DE69921929T2

DE69921929T2 - Zündkerze

Info

Publication number: DE69921929T2
Application number: DE69921929T
Authority: DE
Inventors: Yoshihiro Mizuho-ku Matsubara
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1998-09-25
Filing date: 1999-09-24
Publication date: 2005-11-24
Anticipated expiration: 2019-09-25
Also published as: DE69921929D1; JP2000164319A; EP0989645A2; EP0989645B1; EP0989645A3; US6335587B1; JP3574012B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zündkerze, die als Zündvorrichtung für Verbrennungsmotoren verwendet wird. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine Zündkerze zur Verwendung mit hochleistungsstarken und hochwirksamen Verbrennungsmotoren, wie etwa Umlaufmotoren und Kolbenmotoren mit hohem Kompressionsverhältnis.
In den hochleistungsstarken und hochwirksamen Verbrennungsmotoren kann die Standard-Zündkerze mit parallelen Elektroden nicht verwendet werden, nicht nur auf Grund der mechanischen Haltbarkeitsprobleme, wie die niedrige Hitzebeständigkeit und das Brechen der Masseelektrode, sondern auch auf Grund des Problems der Kohlenstoffverrußungen während das Fahrzeug mit wenig Blei betrieben wird. Stattdessen wurden Halbgleitfunken-Zündkerzen oder Intervall-Halbgleitfunken-Zündkerzen verwendet, die eine Mehrzahl von Masseelektroden haben, die zur seitlichen Umfangsfläche der Mittelelektrode gegenüber liegend angeordnet sind. Ein Problem mit diesen Halbgleitfunken-Zündkerzen ist, wie man die Funken-Resistenz verbessert und die Erosion (Abbrand) der Mittelelektrode verringert. Gemäß der ungeprüften japanischen Patent-Publikation (kokai) Nr. 6-176849, wird eine Zündkerze zur Verfügung gestellt, in der ein Antifunkenabbrandelement, das gewöhnlich aus einer Platinlegierung gebildet wird, um die Mittelelektrode in einen Bereich nahe der Stirnfläche des Keramikisolators angeordnet, so dass ungefähr die Hälfte des Antifunkenabbrandelements in dem Keramikisolator eingebettet ist. Dieses ist wirkungsvoll, um den Funkenabbrand der Mittelelektrode zu verhindern. Wenn die Oberfläche des Keramikisolators mit Kohlenstoff verrußt ist, wird eine Oberflächenentladung veranlasst, um eine Kerzenreinigung zu erzielen. Die Zündkerze hatte zu der Zeit als sie erfunden wurde eine ausreichende Zündleistung und ihre Funktionsdauer war zufriedenstellend.
Wie sich jedoch herausstellte, hat diese herkömmliche Zündkerze keine genügend große Lebensdauer, um den gegenwärtigen Anforderung zu genügen. Bis jetzt ist nicht gefordert worden, dass leistungsstarke Zündkerze ein sehr langes Leben haben und sie sind als zufriedenstellend erachtet worden, wenn sie einen Betrieb von 50.000 bis 60.000 Kilometer überstehen konnten. Jedoch wird in den letzten Jahren sogar von den leistungsstarken Zündkerzen gefordert, dass sie eine genügende Lebensdauer haben, um den Betrieb von 100.000 bis 120.000 Kilometer zu überstehen. Diese Anforderung kann nicht durch die Zündkerze entsprochen werden, die in der ungeprüften veröffentlichten japanischen Patent-Publikation (kokai) Nr. 6-176849 beschrieben wird, da die Oberfläche der Keramikisolators durch Funkenentladung geriefelt wird. Es ist herausgefunden worden, dass dieses Problem, welches "Riefenbildung" genannt wird, aus den folgenden Gründen auftritt.
In der Zündkerze, wie sie in der ungeprüften japanischen Patent-Publikation (kokai) Nr. 6-176849 beschrieben wird, wird ein Antifunkenabbrandelement, das gewöhnlich aus einer Platinlegierung gebildet wird, um die Mittelelektrode in einem Bereich nahe der Stirnfläche des Keramikisolators in einer solchen Weise angeordnet, dass es teilweise in dem Keramikisolator eingebettet ist. In der Zündkerze, wenn sie neu ist und der Keramikisolator nicht mit Kohlenstoff verrußt ist, treten ungefähr 70% der Funkenüberschläge zwischen der Oberseite der Mittelelektrode und der seitlichen Masseelektrode auf. Die restlichen 30% der Funkenüberschläge treten als Oberflächenentladung auf, die auf der Stirnfläche des Keramikisolators gleiten. Wenn die Oberfläche des Keramikisolators mit Kohlenstoff verrußt ist, treten Funkenüberschläge natürlich ausschließlich als eine Oberflächenentladung auf, was die Funkenreinigung des Keramikisolators bewirkt.
Jedoch ist nach einer Verwendung, die mit dem Betrieb über einige zehntausend Kilometer gleichwertig ist, der distale Endabschnitt der Mittelelektrode, der nicht von dem Antifunkenabbrandelement umgeben ist, durch Funkenentladung erodiert (abgebrannt). Dieses erhöht den Abstand zwischen dem distalen Endabschnitt der Mittelelektrode und der seitlichen Masseelektrode, und folglich wird der Entladungsabstand erhöht, so dass es schwierig ist, Funkenüberschläge zu erzielen. Als ein Resultat des Abbrands des distalen Endabschnitts der Mittelelektrode, würde das nahe gelegene elektrische Feld verringert worden sein. Infolgedessen ist die Primärentladung, die in der Zündkerze auftritt, die Oberflächenentladung, die durch das Überschlagen von Elektrizität zwischen der Nachbarschaft der Basis der Mittelelektrode, die von dem Antifunkenabbrandelement umgeben ist, und der seitlichen Masseelektrode verursacht wird. Deshalb ist nach einem Betrieb von einigen zehntausend Kilometern die Entladung, die hauptsächlich in der Zündkerze stattfindet, die Oberflächenentladung, die auf der Stirnfläche des Keramikisolators gleitet, und das Voranschreiten der "Riefenbildung" wird beschleunigt. Wenn die "Riefenbildung" voranschreitet, wird die mechanische Haltbarkeit wie die Hitzebeständigkeit der Zündkerze beeinträchtigt oder seine Zuverlässigkeit wird gesenkt, was schließlich zu einen kürzeren Funktionsdauer der Zündkerze führt.
EP-A1-0671739 offenbart einen Halbgleit-Typ einer Zündkerze, worauf der vorcharakterisierende Abschnitt des Anspruchs 1 beruht. Wie in 5e und 5f dieses Dokuments gezeigt, wird eine Edelmetallschicht auf die Mittelelektrode geschweißt, die sich auf der Höhe des Isolators befindet und sich teilweise in diesen hinein erstreckt.
Es ist ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, eine Zündkerze zur Verwendung mit den hochleistungsstarken, hochwirksamen Verbrennungsmotoren zur Verfügung zu stellen, die eine hohe Resistenz nicht nur gegen Verrußen, sondern auch gegen Riefenbildung hat, so dass sie geeignet ist, über eine verlängerte Lebensdauer zu funktionieren. Ein Zündkerze gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst: einen Keramikisolator, der ein Mitteldurchgangsloch hat; eine Mittelelektrode, die in dem Mitteldurchgangsloch gehalten wird, wobei die Mittelelektrode ein distales Ende hat, dass mit einem Antifunkenabbrandelement versehen ist; eine Metallummantelung, welche den Keramikisolator hält; und eine Mehrzahl von Masseelektroden, die elektrische Verbindung zur Metallummantelung haben, wobei die Mehrzahl der Masseelektroden eine Funkenentladungsstrecke vom distalen Endabschnitt der Mittelelektrode bilden; wobei der kürzeste Abstand von der Stirnfläche jeder Masseelektrode zum Keramikisolator kleiner als die Funkenentladungsstrecke ist; und das distale Ende der Mittelelektrode von einer Stirnfläche des Keramikisolators hervorsteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelelektrode eine Mittelelektrodenmatrix in einer Ebene umfasst, die mit der Stirnfläche des Keramikisolators koextensiv ist.
