DE4237444A1 - Elektrisch beheizte Zündkerze zum Zünden von Kraftstoff-Luft-Gemischen - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer elektrisch beheizten Zündkerze nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es ist schon eine elektrisch beheiz­ te Zündkerze bekannt (DE-AS 19 08 971), bei der ein drahtförmiges Widerstandsheizelement in den brennraumseitigen, die Mittelelektrode umfassenden Längsabschnitt des Elektroisolierkörpers eingebettet ist; auch die elektrischen Zuleitungen zum Widerstandsheizelement sind in dem Elektroisolierkörper mit eingebettet. Der Einbau eines derartigen Widerstandsheizelements und seiner Zuleitungen in den Elektroisolierkörper ist sehr teuer und die Haltbarkeit einer sol­ chen Anordnung ist wegen der unterschiedlichen Wärmeausdehnungs­ koeffizienten von Elektroisolierkörper und Widerstandsheizelement unbefriedigend.

Weiterhin ist es bekannt (DE 40 07 190 C1), bei elektrisch beheizten Zündkerzen im Bereich der Mittelelektrode um den Elektroisolierkör­ per herum ein drahtförmiges Widerstandsheizelement anzuordnen, die­ ses mittels einer keramischen Hülse zu umfassen und die Zwischen­ räume zwischen dem Widerstandsheizelement und der keramischen Hülse mit einer keramischen Masse zu füllen; auch diese Ausführungsform einer elektrischen Heizung für eine Zündkerze ist sehr teuer und gewährleistet auf Dauer keine Betriebssicherheit.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße elektrisch beheizte Zündkerze mit den kenn­ zeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vor­ teil, daß das Widerstandsheizelement auf technisch einfache und ko­ stengünstige Weise an einer Zündkerze angebracht werden kann und auf Dauer funktionstüchtig bleibt.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor­ teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen elektrisch beheizten Zündkerze möglich. Besonders vor­ teilhaft ist es, wenn der Elektroisolierkörper aus zwei Bauteilen hergestellt wird, von denen das erste die Längsbohrung umfaßt, von im wesentlichen rotationssymmetrischer Form ist und über seine ge­ samte Länge im wesentlichen einen Durchmesser hat, welcher dem Durchmesser des das Widerstandsheizelement tragenden Längsabschnitts hat, und von denen das zweite Bauteil hülsenartig ausgebildet und auf das erste Bauteil aufgeschoben und darauf, den Bund des Elektro­ isolierkörpers bildend, festgelegt ist.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der Beschreibung näher erläutert; die Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine vergrößert dargestellte Zündkerze gemäß der Erfindung und die Fig. 2 und 3 zeigen Abwicklungen von auf dem Zündkerzen-Elektroisolierkörper aufgebrachten Konfigurationen von Widerstandsheizelementen.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Die in der Fig. 1 dargestellte (Hochspannungs-)Zündkerze 10 besitzt ein im wesentlichen rohrförmiges Metallgehäuse 11, das an seiner brennraumseitigen Außenseite ein Einschraubgewinde 11/1 und an­ schlußseits ein Schlüsselsechskant 11/2 als Mittel für den Einbau der Zündkerze 10 in eine (nicht dargestellte) Brennkraftmaschine aufweist, insbesondere für eine Brennkraftmaschine von Kraftfahr­ zeugen; auf die Darstellung eines Dichtringes wurde verzichtet. Die­ ses Metallgehäuse 11 umfaßt in seiner stufenförmigen Durchgangs­ bohrung 11/3 in bekannter Weise einen rotationssymmetrischen Elek­ troisolierkörper 12, der z. B. im wesentlichen aus gesintertem Alumi­ niumoxid besteht, anschlußseits einen sogenannten Kopf 12/1 besitzt, welchem sich in Richtung Brennkammer ein Bund 12/2 und ein Fuß 12/3 anschließen. Dieser Elektroisolierkörper 12 liegt mit einer Schulter 12/4, welche zwischen dem Bund 12/2 und dem Fuß 12/3 des Elektro­ isolierkörpers 12 gebildet ist, auf einem Absatz 11/4 in der Durch­ gangsbohrung 11/3 des Metallgehäuses 11; in üblicher Weise ist zwi­ schen der Schulter 12/4 des Elektroisolierkörpers 12 und dem Absatz 11/4 des Metallgehäuses 11 ein Dichtring 14 angeordnet. Auf einer anschlußseitigen Schulter 12/5 des Elektroisolierkörpers 12, die zwischen dem Kopf 12/1 und dem Bund 12/2 des Elektroisolierkörpers 12 gebildet ist, liegt in bekannter Weise ein Bördelring 15; über diesen Bördelring 15 ist der anschlußseitige Bereich des Metall­ gehäuses 11 als Bördelrand 11/5 geformt. Infolge der beschriebenen Fixierung des Elektroisolierkörpers 12 im Metallgehäuse 11 und zu­ sätzlich mittels des bekannten Warmschrumpfprozesses (US-PS 2 111 916) ist der Elektroisolierkörper 12 fest und dicht im Metallgehäuse 11 gehalten. Der Schrumpfbereich des Metallgehäuses 11 ist in der Figur mit dem Bezugszeichen 11/6 gekennzeichnet. Anstelle der Anwendung dieses Bördel und Warmschrumpfprozesses kann der Elek­ troisolierkörper 12 aber auch in bekannter Weise durch Einkitten o. ä. im Metallgehäuse 11 abdichtend festgelegt sein.

