförmig absorbiert und bei der Kondensation des Dampfes freigegeben wird, können große Wärmemengen mit sehr kleinen Temperaturgradienten (-gefallen) aus Bereichen einer Wärmezufuhr zu Bereichen einer Wärmeabfuhr transportiert werden. Sollte das Wärmerohr mit kapillaren (dochtartig wirkenden Einrichtungen versehen sein, so wird durch deren Pumpwirkung der Fluidumlauf im Verdampfungs/Kondensations-Zyklus gefördert bzw. beschleunigt.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 ist eine Stirnwand 80 über das normalerweise offene untere Ende der Schürze 15 einer im wesentlichen herkömmlichen Zündkerze 10 eingeklebt, um eine Kammer 76 zwischen Isolator und Schürze zu bilden, wobei diese Kammer mit einem Arbeitsmittel beschickt wird und als ein Wärmerohr arbeitet, das die Fußspitze 56 des Isolators 12 auf einer optimalen Betriebstemperatur hält.

Die Fig. 4 zeigt ein auf andere Art ausgebildetes Wärmerohr 176. Hiernach ist das Gehäuse 110 der Zündkerze 10a mit einer schrägen Ringschulter 112 im unteren Teil der Gehäusebohrung 114 versehen. Während des Herstellungsvorgangs wird die Mittelelektrode 116 im Isolator oder Isolatorkern 118 angeordnet und darin dicht befestigt, wobei der obere (nicht gezeigte) Stopfen und der Polkopf in üb-

1icher Weise angebracht werden. Eine ringförmige Stirnwand 120 wird über einen Abschnitt 122 mit vermindertem Durchmesser am Isolatorfuß 124 geschoben und an der Stelle 126 festgeklebt. Die übliche Unterlagscheibe 128 wird am zusammengebauten Isolator 118 angebrächt, der dann in die Bohrung 114 des Gehäuses 110 eingefügt wird, bis der Außenumfang 130 der Stirnwand 120 fest gegen die schräge Ringschulter 112 in der Gehäusebohrung 114 stößt. Nach Einbau der (sillment-)Dichtung 132 wird der Isolator 118 im Gehäuse 110 in der üblichen Weise, z.B. durch Herunterdrücken des oberen Randes 134, festgelegt. Der Außenumfang 130 der Stirnwand 120 wird an der Stelle 136 mit der Ringschulter 112 verschweißt, so daß eine hermetische Abdichtung erhalten wird. Ein ringförmiges Isolationsteil 138 aus elektrisch nichtleitendem Material wird mit Hilfe eines geeigneten Klebemittels 140 an die untere Fläche 142 der Stirnwand geklebt. Das Isolationsteil 138 kann auch eine Schicht aus einem geeigneten nichtleitenden Material sein, die auf die untere Fläche 142 aufgetragen oder aufgeschmolzen wird. Nach Einbau der Masseelektrode 144 wird das Wärmerohr 176 über die Füllröhre 146 gefüllt, deren Ende 148 dann dicht verschlossen wird, womit die Herstellung der Zündkerze 10a beendet ist.

In Fig. 5 ist eine weitere.Ausführungsform einer Zündkerze 10b gemäß der Erfindung dargestellt, die ein Wärmerohr 276 mit einer in der Schürze 212 der Kerze 10b unter der Spitze 214 des Isolatorfußes 216 zwischen der Mittelelektrode 218 und der Wand der Bohrung 220 des Gehäuses 222 angeordneten Stirnwand 210 aus einem elektrisch nichtleitenden Material aufweist. Wie zu sehen ist, ist die Kerze 10b von Fig. 5 im wesentlichen gleich der Kerze 10a von Fig. 4 ausgebildet, und der Herstellungsvorgang läuft mit der Ausnahme, daß die Stirnwand 210 an die Mittelelektrode 218 unter der Fußspitze 214 des Isolatorfußes 216 angeklebt wird, gleichartig

ab. Ein Ringbund 226, an den der Außenumfang 228 der Stirnwand 210 geklebt ist, hat eine aufwärts gerichtete, zur Wandfläche der Gehäusebohrung 220 rechtwinklige Fläche 232.