Ausführungsformen der Erfindung werden jetzt nur beispielhaft mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, wobei:
1 ist eine teilweise Schnittansicht einer Zündkerze gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine Schnittansicht, die vergrößert einen distalen Endabschnitt einer Zündkerze gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
3A und 3B sind Schnittansichten, die vergrößert einen distalen Endabschnitt einer herkömmlichen Zündkerze darstellen;
4 ist eine Darstellung, die eine Beziehung zwischen einer Zunahme eines seitlichen Luftspalts G und einer Betriebsdauer zeigt;
5 ist eine Darstellung, die eine Beziehung zwischen einer Entladungsspannung und einer Betriebsdauer zeigt;
6A ist eine Schnittansicht, die vergrößert einen distalen Endabschnitt einer Zündkerze gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
6B ist eine Schnittansicht, die vergrößert einen distalen Endabschnitt einer Zündkerze gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
7 ist eine Schnittansicht, die vergrößert einen distalen Endabschnitt einer Zündkerze gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
8A ist eine Schnittansicht, die vergrößert einen distalen Endabschnitt einer Zündkerze gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
8B ist eine Perspektivansicht, die vergrößert einen distalen Endabschnitt einer Zündkerze gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
9A ist eine Schnittansicht, die vergrößert einen distalen Endabschnitt einer Zündkerze gemäß einer sechsten Ausführungsform der voriegenden Erfindung zeigt;
9B bis 9D sind Perspektivansichten, die einen distalen Endabschnitt einer Mittelelektrode zeigen;
10A ist eine Schnittansicht, die vergrößert einen distalen Endabschnitt einer Zündkerze gemäß einer siebenten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
10B ist eine Schnittansicht, die vergrößert einen distalen Endabschnitt einer Zündkerze gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
11 ist eine Schnittansicht, die vergrößert einen distalen Endabschnitt einer Zündkerze gemäß einer neunten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
12A ist eine Schnittansicht, die vergrößert einen distalen Endabschnitt einer Zündkerze gemäß einer zehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
12B ist eine Schnittansicht, die vergrößert einen distalen Endabschnitt einer Zündkerze gemäß einer elften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
13 ist eine Schnittansicht, die vergrößert einen distalen Endabschnitt einer Zündkerze gemäß einer zwölften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden wie folgt im Detail beschrieben: Ein Zündkerze gemäß der vorliegenden Erfindung hat einen Keramikisolator, der ein Mitteldurchgangsloch hat, eine Mittelelektrode, die in dem Mitteldurchgangsloch gehalten wird, eine Metallummantelung, welche den Keramikisolator hält, und eine Mehrzahl von Masseelektroden, die elektrischen Verbindung zur Metallummantelung haben. In der Zündkerze bilden die Mehrzahl der Zündkerzen eine Funkenentladungsstrecke vom distalen Endabschnitt der Mittelelektrode. Die Zündkerzen sind so ausgebildet, dass der kürzeste Abstand von der Stirnfläche jeder Masseelektrode zum Keramikisolator kleiner als die Funkenentladungsstrecke ist. Die Mittelelektrode ist derart, dass sein distales Ende, das mit einem Antifunkenabbrandelement versehen ist, von der Stirnfläche des Keramikisolators hervorsteht und dass sie aus einer Mittelelektrodenmatrix in einer Ebene gebildet wird, die mit dem Stirnfläche der Keramikisolators koextensiv ist.
Das Antifunkenabbrandelement kann aus irgendwelchen Edelmetallmaterialien gebildet werden, die höhere Schmelzpunkte als Inconel haben, welches eine in hohem Maße korrosionsbeständige Nickellegierung ist, die allgemein als Elektrodenmaterial verwendet wird. Insbesondere kann das Antifunkenabbrandelement aus irgendwelchen Materialien einschließlich Edelmetallen, Edelmetalllegierungen und Edelmetallsinter wie Platin (Pt), Platin-Iridium (Pt-Ir), Platin-Nickel (Pt-Ni), Platin-Iridium-Nickel (Pt-Ir-Ni), Platin-Iriodium (Pt-Rh), Iridium-Rhodium (Ir-Rh) und Iridium-Yttriumoxid (Ir-Y₂O₃) gebildet werden.
Mit dem oben beschrieben Aufbau sind ungefähr 70% der Funkenüberschläge, die in einer neuen Zündkerze auftreten, solche die zwischen der seitlichen Umfangsoberfläche des distalen Endabschnitts der Mittelelektrode und der Stirnfläche der seitlichen Masseelektrode auftreten. Die restlichen 30% treten als Oberflächenentladung auf, die auf der Stirnfläche des Keramikisolators gleitet und die durch das Überschlagen von Elektrizität zwischen dem Bereich der Mittelelektrode, der nahe ihrer Basis ist, und der seitlichen Masseelektrode verursacht wird. Der kürzeste Abstand von der Stirnfläche jeder Masseelektrode zum Keramikisolator wird kleiner ausgebildet als der kürzeste Abstand von der Stirnfläche jeder Masseelektrode zur seitlichen Umfangsoberfläche der Mittelelektrode. Wenn die Stirnfläche des Keramikisolators mit Kohlenstoff verrußt ist, werden folglich 100% der Funkenüberschläge als Oberflächenentladung auftreten, so dass die mit Kohlenstoff verrußte Stirnfläche der Keramikisolators einer Funkenreinigung unterzogen wird. Wegen dieses Mechanismus hat die Zündkerze der vorliegenden Erfindung eine hohe Resistenz gegen Verrußen.
Nach der Verwendung, die mit einer Fahrzeuglaufleistung von einigen zehntausend Kilometern vergleichbar ist, wird die Basis der Mittelelektrode (die nahe der Stirnfläche des Keramikisolators ist), durch die Oberflächenfunkenentladung verbraucht und ihr Durchmesser wird ein wenig kleiner. Weil die Mittelelektrode mit ihrer Matrix in einer Fläche gebildet wird, die mit der Stirnfläche des Keramikisolators koextensiv ist, wird das Antifunkenabbrandelement in einem Bereich an die Mittelelektrode befestigt, der mindestens einen vorbeStirnmten Abstand von der Stirnfläche des Keramikisolators hat. Das Antifunkenabbrandelement wird nicht nahe der Stirnfläche des Keramikisolators zur Verfügung gestellt. Dieser Teil der Mittelelektrode, der sicher mit dem Antifunkenabbrandelement befestigt ist, verbraucht sich in verhältnismäßig geringem Maße. Info gedessen wird der Entladungsabstand zwischen der seitlichen Umfangsoberfläche der Mittelelektrode nahe der Stirnfläche des Keramikisolators und der seitlichen Masseelektrode größer als wenn die Zündkerze in einem fabrikneuen Zustand wäre. Andererseits verändert sich der Entladungsabstand zwischen diesem Teil der Mittelelektrode, der sicher mit dem Antifunkenabbrandelement befestigt ist, und der seitlichen Masseelektrode nicht viel.
Nach einer Laufleistung von einigen zehntausend Kilometern ist die Entladung, die hauptsächlich in der Zündkerze auftritt, die Funkenentladung zwischen diesem Teil der Mittelelektrode, der sicher mit dem Antifunkenabbrandelement befestigt ist, und der seitlichen Masseelektrode, während eine Oberflächenentladung von der Basis der Mittelelektrode sehr selten auftritt. So wird das Fortschreiten der "Riefenbildung" verzögert, und die Lebensdauer der Zündkerze wird ausgedehnt. Weiterhin wird der kürzeste Abstand von der Stirnfläche jeder Masseelektrode zum Keramikisolator kleiner als der kürzeste Abstand von der Stirnfläche jeder Masseelektrode zur seitlichen Umfangsoberfläche der Mittelelektrode gewählt. Wenn die Stirnfläche des Keramikisolators mit Kohlenstoff verrußt ist, schlagen deshalb Funken von der seitlichen Masseelektrode zur Stirnfläche des Keramikisolators über und die resultierende Oberflächenentladung erzielt die Funkenreinigung des Keramikisolators, so dass die Resistenz der Zündkerze gegen Verrußen aufrecht erhalten wird.