Der Elektroisolierkörper 12 besitzt in bekannter Weise eine stufen­ förmige Längsbohrung 12/6, deren im anschlußseitigen Bereich befind­ liche Kopfbohrung 12/7 einen größeren Durchmesser hat als die im brennraumseitigen Bereich des Elektroisolierkörpers 12 befindliche Fußbohrung 12/8; die Fußbohrung 12/8 beginnt etwa im Bereich des Absatzes 11/4 in der Durchgangsbohrung 11/3 des Metallgehäuses 11.

In dieser Fußbohrung 12/8 erstreckt sich eine Mittelelektrode 16, deren Schaft 16/1 im wesentlichen den Querschnitt der Fußbohrung 12/8 des Elektroisolierkörper-Fußes 12/3 ausfüllt, dabei mit ihrem brennkammerseitigen Ende über eine Funkenstrecke 17 einer am brenn­ raumseitigen Ende des Metallgehäuses 11 befestigten Masse-Elektrode 13 gegenübersteht und an ihrem anschlußseitigen Abschnitt über einen Bund 16/2 in einen wiederum mit kleinerem Durchmesser versehenen Kopf 16/3 übergeht. Der Bund 16/2 dieser Mittelelektrode 16 liegt in der Längsbohrung 12/6 des Elektroisolierkörpers 12 auf einem zwischen der Kopfbohrung 12/7 und der Fußbohrung 12/8 gebildeten Absatz 12/9 auf und bestimmt infolgedessen die Längsfixierung der Mittelelektrode 16. Die Mittelelektrode 16 besteht in bekannter Weise aus einem korrosionsfesten Material (z. B. aus einer Nickellegierung), sie kann in bekannter Weise auch mit einem (nicht dargestellten) Kern aus Wärme gut leitendem Material (z. B. Kupfer) und/oder im Zündbereich auch mit abbrandfesten Edelmetallen o. ä. versehen sein. Der Kopf 16/3 der Mittelelektrode 16 ist in bevorzugter Weise mit Verankerungsmitteln (z. B. Nuten, Flügel) versehen und ist von einer elektrisch leitenden und Wärme gut leitenden Vergußmasse 18 umgeben, die den hier befindlichen Bereich der Kopfbohrung 12/7 des Elektroisolierkörpers 12 ausfüllt und sich in dieser Kopfbohrung 12/7 auch noch weiter anschlußseits erstreckt. Derartige Vergußmassen 18 sind bekannt (z. B. aus DE-PS 12 06 209, US-PS 2 106 158), sie können zusätzlich auch noch mit als elektri­ scher Widerstand wirkenden Stoffen versehen sein (z. B. US-PS 3 903 453).