Bei der in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform einer Zündkerze 10c ist in der Bohrung 312 des Gehäuses 314 ein Ringbund ausgebildet, an dessen abwärts gerichteter, zur Wand der Bohrung 312 rechtwinkliger Stirnfläche 320 die Stirnwand 316 des Wärmerohres 376 mit einem Kleber 318 befestigt ist. Es sollte klar sein, daß die-Zündkerze 10c mittels der zum Bau einer herkömmlichen Zündkerze üblichen Schritte gefertigt wird, wobei jedoch die Eingliederung des Wärmerohres 276 in die Schürze 322 der Kerze eine Ausnahme bildet. Der Isolator oder Isolatorkern 324 wird mit seiner Mittelelektrode 326, den (sillment-) Dichtungen und der Unterlagscheibe in das Gehäuse 314 eingebaut und darin durch Abwärtsdrücken des oberen Gehäuserandes gemäß den herkömmlichen Fertigungsvorgängen befestigt. Wie bei der Kerze 10b von Fig. 5 endet der Isolator 324 bzw. dessen Fuß in etwa der Höhe des Ringbundes 310, von dem aus die Funkenzieherspitze der Mittelelektrode nach unten ragt. Die Stirnwand 316 , die aus einem ringförmigen, scheibenartigen, oberen Teil 334 sowie einem von diesem nach unten vorstehenden Zylinderabschnitt 336 besteht, wird über die Mittelektrode 326, die in die Bohrung 328 des Zylinderabschnitts 336 eintritt, geschoben und an ihrem Außenumfang 332 am Ringbund 310 sowie der Wand der Gehäusebohrung 312 mittels eines Klebers 318 befestigt. Die Wand der Innenbohrung 328 wird an der Mittelelektrode mittels eines Klebers 330 verklebt. Die Stirnwand 316 wird vorzugsweise aus einem keramischen Werkstoff gefertigt, wobei der Zylinderabschnitt 336 die Funkenzieherspitze der Mittelelektrode 326 gegen eine Erosion durch den im Zylinder ablaufenden Verbrennungsprozeß abschirmt. Nach dem hermetisch dichten Verkleben der Stirnwand 316 mit der Wand der Gehäusebohrung 312 und der Mittelelektrode 326 wird das Wärmerohr 376 mit dem Arbeits-

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mittel in der vorgesehenen Weise beschickt. Das Füllrohr wird dann dicht verschlossen, und durch Anschweißen der Masseelektrode 338 an die Stirnkante 340 des Kerzengehäuses 314 wird der Herstellungsvorgang der Zündkerze 10c beendet.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 7 hat ein in die Schürze 410 der Zündkerze 1Od eingegliedertes Wärmerohr 476 eine Stirnwand 412, die mit dem Kerzengehäuse 414 einstückig ausgestaltet ist. Hierbei wird die Mittelelektrode 416 in den Isolatorkern 418 eingebaut, der dann in das Gehäuse 414 unter Anwendung üblicher industrieller Vorgänge eingesetzt wird. Um eine hermetische Abdichtung des Spalts zwischen der Isolatorfußspitze 422 und dem Innenrand 424 der öffnung in der Stirnwand 412 zu erreichen, wird an dieser Stelle eine Verklebung 42o vorgenommen. Durch Ankleben eines ringförmigen Isolationsteils 428 mittels eines Klebers an die untere Fläche 430 der Stirnwand 412, Anschweißen einer Masseelektrode 432 sowie Füllen und hermetisches Abschließen des Wärmerohres 476 wird die Fertigung der Zündkerze 1Od vollendet.