In der Zündkerze gemäß der vorliegenden Erfindung, ist es zu bevorzugen, dass die Stirnfläche des Keramikisolators vorzugsweise von dem Antifunkenabbrandelement mit einen Abstand von mindestens 0,2 mm beabstandet ist.
Dementsprechend, selbst wenn die Häufigkeit der Funkenüberschläge von dem Antifunkenabbrandelement zur seitlichen Masseelektrode zunimmt wenn die Basis der Mittelelektrode durch Funken erodiert ist, oder wenn die Oberfläche des Antifunkenabbrandelements oxidiert oder anderweitig aufgeraut wird, wird die Wahrscheinlichkeit verringert, dass der Keramikisolator durch Funkenentladung beschädigt wird und „Riefenbildung" verursacht wird.
Bei der Zündkerze ist es vorzuziehen, dass der Durchmesser der Mittelelektrode vorzugsweise nicht mehr als 2 mm ist.
Diese Struktur hat den Vorteil, es zu ermöglichen, dass Kohlenstoffverrußungen durch Funkenreinigung während des Prozesses der Oberflächenentladung beseitigt werden, in welchem Funkenentladung auf der Stirnfläche der Keramikisolators auftritt. Ein weiterer Vorteil ist eine verbesserte Zündleistung der Zündkerze.
In der Zündkerze ist es vorzuziehen, dass das distale Ende der Mittelelektrode zwischen der Kante der Stirnfläche jeder Masseelektrode, die näher an dem distalen Ende der Zündkerze ist, und der gegenüberliegenden Kante der Stirnfläche angeordnet ist.
Mit dieser Struktur ist die Entladung, die hauptsächlich in der Zündkerze auftritt, eine Entladung zwischen dem distalen Ende der Mittelelektrode und der Stirnfläche der seitlichen Masseelektrode, und Oberflächenentladung tritt nur stoßweise auf der Stirnfläche des Keramikisolators auf. Dieses Phänomen tritt ungeachtet dessen auf, ob die Zündkerze von diskontinuierlichem Halbgleitfunkentyp ist, in welcher sich die Stirnfläche jeder Masseelektrode näher an dem distalen Ende der Zündkerze befindet, als der Keramikisolator oder vom Halbgleitfunkentyp ist, in welchem sich der Keramikisolator zwischen der Stirnfläche jeder Masseelektrode und der Mittelelektrode befindet. Infolgedessen wird die Stirnfläche des Keramikisolators durch Funken mit einer geringeren Häufigkeit beeinträchtigt, und die Zündkerze hat ausreichende Resistenz gegenüber „Riefenbildung". Als weiterer Vorteil ist der kürzeste Abstand von der Stirnfläche jeder Masseelektrode zum Keramikisolator kleiner als der kürzeste Abstand von der Stirnfläche jeder Masseelektrode zur Umfangsoberfläche der Mittelelektrode. Wenn die Oberfläche der Keramikisolators mit Kohlenstoff verrußt ist, treten folglich Halbgleitfunkenentladungen positiv auf, um sicherzustellen, dass die Oberfläche des Keramikisolators einer Funkenreinigung unterzogen wird.
In der Zündkerze ist es vorzuziehen, jede Masseelektrode so einzustellen, dass der Abstand zum Keramikisolator mindestens 0,3 mm beträgt.
Mit dieser Gestaltung ist es weniger wahrscheinlich, dass sich eine Kohlenstoffbrücke zwischen jeder Masseelektrode und der Stirnfläche des Keramikisolator ausbildet, wenn Kohlenstoffverrußung auftritt und die Zündkerze dementsprechend resistenter gegen Kohlenstoffverrußung beim Kaltstart wird.
In der Zündkerze ist es vorzuziehen, dass die Stirnfläche des Keramikisolators wie ein umgekehrter Kegel geformt ist, der in Richtung zur Mittelelektrode ausgerichtet ist.
Mit dieser Gestaltung erhöht sich der Abstand, über den Oberflächenentladungen auf der Stirnfläche des Keramikisolators auftritt, so dass die Zündkerze beständiger gegen Kohlenstoffverrußen, und folglich „Riefenbildung" wird. Wenn es der alleinige Zweck ist, den Abstand, über den Oberflächenentladungen auf der Stirnfläche des Keramikisolators auftreten, zu erhöhen, kann letzterer wie ein Kegel anstatt eines umgekehrten Kegels geformt werden. Tatsächlich jedoch ist die konische Form empfindlich gegen „Riefenbil dung", da der Winkel, mit dem die Stirnfläche des Keramikisolators der Funkenentladung von der seitlichen Masseelektrode ausgesetzt wird, nahe 90 Grad ist.
In der Zündkerze ist vorzugsweise der Durchmesser der Mittelelektrode am distalen Ende größer als an der Stirnfläche des Keramikisolators.
Mit dieser Gestaltung tritt Funkenentladung primär am distalen Endabschnitt der Mittelelektrode auf, wo der Entladungsabstand klein ist, und die Häufigkeit der Funkenentladung, die nahe der Basis der Mittelelektrode auftritt, ist so klein, dass die Zündkerze eine erhöhte Resistenz gegen „Riefenbildung" hat. Ein anderer Vorteil ist eine verbesserte Zündleistung in der Brennkammer.
In der Zündkerze wird vorzugsweise das Antifunkenabbrandelement am oder nahe am distalen Ende der Mittelelektrode befestigt.
Mit dieser Gestaltung, wenn die Umfangsoberfläche der Mittelelektrode Funkenerosion unterworfen ist, die aus dem Lauf über einen beträchtlichen Zeitabschnitt hervorgeht, wird der Funkenüberschlag von dem Antifunkenabbrandelement zum distalen Ende der Mittelelektrode überwiegen, so dass die Zündkerze resistenter gegen die „Riefenbildung" wird. Zusätzlich hat der Funken eine verbesserte Zündleistung in der Brennkammer.
In der Zündkerze ist vorzugsweise die axiale Position der Stirnfläche des Keramikisolators zwischen der Kante der Stirnfläche jeder Masseelektrode, die sich näher an dem distalen Ende der Zündkerze befindet, und der gegenüberliegenden Kante der Stirnfläche, und der axiale Abstand der Stirnfläche des Keramikisolators zur gegenüberliegenden Kante der Stirnfläche jeder Masseelektrode mindestens 40% der Dicke der Stirnfläche jeder Masseelektrode ist (d.h., der Abstand zwischen der Kante der Stirnfläche, die näher an dem distalen Ende der Zündkerze ist, und der gegenüberliegenden Kante der Stirnfläche).
Mit dieser Gestaltung ist es wahrscheinlicher, dass die Funkenentladung zur Kante der Stirnfläche jeder Masseelektrode überschlägt, die näher am distalen Ende der Zündkerze ist, während es weniger wahrscheinlich ist, dass Funken engen Kontakt mit der Oberfläche des Keramikisolators haben; als Resultat hat die Zündkerze eine größere Resistenz gegen „Riefenbildung".
Verschiedene bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden unter Bezug auf die begleitenden Zeichnungen unten beschrieben.