In die Vergußmasse 18 taucht anschlußseits ein bolzenförmiges An­ schlußelement 19 mit dem brennraumseitigen Endabschnitt seines Schaftes 19/1 ein; der in die Vergußmasse 18 eintauchende Abschnitt des Anschlußelements 19 ist in bekannter Weise mit Verankerungsmit­ teln 19/3 (z. B. Gewinde, Rändelung) ausgestattet. Dieses bolzenför­ mige Anschlußelement 19 besteht aus Metall und besitzt einen sich anschlußseits an seinen Schaft 19/1 anschließenden Kopf 19/2; dieser Kopf 19/2 des Anschlußelementes 19 weist einen Durchmesser auf, der größer ist als der Durchmesser des Schaftes 19/1 und der den Querschnitt der Längsbohrung 12/6 des Elektroisolierkörpers 12 ausfüllt. An diesen Kopf 19/2 des Anschlußelementes 19 ist anschlußseits ein Flansch 19/4 noch mit angeformt, der das anschlußseitige Ende der Längsbohrung 12/6 des Elektroisolierkörpers 12 abschließt und in einen (nicht dargestellten) Gewindeabschnitt übergeht, auf welchem eine mit einem sogenannten SAE-Profil ver­ sehene Anschlußmutter 20 aufgeschraubt ist.

Die in der Fig. 1 dargestellte Masse-Elektrode 13 ist als an das Metallgehäuse 11 angeschweißter, gebogener Draht ausgebildet, sie kann jedoch auch von anderer bekannter Konfiguration sein. Derartige Masse-Elektroden 13 bestehen aus abbrandfestem Material, z. B. aus einer Nickel-Legierung, sie können aber auch zusätzlich einen Kupferkern aufweisen und/oder mit Edelmetallen bestückt sein.

Ein am Kopf 12/1 des Elektroisolierkörpers 12 befindlicher Längsab­ schnitt ist mit mehreren koaxialen Ringnuten 12/11 versehen, die als Kriechstrombarriere dienen; derartige Ringnuten 12/11 sind Stand der Technik und können von unterschiedlichem Profil sein.

In der brennraumseitigen Stirnfläche 12/10 des Elektroisolierkörpers 12 ist eine koaxial um den brennraumseitigen Endabschnitt der Mit­ telelektrode 16 angeordnete Vertiefung 12/11 eingeformt, deren Ab­ messungen vom jeweiligen Brennkraftmaschinentyp abhängig ist; eine solche Vertiefung 12/11 wird als Atmungsraum bezeichnet.

Der Fuß 12/3 des Elektroisolierkörpers 12 ist von kreiszylindrischer Form und schließt brennraumseits mit seiner Stirnfläche 12/10 in etwa mit der Stirnfläche 11/6 des Metallgehäuses 11 ab, kann aber auch etwas hinter der Metallgehäuse-Stirnfläche 11/6 zurückstehen oder etwas über diese Metallgehäuse-Stirnfläche 11/6 hinausstehen. Auf der Umfangsfläche dieses Elektroisolierkörper-Fußes 12/3 ist erfindungsgemäß ein Widerstandsheizelement 21 angeordnet, das in Dickschichttechnik (z. B. Siebdruckverfahren, Abwälzverfahren) aufgebracht ist und aus einem geeigneten Material (z. B. Platinle­ gierung, Wolframlegierung) besteht. Die Konfiguration des Wider­ standsheizelementes 21 kann - in Abwicklung gezeigt - wie in der Fig. 2 der Zeichnung ausgeführt sein, d. h. mit im wesentlichen in Umfangsrichtung des Elektroisolierkörper-Fußes 12/3 verlaufenden Bahnen 21/1, die untereinander in Reihe geschaltet sind.

Bei einer anderen Ausführungsform eines Widerstandsheizelementes 21′ verlaufen die Bahnen 21/1′ achsparallel auf dem Elektroisolierkör­ per-Fuß 12/3 und sind dann ebenfalls elektrisch in Reihe geschal­ tet. Ein solches Widerstandsheizelement 21, 21′ ist bevorzugt auf demjenigen Längsabschnitt des Elektroisolierkörper-Fußes 12/3 mit­ tels Siebdruck oder Abwälztechnik aufgebracht, der die Vertiefung 12/11 (Atmungsraum) des Elektroisolierkörpers 12 umfaßt.