Eine weitere Ausführungsform einer Zündkerze 1Oe ist in Fig. 8 gezeigt. In diesem Fall wird das Wärmerohr 576 als eine getrennte Einheit gefertigt und als solche in die Schürze 510 der Kerze 1Oe bei deren Fabrikation eingesetzt. Mit Ausnahme des Wärmerohres 576 weist die Zündkerze 1Oe im wesentlichen die übliche Bauart einer "heißen" Kerze auf. Sie hat somit eine Mittelelektrode 512 mit einem endseitigen Stopfen 514 sowie einem Polkopf 516, einen Isolatorkern 518, ein Gehäuse 520, eine innenliegende Unterlagscheibe 522, (sillment-)Dichtungen 524 sowie 526 und eine Masseelektrode 528. Für die Fertigung der Kerze kommen herkömmliche Techniken zur Anwendung, wobei, zusätzliche Schritte darin bestehen, das Wärmerohr 576 in

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die Schürze 510 zwischen dem Isolator 518 sowie dem Gehäuse 520 einzusetzen, eine ringförmige, elektrisch isolierende Scheibe 530 unten am Wärmerohr anzukleben und dann die Masseelektrode 528 anzubringen. Es ist klar, daß in das Wärmerohr 576 sein Arbeitsmittel vor dem Einbau in die Schürze 510 der Kerze 1Oe eingebracht wird.

Das Wärmerohr 576 besteht aus einer ringförmigen Hülle oder Hülse 532, deren Wände 534 aus irgendeinem geeigneten, thermisch leitfähigen Material gefertigt sind. Einige der oder alle Innenflächen 536 der Hülse 532 können nach Wunsch oder Erfordernis mit einem geeigneten Dochtsystem 538 versehen sein. Das Wärmerohr ist so ausgestaltet", daß es ganz eng dem Isolator 518 und der Wand der Bohrung im Gehäuse 520 angepaßt ist, um einen guten thermischen Kontakt zu gewährleisten, und um die innige Berührung, die erforderlich ist, sicherzustellen, kann die Hülse 532 des Wärmerohres 576 geringfügig größer als der Durchmesser der Bohrung innerhalb der Schürze 510, in die die_Hülse e_ingefügt„wird, gemacht werden, so daß eine Preßpassung oder ein Preßsitz mit dem Isolator und dem Gehäuse erhalten wird.

Das Wärmerohr 576 kann gemäß irgendeinem bekannten und passenden Herstellungsverfahren gefertigt werden. Beispielsweise kann die Hülse 532 aus einem einzigen Blechstück tiefgezogen werden, um einen zylindrischen, hohlen Ringraum mit einer ringförmigen Bodenwand" 540 und stehenden, zylindrischen sowie konzentrischen Innen- sowie Außenwandteilen 542 bzw. 544 zu bilden. Wenn ein Dochtsystem zur Anwendung kommt, dann kann es in diesem Stadium der Hülse eingebracht werden, worauf das Arbeitsmittel eingegeben und schließlich die Hülse 532 hermetisch verschlossen wird, indem beispielsweise die oberen Ränder 548, 550 der Wandteile 542, 544 durch eine Nahtschweißung 546 miteinander verbunden werden.

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Es sollte klar sein, daß durch das Einsetzen des Wärmerohres 576 in die Kerzenschürze 510 das Gehäuse 520, der Isolator und die isolierende Stirnscheibe 530 die notwendige bauliche Unversehrtheit für das Wärmerohr bieten, so daß die Wärmerohrhülse 532 von der Aufgabe, dieses Erfordernis zu erfüllen, befreit ist. Sollte es jedoch erwünscht sein, das Wärmerohr zu evakuieren, dann muß dessen Hülse 532 eine ausreichende Konstruktionsfestigkeit aufweisen, um einem Zusammenfallen bei Abnahme des Innendrucks zu widerstehen.