1 ist ein Teilabschnitt einer Zündkerze 20 gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein Keramikisolator 1, der gewöhnlich aus Tonerde gebildet wird, hat einen gewellten oberen Bereich 1A, der einen genügenden Abstand für Oberflächenentladung sichert, und einen länglichen unteren Beinbereich 1B, welcher der Brennkammer eines Verbrennungsmotors ausgesetzt werden soll. Ein Mitteldurchgangsloch 1C erstreckt sich axial durch den Keramikisolator 1. Eine Mittelelektrode 2, die aus einer Nickellegierung wie Inconel gebildet wird, wird am unteren Ende (dem distalen Ende) des Mitteldurchgangslochs 1C gehalten, und erstreckt sich abwärts von der unteren Stirnfläche des Keramikisolators 1. In der Praxis wird die Mittelelektrode 2 nicht allein aus Inconel gebildet, sondern es wird ein Kupferkern (Cu) in der Mitte eingesetzt, um eine höhere Wärmeleitfähigkeit zur Verfügung zu stellen, obgleich er nicht dargestellt ist, um Komplexität der Zeichnung zu vermeiden. Die Mittelelektrode 2 wird elektrisch an einen oberen Anschluss 4 über einen Glaswiderstand 3 angeschlossen, der innerhalb des Mitteldurchgangslochs 1C bereitgestellt wird. Ein hochspannungsbeständiges Kabel (nicht gezeigt) wird an den Anschluss 4 angeschlossen, damit Hochspannung daran angelegt wird. Der Keramikisolator 1 ist umschlossen und wird getragen von einer Metallummantelung 5.
Die Metallummantelung 5 wird aus einem kohlenstoffarmen Stahlmaterial gebildet und hat einen sechseckigen Bereich 5A, an den ein Zündkerzenschlüssel passt und einen Gewindebereich 5B, der in einen Zylinderkopf geschraubt wird. Die Metallummantelung 1 hat auch einen Klemmbereich 5C, der erlaubt, dass sie an dem Keramikisolator 1 festgeklemmt wird, um eine integrale Anordnung der zwei Elemente zur Verfügung zu stellen. Um eine vollständige Dichtheit durch Klemmen sicherzustellen, wird eine Platte des Elements 6 zwischen einer Stufe 5E auf der inneren Peripherie der Metallummantelung 5 und des Keramikisolators 1 zur Verfügung gestellt, damit der ausgedehnte Bereich 1B, der in der Brennkammer hervorsteht, eine vollständige Dichtheit mit dem oberen Bereich des Keramikisolators 1 hat. Drähte der Dichtungselemente 7 und 8 werden zwischen dem Klemmbereich 5C und dem Keramikisolator 1 zur Verfügung gestellt. Der Abstand zwischen den zwei Dichtungselementen 7 und 8 wird mit den Partikeln aus Talkum 9 gefüllt, um ein Dichtungsband zur Verfügung zu stellen, welches dicht genug ist, um sicherzustellen, dass die Metallummantelung 5 formschlüssig an dem Keramikisolator 1 befestigt ist. Selbstverständlich kann die Zündkerze von einer talkum-freien Art sein. Eine Dichtung 10 wird zwischen dem sechseckigen Bereich 5A und dem Gewindebereich 5B eingepasst. Zwei Masseelektroden 11 aus einer Nickellegierung werden an das untere Ende des Metallummantelung 5 geschweißt. Die Masseelektroden 11 sind so ausgebildet, dass ihre Stirnflächen der seitlichen Umfangsoberfläche der Mittelelektrode 2 entgegen stehen.
2 ist eine Schnittansicht, die vergrößert den distalen Endabschnitt einer Zündkerze gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt. Die Zündkerze wird in 2 mit dem distalen Ende oben dargestellt, nicht nach unten zeigend, wie in 1. Die Mittelelektrode 2 wird durch eine durchgezogene Linie angezeigt, um einen abgenutzten Zustand als Resultat des Betriebs über ungefähr 100.000 Kilometer darzustellen, und wird durch eine zwei-kurz-ein-lang-gestrichelte Linie dargestellt, die einen fabrikneuen Zustand veranschaulicht. Der abgenutzte Zustand ist ein wenig übertrieben dargestellt. Ein Antifunkenabbrandelement 21, speziell aus Platin (Pt) gebildet, wird an der seitlichen Umfangsoberfläche der Mittelelektrode 2 durch Laserschweißen befestigt. Das Antifunkenabbrandelement 21 ist von Stirnfläche des Keramikisolator 1 um einen Abstand H beabstandet. Die zwei Masseelektroden 11 werden in diametralen Positionen zur Verfügung gestellt werden, damit die Stirnfläche 11A jeder Masseelektrode 11 der seitlichen Umfangsoberfläche der Mittelelektrode 2 entgegen steht. Der kürzeste Abstand F von der Stirnfläche 11A jeder Masseelektrode 11 zum Keramikisolator 1 wird kleiner gewählt als der kürzeste Abstand G von der Stirnfläche 11A jeder Masseelektrode 11 zur seitlichen Umfangsoberfläche der Mittelelektrode 2.
Details der Dimensionierung der einzelnen Teile, die in 2 gezeigt sind, werden unten angegeben. Die Mittelelektrode 2 hat einen Durchmesser A, der gleich 2,0 mm ist (alle Maße, die unten genannt werden, sind in Millimeter); die Mittelelektrode 2 steht von dem Keramikisolator 1 um einen Betrag B hervor, der gleich 1,8 ist; die Stirnfläche des Keramikisolators 1 hat einen Durchmesser C, der gleich 4,6 ist. Der Abstand D von der Stirnfläche des Keramikisolators 1 zur Kante der Stirnfläche 11A jeder Masseelektrode 11, die näher an dem distalen Ende der Zündkerze ist (was in 2 oben gezeigt wird), ist gleich 2,1 (dieses Maß wird nachstehend als der Hervorstehbetrag D jeder Masseelektrode bezeichnet). Die Dicke E jeder Masseelektrode 11 (d.h., der Abstand von der oberen Kante der Stirnfläche 11A jeder Masseelektrode zur unteren Kante der Stirnfläche, wie in 2 gezeigt) ist gleich 1,6. Der Abstand F von der unteren Kante der Stirnfläche 11A jeder Masseelektrode 11 zur Stirnfläche des Keramikisolators 1 (dieses Maß wird nachstehend als der Halbgleit-Entladungsluftabstand F bezeichnet), ist gleich 0,5. Der Abstand G von der Stirnfläche 11A jeder Masseelektrode 11 zur seitlichen Umfangsoberfläche der Mittelelektrode 2 (dieses Maß wird nachstehend als der seitliche Elektroden-Luftabstand G bezeichnet) ist gleich 1,3. Der Abstand H, um den die Stirnfläche des Keramikisolators 1 vom Antifunkenabbrandelement 21 beabstandet wird, ist gleich 0,5.
Der Halbgleit-Entladungsabstand F ist kleiner als der seitliche Elektroden-Luftabstand G. Der Abstand H, um den die Stirnfläche des Keramikisolators von dem Antifunkenabbrandelement beabstandet ist, ist 0,5, was größer als 0,2 ist. Der Durchmesser A der Mittelelektrode ist 2,0. Der Betrag des Hervorstehens D jeder Masseelektrode ist größer als der Betrag des Hervorstehens B der Mittelelektrode und (D-B) ist kleiner als die Dicke E jeder Masseelektrode. Weiter ist die Halboberflächen-Entladungs-Luftabstand F gleich 0,5, was größer als 0,3 ist. Experimente wurden durchgeführt, um die Haltbarkeit dieser Zündkerze mit der von zwei herkömmlichen Zündkerzen zu vergleichen.