Das Widerstandsheizelement 21 ist über bahnartige elektrische Leiter 22, die auch durch ein Siebdruck oder Abwälzverfahren auf dem Elek­ troisolierkörper 12 aufgebracht sind, mit Anschlußelementen 23/1, 23/2 elektrisch leitend verbunden, die in bevorzugter Weise ringför­ mig ausgebildet und auf dem Elektroisolierkörper-Kopf 12/1 fest­ gelegt sind. Diese Anschlußelemente 23/1, 23/2 sind dabei mittels einer zwischen beiden angeordneten Isolierringscheibe 24 voneinander getrennt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist ein erster elek­ trischer Leiter 22 (in Fig. 1 auf der rechten Seite des Elektroiso­ lierkörpers 12) mit dem am weitesten anschlußseits auf dem Elektro­ isolierkörper-Kopf 12/1 befindlichen Anschlußelement 23/1 verbunden, während der zweite elektrische Leiter 22 (in Fig. 1 auf der linken Seite des Elektroisolierkörpers 12) mit dem nahe am Metallgehäuse 11 liegenden Anschlußelement 23/2 verbunden ist.

Bei der bevorzugten Ausführungsform einer solchen Zündkerze 10 ist der Elektroisolierkörper 12 aus zwei Bauteilen zusammengesetzt, wo­ bei zum ersten Bauteil der Kopf 12/1, und der Fuß 12/3 und ein Mit­ telabschnitt 12/13 des Elektroisolierkörpers 12 gehören, die alle einen Außendurchmesser wie der Elektroisolierkörper-Fuß 12/3 haben. Das zweite Bauteil der bevorzugten Ausführungsform des Elektroiso­ lierkörpers 12 ist der Elektroisolierkörper-Bund 12/2, der in diesem Falle rohrförmig ausgebildet ist und auf dem Mittelabschnitt 12/13 des ersten beschriebenen Bauelementes des Elektroisolierkörpers 12 festgelegt ist (vorzugsweise durch Sintern).

Bei dieser Ausführungsform des Elektroisolierkörpers 12 führen die vom Widerstandsheizelement 21 ausgehenden elektrischen Leiter 22 nicht über den Elektroisolierkörper-Bund 12/2, sondern über die Oberfläche des Elektroisolierkörper-Mittelabschnitts 12/13. Infolge dieser Gestaltung des Elektroisolierkörpers 12 kann das Widerstands­ heizelement 21 und die zugehörigen elektrischen Leiter 22 in einem einzigen Auftragungsschritt (Siebdruck- bzw. Abwälzverfahren) auf dem Elektroisolierkörper 12 aufgebracht werden.

Das Widerstandsheizelement 21 und die elektrischen Leiter 22 sind mittels einer elektrisch isolierenden Schicht (nicht dargestellt) bzw. mittels des beschriebenen rohrförmigen Bundes 12/2 abgedeckt und somit vor einem ungewollten elektrischen Kontakt mit dem elek­ trisch an Masse liegenden Metallgehäuse 11 geschützt.

Das Aufbringen des Widerstandsheizelements 21 und der elektrischen Leiter 22 kann bevorzugterweise auf das zylindrische, noch im "grünen Zustand" befindliche erste Bauelement des Elektroisolier­ körpers 12 erfolgen; anschließend wird dieses erste Bauelement mit dem aufgebrachten Widerstandsheizelement 21 und den elektrischen Leitern 22 fertiggesintert und erst dann der rohrförmige Bund 12/2 in einem zusätzlichen Sinterschritt auf dem ersten Bauelement des Elektroisolierkörpers 12 aufgesintert. Die nicht dargestellte Iso­ lierschicht kann auf dem Heizelement 21 bzw. den elektrischen Lei­ tern 22 durch bekannte Verfahren (z. B. Aufspritzen, Tauchen) aufge­ bracht sein.

Bei einer solchen Zündkerze 10 kann die über die Anschlußelemente 23/1, 23/2 zugeführte Heizleistung in Abhängigkeit vom elektrischen Widerstand des Widerstandsheizelementes 21 geregelt und demzufolge auf einem minimal erforderlichen Niveau gehalten werden. Der Wärme­ wert der Kerze wird über die Ausbildung der in der Elektroisolier­ körper-Stirnfläche 12/10 befindlichen Vertiefung 12/11 (Atmungsraum) beeinflußt.

Bei einer weiteren Ausführungsform einer solchen Zündkerze (nicht dargestellt) ist nur einer der beiden elektrischen Leiter 22 bis an ein Anschlußelement 23/1 geführt, während der andere elektrische Leiter 22 nur bis in den Bereich des Dichtringes 14 führt und dort mit dem elektrisch an Masse liegenden Metallgehäuse 11 in elektri­ schem Kontakt steht.