Das in den Fig. 9 und 10 gezeigte Wärmerohr 676 bietet eine Lösung für das angesprochene Problem bei einer dünnwandigen Hülse 614, die auf einen unteratmosphärischen Druck evakuiert werden kann. Bei dem Wärmerohr 676 ist innerhalb einer ringförmigen, hermetisch verschlossenen Hülse 614 in einer dünnwandigen Konstruktion 616 ein Dochtsystem 610 aus einer elastischen Gitterstruktur 612 aufgenommen. Bei dieser Anordnung bietet die Gitterstruktur 612, die aus einem elastischen Netz- oder Gittermaterial, z.B. rostfreiem Stahldrahtgeflecht, gebildet sein kann, die Konstruktionsfestigkeit, wobei die dünnwandige Konstruktion 616 als Behältnis für das Arbeitsmittel dient. Bei der Fertigung des Wärmerohres 676 wird das elastische Dochtsystem 610 in eine hohlzylindrische Ringform mit einem Bodenteil 618 und stehenden, radial innen- sowie außenliegenden Teilen 620 bzw. 622 gebracht. Das Dochtsystem 610 wird von der dünnwandigen Metallhülse 614, die eine kreisförmige Innenwand 624, eine kreisförmige Außenwand 626 und eine ringförmige Bodenwand 628 umfaßt, eingeschlossen. Die Oberkanten 630 und 632 der Wände 624 bzw. 626 werden durch eine Verschweißung 634, die die Hülse 614 an ihrem oberen Rand dicht verschließt, verbunden. Anschließend kann die Hülse 614 über die Füllröhre 63 6 evakuiert werden, worauf diese Röhre nach dem Einbringen des Arbeitsmittels und von Inertgas, falls solches zur Anwendung kommt, in das Wärmerohr abge-

dichtet und zugeschweißt wird. Wenn die Hülse evakuiert wird, so bringt der Umgebungsdruck die dünnen Hülsenwände 616 dazu, gegen die elastische Gitterstruktur 612 einen einwärts gerichteten Druck auszuüben. Bei dieser Konstruktion wird das Wärmerohr mit Bezug auf den inneren Ringraum der Zündkerzenschürze, in den sie eingesetzt werden soll, geringfügig überbemessen. Dieses Übermaß gewährleistet zusammen mit der Formänderungsenergie der Dochtstruktur, daß das Wärmerohr den erforderlichen thermisch leitfähigen Preßsitz in der Zündkerzenschürze hat. Falls es erwünscht oder erforderlich ist, können zueinander gleich beabstandete, U-förmige, elastische Klammern 638(Fig. 10) rundum im Ringraum des Wärmerohres angeordnet werden, um eine zusätzliche Konstruktionsfestigkeit zu liefern.

Es wurden verschiedenartige "Ausführungsförmen von Zündkerzen gemäß der Erfindung gezeigt und beschrieben, wobei bei jeder dieser Ausführungsformen, auf deren exakte Anordnungen die Erfindung nicht begrenzt ist, verschiedene Konstruktionsdetails und Konstruktionstechniken zur Anwendung kommen. Es dürfte jedoch klar sein, daß diese Varianten entsprechend den Anforderungen irgendeines spezifischen Anwendungsfalls untereinander austauschbar sind. Wenn z.B. bei der Ausführungsform von Fig. 7 die Stirnwand 412 der Zündkerze 1Od als einstückige Erstreckung mit dem Gehäuse 414 ausgebildet ist, so kann, wie die Fig. 11 zeigt, die Stirnwand 710 des Wärmerohres 776 der Zündkerze 1Of als einstückige Auskragung des Isolatorkerns 712 ausgestaltet sein. Die Stirnwand 710 erstreckt sich radial auswärts zu einer Schulter 714 in der Bohrung 716 des Gehäuses 718. Der Spalt zwischen dem Außenumfang 722 der Stirnwand 710 und der Schulter 714 wird hermetisch durch Verkleben oder einen geeigneten Dichtungsring 724 abgedichtet. In allen anderen konstruktiven und fabrikatorischen

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Einzelheiten ist die Zündkerze 1Of im wesentlichen

- beispielsweise - der Kerze 10a in der Ausführungsform

gemäß Fig. 4 gleich.

Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen werden
als die am besten praktikablen und bevorzugten angesehen. Es ist jedoch klar, daß dem Fachmann Abweichungen von
den spezifischen Einzelheiten naheliegen, die aber innerhalb des durch die Ansprüche abgesteckten Rahmens der Erfindung liegend anzusehen sind.

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Claims (15)

PATENTANWÄLTE Dr. rer. nat. DIETER LOUlS Dipl.-Phys. CLAUS PÖHLAU Dipl.-Ing. FRANZ LOHRENTZ Dlpl.-Phys.WOLFGANG SEGETH KESS1ERPLATZ 1 8500 NÜRNBERG 2Π William P. Strumbos Middleville Road Northport State of New York, USA Zündkerze mit Mehrfach-Wärmewert Patentansprüche

1. Zündkerze mit einem Kerzenkopf und einer Kerzenfußspitze zum Einbau in den Zylinderkopf eines Motors, mit einem hohlen, ein Außengewinde zur Befestigung der Kerze im Zylinderkopf, der mit eine.Wärmesenke für die Kerze bildenden Kühleinrichtungen versehen ist, aufweisenden, im Bereich des Kerzenfußes angeordneten Gehäuse, mit einem Isolatorkern, der einen inneren, in einer Bohrung des Gehäuses aufgenommenen, radial einwärts von der Wand der Gehäusebohrung beabstandeten Isolatorfuß hat, mit den Isolatorkern gasdicht im Kerzengehäuse abdichtenden Einrichtungen, mit einer im Isolatorkern gehaltenen Mittelelektrode, deren Funkenzieherspxtze vom Isolatorkern vorsteht, mit einer am Gehäuse angebrachten Masseelektrode, die zusammen mit der Funkenzieherspitze eine Funkenstrecke bildet, und mit einem elektrischen Polkopf

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am äußeren Ende der Mittelelektrode, über den die Kerze mit dem Zündsystem des Motors zu verbinden ist, gekennzeichnet durch ein Wärmerohr (76, 176, 276, 376, 476, 576, 676, 776), das in zuverlässig wärmeübertragender Beziehung zwischen dem Isolatorkern (12, 118, 216, 324, 418, 518, 712) und der die Gehäusebohrung (14, 114, 220, 312, 716) umschließenden Schürze (15, 64, 212, 322, 410, 510) angeordnet ist sowie ein flüchtiges Arbeitsmittel (88) enthält und das in einem ersten Temperaturbereich thermisch nichtleitend sowie in einem zweiten Auslegungstemperaturbereich zur Übertragung von Hitze von der Kerzenfußspitze (40, 124, 422) in das Gehäuse (16, 110, 222, 314, 414, 520, 718) sowie zur Zerstreuung der Hitze im Gehäuse thermisch leitend ist, so daß der Wärmewert der Zündkerze regelbar ist.

2. Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslegungstemperaturbereich sich von etwa 45O°C bis zu etwa 85O°C erstreckt.

3. Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmerohr (76, 176, 276, 376, 476, 776) von einem hermetisch abgeschlossenen hohlen Ringraum gebildet ist, der ein oberes, von den den Isolatorkern abdichtenden Einrichtungen (28, 30, 128, 132) bestimmtes Ende, ein unteres, von einer Stirnwand (80, 120, 210, 316, 412, 710) bestimmtes Ende, eine radial innenliegende, vom Isolatorkern bestimmte Ringwand sowie eine radial außenliegende Ringwand, die die Gehäusebohrung (14, 114, 220, 312, 716) umschließt, umfaßt.

4. Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmerohr (576, 676) aus einer hermetisch abgeschlossenen hohlen Ringhülse (532, 614) gebildet ist,

die innerhalb der Kerzenschürze (510) eingebaut ist und eine obere Wand, eine Bodenwand (628) , eine radial innenliegende Wand (624) sowie eine radial außenliegende Wand (626) umfaßt.

5. Zündkerze nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmerohr an wenigstens einem Teil seiner Innenflächen mit einem Dochtsystem (538, 610) versehen ist, wobei die Bewegung von wenigstens einem Teil des flüchtigen Arbeitsmittels in seiner flüssigen Phase durch das Dochtsystem verläuft.

6. Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerze (10, 10a - 1Of) während ihres Betriebs unterschiedliche Temperaturbereiche hat und daß das flüchtige Arbeitsmittel durch Verdampfen aus einer flüssigen Phase in eine Dampfphase in den Bereichen höherer Temperatur Hitze aus den höheren Temperaturbereichen abfördert, in den Bereichen niedrigerer Temperatur aus der Dampfphase zur Flüssigphase kondensiert und in flüssiger Phase in die Bereiche höherer Temperatur zurückkehrt.

7. Zündkerze nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bereich höherer Temperatur der Isolatorfuß und ein Bereich niedrigerer Temperatur das Kerzengehäuse ist.

8. Zündkerze nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Stirnwand (80, 120, 210, 316, 412, 710) zwischen der Mittelektrode (44, 116, 218, 326, 416) unterhalb des unteren Endes des Isolatorkerns und der Wand der Gehäusebohrung (14, 114, 220, 312, 716) erstreckt.

9. Zündkerze nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnwand (412) des Wärmerohres (476) mit der die Gehäusebohrung umschließenden Schürze (410) einstückig und ringförmig ausgebildet ist.

10. Zündkerze nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnwand (710) des Wärmerohres (776) einstückig mit dem Isolatorkern (712) sowie ringförmig ausgebildet ist.

11. Zündkerze nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im unteren Ende der Gehäusebohrung (114, 220, 312, 716) eine ringförmige Schulter (112, 226, 310, 714) ausgebildet ist, an der der Außenumfang (130, 228, 332, 722) der Stirnwand (120, 210, 316, 710) anliegt.

12. Zündkerze nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige Schulter (310) einen größeren Durchmesser als die Gehäusebohrung (312) hat.

13. Zündkerze nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige Schulter (112, 226, 714) einen kleineren Durchmesser als die Gehäusebohrung (114, 220, 716) hat.

14. Zündkerze nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnwand (316) aus einem elektrisch isolierenden Material besteht und einen unteren Zylinderabschnitt

(336) aufweist, der zum unteren Ende der Mittelelektrode

(326) konzentrisch ist.

15. Zündkerze nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmerohr (576, 676) eine Konstruktion (616) mit einem elastischen Dochtsystem (538, 610), das ein unteres, ringförmiges Bodenteil (618),ein stehendes, radial innenliegenden Teil (620) sowie ein stehendes, radial außenliegendes Teil (622) umfaßt, und mit einer das Dochtsystem aufnehmenden dünnwandigen sowie undurchlässigen ringförmigen Hülse (532, 614), die eine untere ringförmige Bodenwand (540, 628), eine stehende, radial

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innenliegende Wand (542, 624) sowie eine stehende, radial außenliegende Wand (544, 626)umfaßt und die durch Zu- ^; sammenbringen sowie haftendes Verbinden der oberen Kan- . ten (548, 550, 630, 632) der konzentrischen ringförmigen* Wände hermetisch abgeschlossen ist, ist und daß die
dünnwandige Hülse ein hermetisch abgeschlossenes Behältnis für das Arbeitsmittel bildet, während das ela- \ stische Dochtsystem die Konstruktionsfestigkeit bietet,
um ein Zusammenfallen der Hülse bei Verminderung ihres
Innendrucks zu verhindern.