3A und 3B zeigen im Schnitt die distalen Endabschnitte der zwei herkömmlichen Zündkerzen, die in den vergleichenden Experimenten verwendet wurden. Die Zündkerze, die in 3A gezeigt ist, hat ein Antifunkenabbrandelement (Pt) 21, dass so an die seitliche Umfangsoberfläche der Mittelelektrode 2 befestigt ist, dass es teilweise in dem Keramikisolator 1 eingebettet ist. Diese herkömmliche Zündkerze wird Zündkerze B genannt. Die Zündkerze, die in 3B gezeigt ist, hat kein Antifunkenabbrandelement, das an der Mittelelektrode 2 angebracht ist, die nur allein aus einer Nickellegierung besteht (95 Gewichtsprozent Ni). Diese herkömmliche Zündkerze wird Zündkerze C genannt. Die Zündkerze der vorliegenden Erfindung, die in 2 gezeigt ist, wird Zündkerze A genannt. Die drei Zündkerzen sind mit völlig gleichen Maßen ausgebildet und der einzige Unterschied besteht darin, ob ein Antifunkenabbrandelement verwendet wird, oder in welcher Lage es befestigt wird, wenn es verwendet wird. In Figuren. 3A und 3B wird die Mittelelektrode 2 durch eine durchgezogene Linie angezeigt, um ein wenig übertrieben einen abgenutzten Zustand darzustellen, der aus dem Lauf über einige zehntausend Kilometern hervorgeht, und durch eine zwei-kurz-ein-lang-gestrichelte Linie, um einen fabrikneuen Zustand zu zeigen, ähnlich wie in 2.
4 und 5 zeigen die Resultate der Bordzuverlässigkeitstests. Die Testzündkerzen wurden mit einem 2-Liter-6-Zylinder-Reihenmotor betrieben, der unter Vollgas-Bedingungen (WOT: weit offene Drossel) bei 5.000 U/min laufen gelassen wurde. Dieser Betrieb war mit dem Fahren bei ungefähr 170 Kilometern pro Stunde gleichwertig; eine Haltbarkeitsdauer von 300 h war mit dem Fahren über 50.000 Kilometer und eine Haltbarkeitsdauer von 600 h war mit dem Fahren über 100.000 Kilometer gleichwertig. In beiden 4 und 5, bezieht sich O auf die Daten für Zündkerze A (die Erfindungsprobe), σ bezieht sich auf die Daten für Zündkerze B (die herkömmliche Probe mit Pt), und Δ bezieht sich auf die Daten für Zündkerze C (die herkömmliche Probe ohne Pt).
4 ist ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen der Zunahme des seitlichen Luftspalts G und der Betriebsdauer zeigt. Wenn die Betriebsdauer 200 h überstieg, begannen die Daten für die drei Zündkerzen auseinander zu laufen und bei 400 h war die Abweichung erheblich. Bis zu 600 h verschoben sich die Daten für die drei Zündkerzen im Allgemeinen parallel zueinander. Zu jeder Betriebsstunde erfuhr die Zündkerze A der Erfindung die kleinste Zunahme des seitlichen Luftspalts G und hatte die höchste Haltbarkeit. Die Zündkerze B war schlechter und die Zündkerze C war die schlechteste.
5 ist ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen der Entladungsspannung und der Betriebsdauer zeigt. Die Entladungsspannung wurde durch eine momentane maximale Entladungsspannung, die während des Leerlauflaufs auftrat (Leerlauf gefolgt vom Lauf) ausgedrückt und ausgewertet. In einem fabrikneuen Zustand zeigte die Zündkerze A der Erfindung eine höhere Entladungsspannung als die herkömmlichen Zündkerzen B und C. Als der Betrieb fortgesetzt wurde, drehte sich die Tendenz um, und als die Betriebsdauer 100 h überstieg, hatte Zündkerze A die niedrigste Entladungsspannung, gefolgt von den Zündkerzen B und C. Diese Tendenz setzte sich weiter fort bis zu einer Betriebsdauer von 600 h. Die Zunahme der Entladungsspannung von Zündkerze A verringerte sich stufenweise. Die Entladungsspannungen der Zündkerzen B und C erhöhten sich auch bei einer Betriebsdauer von 200 h bis 300 h, aber in der Periode von 300 h bis 600 h, neigte die Zunahme der Entladungsspannung dazu, sich ein wenig zu erhöhen. Diese Resultate zeigen auch, dass die Zündkerze A der Erfindung haltbarer ist als die Zündkerzen B und C.
Die Zündkerzen A, B und C, die den Zuverlässigkeitstests für 600 h unterworfen wurden, wurden auch auf ihre Anti-Riefenbildung und andere Eigenschaften untersucht. Die Resultate werden in Tabelle 1 unten gezeigt, aus der man ersehen kann, dass während des Kohlenstoffverrußens des Keramikisolators 1 der Funkenüberschlag in jeder Zündkerze zu 100% Halbgleitentladung verursachte. Das heißt, zu jeder Betriebsdauer, verursachte die Kohlenstoffverrußung, dass Elektrizität von der seitlichen Masseelektrode 11 zu der Kante der Stirnfläche des Keramikisolators 1 überschlägt, worauf Funken auf das Stirnfläche wanderten, um die Mittelelektrode 2 zu erreichen. Infolgedessen wurde die Kohlenstoffablagerung auf der Oberfläche des Keramikisolators durch die Funken sauber gebrannt und der mit Kohlenstoff verrußte Isolator war positiv funkengereinigt. Tabelle 1
Der Funkenüberschlag, der im oberen Bereich der Mittelelektrode 2 auftrat, nachdem sie für 50.000 Kilometer gelaufen war (300 h), war 90% bei Zündkerze A, 35% bei Zündkerze B und 55% bei Zündkerze C. Die übrigen Funkenüberschläge traten nahe der Basis der Mittelelektrode 2 auf und verursachten Halboberflächenentladungen auf der Stirnfläche des Keramikisolator 1. Wie in 2 gezeigt, hatte die Zündkerze A ein Antifunken abbrandelement (Pt) 21 an der Mittelelektrode 2 in einem Bereich befestigt, der von der Stirnfläche des Keramikisolators 1 um den spezifizierten Abstand von H = 0,5 mm beabstandet war. Als Ergebnis des Laufs über die ersten 50.000 Kilometer, wurde folglich der Bereich der Mittelelektrode 2, der nahe der Basis war und der nicht das Antifunkenabbrandelement 21 hatte, durch Funkenerosion geriefelt. Als Ergebnis wurde der Abstand von jeder Masseelektrode 11 zum Antifunkenabbrandelement 21 auf der Mittelelektrode 2 kürzer als der Abstand von jeder Masseelektrode 11 zum Bereich der Mittelelektrode 2 nahe der Basis, und der Funkenüberschlag zum Antifunkenabbrandelement 21 entfernt von dem Keramikisolator 1 wäre dominierend geworden (verantwortlich für 90% der Funkenüberschläge, die in der Zündkerze auftraten). Eine andere Vermutung ist, dass die Riefenbildung der Mittelelektrode 2 im Bereich nahe der Unterseite das elektrische Feld in diesem Bereich verringert.
Wie in 3A gezeigt, hatte die Zündkerze B ein Antifunkenabbrandelement (Pt) 21 derart an die Mittelelektrode 2 befestigt, dass es teilweise in dem Keramikisolator 1 eingebettet war. In einer Weise die zum Fall der Zündkerze A entgegengesetzt ist, wurde der distale Endabschnitt der Mittelelektrode 2 durch Funken erodiert, nachdem sie über die ersten 50.000 Kilometer gelaufen war. Als Ergebnis erhöhte sich der Abstand von jeder Masseelektrode 11 zum distalen Endabschnitt der Mittelelektrode 2, oder das elektrische Feld im distalen Endabschnitt der Mittelelektrode 2 wurde verringert, was schließlich dazu führte, dass der Funkenüberschlag zum distalen Endabschnitt der Mittelelektrode 2 auf 35% abfiel. Stattdessen wurde der Funkenüberschlag zu dem Bereich der Mittelelektrode 2, der nahe ihrer Basis war und mit dem Antifunkenabbrandelement 21 bedeckt war, überwiegend.
Wie in 3B gezeigt, hatte die Zündkerze C kein Antifunkenabbrandelement, das an die Mittelelektrode 2 befestigt ist. Dem gemäß war die Basis und der distale Endabschnitt der Mittelelektrode 2 das Resultat des Laufs über die ersten 50.000 Kilometer. Der Funkenüberschlag zum distalen Endabschnitt der Mittelelektrode 2 machte 55% der Funkenüberschläge aus, die in der Zündkerze auftraten. Mit anderen Worten, die Funkenüberschläge wurden in fast gleiche Anteile zwischen dem distalen Endabschnitt der Mittelelektrode und ihrem Basisbereich aufgeteilt.