Zündkerzen mit elektrischem Widerstandsheizelement 21 verhindern Ab­ lagerungen von Ruß, Öl, Kohle und Asche im brennraumseitigen Bereich derartiger Zündkerzen 10 und bewirken demzufolge einen besseren Kaltstart, eine zuverlässigere Zündung und eine längere Lebensdauer der Zündkerzen. Sie ermöglichen außerdem einen geringeren Zündspan­ nungsbedarf und größere Wärmewertbereiche. Das Widerstandsheizele­ ment 21, 21′ gemäß vorliegender Erfindung ist sehr rationell und einfach auf dem Elektroisolierkörper 12 aufzubringen.

Claims (6)

1. Elektrisch beheizte Zündkerze (10) zum Zünden von Kraft­ stoff-Luft-Gemischen, insbesondere für Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen, mit einem rohrförmigen Metallgehäuse (11), das an seiner Außenseite Mittel (11/1, 11/2) zur Befestigung an einer Brennkammer aufweist und in seiner Durchgangsbohrung (11/3) einen rohrartigen Elektroisolierkörper (12) umfaßt, der auf einem mitt­ leren Längsabschnitt (12/13) mit einem zylinderförmigen Bund (12/2) zur festen und gasdichten Umfassung durch das Metallgehäuse (11) versehen ist, in seiner Längsbohrung (12/6, 12/8) brennraumseits eine Mittelelektrode (16) abdichtend umfaßt, die mit einem im an­ schlußseitigen Abschnitt (12/7) der Längsbohrung (12/6) des Elektro­ isolierkörpers (12) befindlichen Anschlußelement (19) elektrisch leitend in Verbindung steht und brennraumseits mit Abstand einer Masse-Elektrode (13) gegenübersteht, und wobei der Elektroisolier­ körper (12) im Bereiche seines brennraumseitigen Längsabschnitts (12/3) ein Widerstandsheizelement (21) besitzt, welches elektrisch isoliert zur Mittelelektrode (16) angeordnet ist und mit mindestens einem zum anschlußseitigen Bereich der Zündkerze (10) führenden elektrischen Leiter (22) mit Anschlußelement (23/1, 23/2) und ggf. mit einer elektrischen Verbindung zum Metallgehäuse (11) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der brennraumseitige Längsabschnitt (12/3) des Elektroisolierkörpers (12) von kreiszylindrischer Form ist und das Widerstandsheizelement (21) als Dickschicht vorbestimm­ ter Konfiguration auf der Umfangsfläche dieses Längsabschnitts (12/3) des Elektroisolierkörpers (12) angeordnet und im Bedarfsfall von einer Elektroisolierschicht bedeckt ist.

2. Beheizte Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der vom Heizelement (21) ausgehenden elektrischen Leiter (22) bzw. eine elektrische Verbindung zum Metallgehäuse (11) als auf dem Elektroisolierkörper (12) verlaufende Leiterbahn ausge­ bildet ist und außer den zugehörigen Verbindungsstellen mit einer Elektroisolierschicht versehen ist.

3. Beheizte Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Elektroisolierkörper (12) aus zwei Bau­ teilen zusammensetzt, wobei das erste Bauteil die Längsbohrung (12/6) umfaßt, von im wesentlichen rotationssymmetrischer Form ist und im wesentlichen über seine gesamte Länge einen Durchmesser hat, welcher dem Durchmesser des das Heizelement (21) tragenden Längsab­ schnitts (12/3) des Elektroisolierkörpers (12) entspricht, und wobei das zweite Bauteil hülsenartig ausgebildet ist und auf das erste Bauteil aufgeschoben und darauf, den Bund (12/2) des Elektroisolier­ körpers (12) bildend, festgelegt ist.

4. Zündkerzen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der min­ destens eine zum anschlußseitigen Bereich der Zündkerze (10) führen­ de, auf dem ersten Bauteil aufgebrachte elektrische Leiter (22) von dem zweiten Bauteil (12/2) in seinem Bereich abgedeckt ist.

5. Beheizte Zündkerze nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Bauteil auf dem ersten Bauteil durch Sintern festgelegt ist.

6. Beheizte Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der brennraumseitigen Stirnfläche (12/10) des Elektroisolierkörpers (12) eine den brennraumseitigen Endabschnitt der Mittelelektrode (16) umgebende Vertiefung (12/11) vorhanden ist.