Als nächstes wurde die Tiefe der Rille, die sich in der Oberfläche des Keramikisolators 1 nach dem Lauf über 100.000 Kilometer bildet (600 h), durch Prüfung mit einem Rasterelektronenmikroskop gemessen. Die folgenden Kriterien wurden verwendet, um die Resultate der Prüfung auszuwerten, einschließlich jener der Prüfungen, die später beschrieben werden, und die durchgeführt wurden, um einen optimalen Wert des Abstands H zu ermitteln: geringfügig (⊙), die Nuttiefe war kleiner als 0,2 mm; klein (O), 0,2 bis 0,3 mm; moderat (Δ), 0,3 bis 0,4 mm; ausgedehnt (x), mehr als 0,4 mm.
Die Zündkerze A der vorliegenden Erfindung wurde mit ⊙ bewertet und nur geringfügige Riefenbildung trat bei einigen Gelegenheiten auf. Andererseits wurden die herkömmlichen Zündkerzen B und C als Δ bewertet und flache Riefenbildung trat auf. Diese Resultate sind die natürliche Konsequenz der zuvor erwähnten Daten für den Funkenüberschlag im oberen Teil der Mittelelektrode, die sich nach dem Lauf über 50.000 Kilometer ergaben.
Dann wurden, um einen optimalen Wert des Abstands H zu beStirnmen, verschiedene Probestücke der Zündkerze vorbereitet, deren einzelne Teile die gleichen Maße hatten wie in der Zündkerze A, und in welchen H zu 0, 0,1, 0,2, 0,3 und 0,4 verändert wurde. Diese Probestücke wurden einem Bordzuverlässigkeitstest für 600 h mit den Bedingungen unterworfen, die bereits oben beschrieben wurden. Die so geprüften Anti-Riefenbildungs-Eigenschaften des Keramikisolators 1 werden in Tabelle 2 unten gezeigt. Tabelle 2
Wie aus Tabelle 2 deutlich wird, tritt erhebliche Riefenbildung auf, wenn H = 0 mm, oder im Fall, in dem das Antifunkenabbrandelement (Pt) 21 an die Mittelelektrode 2 in einer Fläche befestigt wurde, die mit dem Stirnfläche der Keramikisolators 1 koextensiv ist. Wenn H = 0,1 mm, war der Grad der Riefenbildung ein wenig vermindert und als H = 0,2 mm oder mehr war, war das Auftreten der Riefenbildung unwesentlich.
Wie oben beschrieben, wird gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie in 2 gezeigt, eine Zündkerze eines zeitweiligen Halbgleit-Entladungstyps zur Verfügung gestellt, welche die Vorteile einer hohen Resistenz gegen Riefenbildung, einer hohen Haltbarkeit und einer hohen Resistenz gegen Kohlenstoffverrußen hat, während sie unter niedriger Last betrieben wird (siehe die Diagramme in 4 und 5 und die Daten in Tabelle 1). Vorzugsweise wird die Stirnfläche des Keramikisolators 1 von dem Antifunkenabbrandelement 21 um den Abstand H von mindestens 0,2 mm beabstandet.
Es sollte angemerkt werden, dass die Ausführungsform, die in 2 gezeigt wird, nicht der alleinige Fall der Erfindung ist und verschiedene Veränderungen denkbar sind, wie unten beschrieben wird.
6A ist eine Schnittansicht des distalen Endabschnitts einer Zündkerze gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In dieser Zündkerze ist eine Scheibe des Antifunkenabbrandelements (Pt) 22, die an die Spitze, anstatt an der seitlichen Umfangsoberfläche der Mittelelektrode 2, durch Widerstandsschweißung befestigt ist. Die zweite Ausführungsform ist ansonsten dieselbe wie die erste Ausführungsform, die in 2 gezeigt ist.
Bei dieser Gestaltung verringert sich die seitliche Umfangsoberfläche der Mittelelektrode 2 auf Grund der Funkenerosion, die aus dem Lauf über einige zehntausend Kilometern resultiert, etwas im Durchmesser. Da der Durchmesser des Antifunkenabbrandelements 22 an der Spitze der Mittelelektrode 2 im wesentlichen derselbe bleibt, werden Funkenüberschläge auf den distalen Endabschnitt der Mittelelektrode 2 und entfernt vom Keramikisolator 1 konzentriert. Die Zündkerze hat folglich eine hohe Resistenz gegen Riefenbildung. Wenn der Keramikisolator 1 verrußt, schlägt Elektrizität von jeder Masseelektrode 11 zum Keramikisolator 1 über und die resultierende Halbgleit-Entladung verrichtet eine Funkenreinigung. In der zweiten Ausführungsform behält der distale Endabschnitt der Mittelelektrode, in der ein elektrisches Feld dazu neigt, sich zu konzentrieren, seine Form bei. Dem gemäß erhöht sich die Wahrscheinlichkeit von Funkenüberschlägen in dem distalen Endabschnitt auf einen höheren Wert, und die Resistenz gegen Riefenbildung, und folglich die Funktionsdauer der Zündkerze, wird entsprechend erhöht. Als weiterer Vorteil verbessert das Auftreten der Funkenüberschläge im distalen Endabschnitt der Mittelelektrode 2 die Zündleistung der Zündkerze.
6B ist ein Schnitt des distalen Endbereichs einer Zündkerze gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform wird der Durchmesser des ungeschützten Teils der Mittelelektrode in allen Bereichen, den distalen Endabschnitt ausgenommen, kleiner ausgebildet. Der Bereich der Mittelelektrode 2' mit kleinem Durchmesser hat einen Durchmesser J der 1,6 mm ist, einen Wert 0,4 mm kleiner als der zugehörige Durchmesser A der Mittelelektrode 2', der 2,0 mm ist. Eine Scheibe des Antifunkenabbrandelements (Platin Pt) 23, die einen Durchmesser von 2,0 mm hat, wird an der Spitze der Mittelelektrode 2' durch Widerstandschweißung befestigt. Die dritte Ausführungsform ist ansonsten dieselbe wie die zweite Ausführungsform, die in 6A gezeigt ist.
Mit dieser Gestaltung werden schon in einem solch frühen Anfangsstadium des Fahrzeugbetriebs Funkenüberschläge auf das Antifunkenabbrandelement 23 im distalen Endabschnitt der Mittelelektrode 2' konzentriert, wo der Entladungsabstand klein genug ist, um die Konzentration eines elektrischen Feldes zu ermöglichen und die Häufigkeit der Funkenüberschläge, die nahe der Basis der Mittelelektrode 2' auftreten, wird be trächtlich verringert. Infolgedessen wird der Resistenz gegen Riefenbildung erhöht, so dass die Funktionsdauer der Zündkerze entsprechend erhöht wird, und es wird der zusätzliche Vorteil einer guten Zündleistung erreicht.
Der Durchmesser J des Bereichs der Mittelelektrode 2' mit kleinem Durchmesser wird vorzugsweise um 0,2 bis 1,0 mm, höchst vorzugsweise 0,3 bis 0,6 mm kleiner gebildet als sein inhärenter Durchmesser A. Der Durchmesser J ist vorzugsweise mindestens 1,0 mm, um der Anforderung für das Sichern der Haltbarkeit der Mittelelektrode 2' zu entsprechen.
7 ist eine Schnittansicht des distalen Endabschnitts einer Zündkerze gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In der Zündkerze ist die Stirnfläche 11A' jeder Masseelektrode 11' bezüglich der seitlichen Umfangsoberfläche der Mittelelektrode 2 schräg angeordnet. Der kürzeste Abstand F' von jeder Masseelektrode 11' zum Keramikisolator 1 ist kleiner als der kürzeste Abstand G' von der unteren Kante 11B der Stirnfläche 11A' jeder Masseelektrode 11' zur seitlichen Umfangsoberfläche der Mittelelektrode 2 gebildet, wie in 7 zu sehen. Die vierte Ausführungsform ist ansonsten dieselbe wie die zweite Ausführungsform, die in 6A gezeigt ist.
Mit dieser Gestaltung werden schon im Ausgangsstadium des Fahrbetriebs Funkenüberschläge im Bereich zwischen der unteren Kante 11B der Stirnfläche 11A' jeder Masseelektrode 11' und der seitlichen Umfangsoberfläche der Mittelelektrode 2 konzentriert, wo der Entladungsabstand klein genug ist, um die Konzentration eines elektrischen Feldes zu ermöglichen, und die Häufigkeit der Funkenüberschläge, die nahe der Basis der Mittelelektrode 2 auftreten, wird beträchtlich verringert. Zusätzlich verringert sich der Durchmesser der seitlichen Umfangsoberfläche der Mittelelektrode 2 wegen der Funkenerosion etwas, die aus dem Lauf über einige zehntausend Kilometer resultiert. Da der Durchmesser des Antifunkenabbrandelements 22 an der Spitze der Mittelelektrode 2 im wesentlichen derselbe bleibt, werden Funkenüberschläge mehr im distalen Endabschnitt der Mittelelektrode 2 konzentriert. Die Zündkerze hat folglich eine hohe Resistenz gegen Riefenbildung. Wenn der Keramikisolator 1 verrußt ist, schlägt Elektrizität von jeder Masseelektrode 11' zum Keramikisolator 1 über und die resultierende Halboberflächen-Entladung verrichtet eine Funkenreinigung.
In der vierten Ausführungsform behält der distale Endabschnitt der Mittelelektrode, in der ein elektrisches Feld dazu neigt, sich zu konzentrieren, seine Form bei. Dem gemäß erhöht sich die Wahrscheinlichkeit von Funkenüberschlägen in diesem distalen Endabschnitt auf einen höheren Wert, und die Resistenz gegen Riefenbildung erhöht sich. Folglich wird die Funktionsdauer der Zündkerze entsprechend erhöht. Als weiterer Vorteil verbessert das Auftreten der Funkenüberschläge im distalen Endabschnitt der Mittelelektrode die Zündleistung der Zündkerze.
8A und 8B zeigen eine fünfte Ausführungsform der Erfindung. 8A ist eine Schnittansicht des distalen Endabschnitts einer Zündkerze gemäß der fünften Ausführungsform. 8B ist eine Perspektivansicht des distalen Endabschnitts. In der fünften Ausführungsform wird ein Band als Antifunkenabbrandelement 21 nicht um die gesamte Umfangsseite der Mittelelektrode 2 zur Verfügung gestellt, wie in der ersten Ausführungsform, die in 2 gezeigt wird. Stattdessen werden zwei kreisförmige Antifunkenabbrandelemente 24, die aus Platin (Pt) gebildet sind, in den Bereichen der Mittelelektrode 2 zur Verfügung gestellt, die den Stirnflächen 11A der zwei Masseelektroden 11 gegenüber stehen, und werden in diesen Bereichen durch Laserschweißen befestigt.
Die fünfte Ausführungsform hat den Vorteil, dass eine geringere Menge des kostspieligen Antifunkenabbrandelements verwendet wird.
9A bis 9D zeigen eine sechste Ausführungsform der Erfindung. 9A ist eine Schnittansicht des distalen Endabschnitts einer Zündkerze gemäß der sechsten Ausführungsform. 9B, 9C und 9D sind Perspektivansichten von drei Versionen des Antifunkenabbrandelements. In der sechsten Ausführungsform wird die Scheibe des Antifunkenabbrandelements 22 nicht auf der gesamten Oberfläche der distalen Stirnfläche der Mittelelektrode 2 zur Verfügung gestellt, wie in der zweiten Ausführungsform, die in 6A gezeigt ist. Stattdessen ist ein Stab des Antifunkenabbrandelements 25 auf die distale Stirnfläche der Mittelelektrode 2 gesetzt, und wobei das Antifunkenabbrandelement 25 mit ihren Endbereichen den Endflächen 11A der Masseelektroden 11 gegenüberliegend durch Laserschweißen oder Widerstandschweißen befestigt wird. In 9B wird ein Prisma als Antifunkenabbrandelement befestigt, so dass eine seiner Kanten in Verbindung mit der distalen Stirnfläche der Mittelelektrode 2 ist. In 9C wird auch ein Prisma als Antifunkenabbrandelement 26 befestigt, derart, dass eine seiner Seiten in Verbindung mit der distalen Stirnfläche der Mittelelektrode 2 ist. In 9D wird ein Zylinder als Antifunkenabbrandelement 27 befestigt, so dass der Bereich seiner Umfangsseite in Verbindung mit der distalen Stirnfläche der Mittelelektrode 2 ist.
Obwohl in 9A bis 9D nicht gezeigt, können die Stäbe der Antifunkenabbrandelemente 25, 26 und 27 so zur Verfügung gestellt werden, dass beide Endabschnitte etwas von der seitlichen Umfangsoberfläche der Mittelelektrode 2 abstehen.
Die sechste Ausführungsform, die oben beschrieben wird, hat den Vorteil, dass eine geringere Menge des kostspieligen Antifunkenabbrandelements verwendet wird. Als weiterer Vorteil neigt ein elektrisches Feld dazu, sich auf die Endabschnitte der Stäbe der An tifunkenabbrandelemente 25, 26 oder 27 zu konzentrieren. Dem gemäß treten mehr Funkenüberschläge in diesen Endabschnitten des Antifunkenabbrandelements auf.
10A zeigt eine siebente Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In dieser Zündkerze wird ein Gürtel des Antifunkenabbrandelements 28, der aus Platin (Pt) gebildet ist, durch Laserschweißen an der Umfangsseite der Mittelelektrode 2 in den Positionen befestigt, die den Stirnflächen 11A der Masseelektroden 11 gegenüber liegend angeordnet sind.
10B ist eine Querschnittansicht des distalen Endabschnitts einer Zündkerze gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in der Form zu der Zündkerze identisch ist, die in 9A gezeigt ist, außer dass der distale Endabschnitt der Mittelelektrode 2 durch Schneiden oder Schleifen entfernt wurde, damit das obere Ende des Antifunkenabbrandelements 29 in der Gürtelform von der Spitze der Mittelelektrode 2 absteht. Die achte Ausführungsform hat den Vorteil, dass es ermöglicht wird, ein elektrisches Feld leicht auf die Spitze der Mittelelektrode 2 zu konzentrieren, damit mehr Funkenüberschläge am Antifunkenabbrandelement 29 an der Spitze der Mittelelektrode 2 auftreten, so dass sich die Zündleistung der Zündkerze verbessert und sie beständiger gegen die Riefenbildung wird.
11 ist ein Schnitt des distalen Endabschnitts einer Zündkerze gemäß einer neunten Ausführungsform der Erfindung. Die Mittelelektrode 2 und das Antifunkenabbrandelement 28 in der neunten Ausführungsform haben die gleichen Abmessungen wie in der siebenten Ausführungsform, die in 10A gezeigt ist. Der Unterschied liegt in der Geometrie der Stirnfläche 1D des Keramikisolators 1'. Sie ist nicht flach, sondern wie ein umgekehrter Kegel geformt, der in Richtung zur Mittelelektrode 2 ausgehöhlt ist. Die Stirnfläche 1D, die wie ein umgekehrter Kegel geformt ist, erhöht den Abstand über den Oberflächenentladung auf der Stirnfläche 1D des Keramikisolators 1' auftreten, so dass er resistenter gegen Verrußen und folglich gegen Riefenbildung wird.
12A ist eine Schnittansicht des distalen Endabschnitts einer Zündkerze gemäß einer zehnten Ausführungsform der Erfindung. In dieser Ausführungsform steht die Mittelelektrode 41 nur wenig von der Stirnfläche des Keramikisolators 1 ab. Eine Scheibe des Antifunkenabbrandelements 30 wird an die distale Stirnfläche der Mittelelektrode 41 durch Widerstandsschweißen befestigt. Die Stirnflächen der Masseelektroden 11 werden der seitlichen Umfangsoberfläche der Mittelelektrode 41 gegenüber angeordnet. Die Stirnfläche des Keramikisolators 1 wird zwischen der Kante der Stirnfläche 11A jeder Masseelektrode 11, die näher an dem distalen Ende des Zündkerze ist (und die in der 12A oben ist), und der entgegengesetzten unteren Kante der Stirnfläche 11A angeordnet. Deshalb ist der Zündkerze gemäß der zehnten Ausführungsform vom sogenannten Halbgleit-Entladungstyp. Der axiale Abstand K von der Stirnfläche der Keramikisolator 1 zur unteren Kante der Stirnfläche 11A jeder Masseelektrode 11 ist mindestens 40% der Dicke (d.h. der Abstand von der oberen Kante der Stirnfläche 11A zur unteren Kante) jeder Masseelektrode 11.
Mit dieser Gestaltung neigt Elektrizität dazu, von der oberen Kante der Stirnfläche 11A jeder Masseelektrode 11 zum Antifunkenabbrandelement 30 auf der Mittelelektrode 41 über zu schlagen, und keine Funken bleiben an der Oberfläche des Keramikisolators 1 haften; dieses trägt dazu bei, die Zündkerze resistenter gegen die Riefenbildung auszubilden.
12B ist ein Schnitt des distalen Endabschnitts einer Zündkerze gemäß einer elften Ausführungsform der Erfindung, in der ein ringförmiges Antifunkenabbrandelement 31 anstatt einer Scheibe des Antifunkenabbrandelements an der Spitze der Mittelelektrode 42 durch Laserschweißen oder Widerstandsschweißen befestigt ist. Die elfte Ausführungsform ist ansonsten dieselbe wie die zehnte Ausführungsform, die in 12A gezeigt ist und erzielt das gleiche Resultat wie letztere. Die elfte Ausführungsform hat den Vorteil, dass eine geringere Menge des kostspieligen Antifunkenabbrandelements verwendet wird.
13 ist ein Querschnitt des distalen Endabschnitts einer Zündkerze gemäß einer zwölften Ausführungsform der Erfindung, in der die Mittelelektrode 43 ein wenig von der Stirnfläche des Keramikisolators 1 absteht und ein Band des Antifunkenabbrandelements 32 ist an der Umfangsseite der Mittelelektrode 43 in einem Bereich nahe der Spitze durch Laserschweißen befestigt. Die zwölfte Ausführungsform ist ansonsten dieselbe wie die zehnte Ausführungsform.
Bei der vorangehenden Beschreibung der zwölften Ausführungsformen der Erfindung ist die Verwendung von zwei Masseelektroden 11 angenommen worden. Dieses ist nicht der einzige Fall der Erfindung und es können Multipol-Zündkerzen gebaut werden, wie solche die drei oder vier Masseelektroden verwenden. Aus Sicht der Verhinderung der Verrußung, werden Multipol-Zündkerzen bevorzugt, aber in der Praxis müssen auch die Herstellungskosten in Betracht gezogen werden, um die passende Zahl von Masseelektroden zu beStirnmen.
Gewöhnliche Zündkerzen werden in vielen Fällen mit negativer Polarität verwendet, da sie Niederspannung erfordem. Die erfindungsgemäße Zündkerze erfährt keine beträchtliche Zunahme der erforderlichen Spannung, selbst wenn sie mit positiver Polarität verwendet wird. Folglich kann die Zündkerze mit einer zweipoligen Stromversorgung verwendet werden, um die Kosten des Zündsystems zu verringern.
Wie auf den vorangehenden Seiten beschrieben, ist die Zündkerze der Erfindung so ausgebildet, dass der kürzeste Abstand von der Stirnfläche jeder Masseelektrode zum Keramikisolator kleiner ausgebildet wird, als der kürzeste Abstand von der Stirnfläche jeder Masseelektrode zur seitlichen Umfangsoberfläche der Mittelelektrode, und das Antifunkenabbrandelement wird an einem Bereich der Mittelelektrode befestigt, so dass es mindestens einen vorgegebenen Abstand von der Stirnfläche des Keramikisolators hat. Wegen dieser Gestaltungsmerkmale ist die Zündkerze der Erfindung gegenüber Kohlenstoffverrußungen in hohem Maße resistent, erleidet nur begrenzte Riefenbildung des Keramikisolators und schützt die Mittelelektrode vor Funkenerosion, was in Kombination die Funktionsdauer der Zündkerze verlängert.

Claims

Zündkerze, umfassend: einen Isolator (1) mit einem Mitteldurchgangsloch (1C), eine Mittelelektrode (2, 2'), gehalten in dem Mitteldurchgangsloch (1C), die Mittelelektrode (2, 2') weist ein mit einem Antifunkenabbrandelement (21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32) versehenes distales Ende auf, eine Metallummantelung (5), die den Isolator (1) hält, und eine Vielzahl von Masseelektroden (11, 11') mit einem Stromdurchgang zu der Metallummantelung (5), die Vielzahl von Masseelektroden (11, 11') von einem distalen Endabschnitt der Mittelelektrode (2,2') aus eine Funkenentladungsstrecke (G, G') bildet, wobei der kürzeste Abstand (F, F') von der Stirnfläche jeder Masseelektrode (11, 11') zu dem Isolator (1) kleiner als die Funkenentladungsstrecke (G, G') ist und das distale Ende der Mittelelektrode (2, 2') von einer Stirnfläche des Isolators (1) hervorsteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelelektrode (2, 2') in einer Ebene, die koextensiv mit der Stirnfläche des Isolators (1) ist, eine Mittelelektrodenmatrix umfasst.
Zündkerze nach Anspruch 1, wobei die Stirnfläche des Isolators (1) von dem Antifunkenabbrandelement (21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32) durch einen Abstand von wenigstens 0,2 mm beabstandet ist.
Zündkerze nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Durchmesser (A) der Mittelelektrode (2, 2') nicht größer als 2 mm ist.
Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das distale Ende der Mittelelektrode (2, 2') zwischen der Kante der Stirnfläche jeder Masseelektrode, die dem distalen Ende der Zündkerze näher ist, und der gegenüberliegenden Kante dieser Stirnfläche angeordnet ist.
Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei jede der Masseelektroden (11, 11') eingerichtet wird, um von dem Isolator (1) durch einen Abstand (F) von wenigstens 0,3 mm beabstandet zu sein.
Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Stirnfläche des Isolators (1) wie ein umgekehrter Kegel, der in Richtung auf die Mittelelektrode (2) kalibriert ist, geformt ist.
Zündkerze nach Anspruch 1, wobei der Durchmesser der Mittelelektrode (2) an dem distalen Ende größer als der der Mittelelektrode (2) an der Stirnfläche des Isolators (1) ist.
Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Antifunkenabbrandelement (21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32) an oder nahe dem distalen Ende der Mittelelektrode (2, 2') gesichert ist.
Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der axiale Abschnitt der Stirnfläche des Isolators (1) zwischen der Kante der Stirnfläche jeder Masseelektrode (11), die dem distalen Ende der Zündkerze näher ist, und der gegenüberliegenden Kante dieser Stirnfläche ist und der axiale Abstand (K) von der Stirnfläche des Isolators (1) zu der gegenüberliegenden Kante der Stirnfläche jeder Masseelektrode wenigstens 40 % der Dicke (L) der Stirnfläche jeder Masseelektrode (11) ist (d. h., der Abstand zwischen der Kante der Stirnfläche, die näher zu dem distalen Ende der Zündkerze ist, und der gegenüberliegenden Kante dieser Stirnfläche).