EP0049372B1 - Spark plug for internal-combustion engines - Google Patents
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Description
Die Erfindung geht aus von einer Zündkerze nach der Gattung des Hauptanspruchs. Derartige Zündkerzen gehören allgemein zum Stand der Technik (DE-OS 2404454, DE-PS 1 208 120), haben jedoch den Nachteil, daß aufgrund der Verwendung von völlig unterschiedlichen Materialien für Isolierkörper und Mittelelektrode zwischen beiden zur Beschädigung des Isolierkörpers führen könnende Verspannungen auftreten. Weiterhin ist es bekannt (CH-PS 105 078), bei Zündkerzen die [Vlitteielektrode aus einem nichtmetallischen, elektrisch aber leitfähigen Werkstoff mit einem solchen Wärmeausdehnungskoeffizienten herzustellen, der dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Isolierkörpers im wesentlichen entspricht; hierbei können zwar die Verspannungen zwischen Isolierkörper und Mittelelektrode vermieden werden, doch treten aufgrund der zusammentreffenden unterschiedlichen Stoffe unerwünschte Sinterreaktionen auf, die die Funktionssicherheit der Zündkerzen und gegebenenfalls auch deren Lebensdauer verringern können.The invention relates to a spark plug according to the preamble of the main claim. Spark plugs of this type generally belong to the prior art (DE-OS 2404454, DE-PS 1 208 120), but have the disadvantage that, due to the use of completely different materials for the insulating body and central electrode, tension can occur between the two, which can damage the insulating body. Furthermore, it is known (CH-PS 105 078) to manufacture the spark plug in spark plugs from a non-metallic, but electrically conductive material with a coefficient of thermal expansion which essentially corresponds to the coefficient of thermal expansion of the insulating body; In this case, the tensions between the insulating body and the center electrode can be avoided, but because of the different substances coming together, undesired sintering reactions occur, which can reduce the functional reliability of the spark plugs and possibly also their service life.
Die erfindungsgemäße Zündkerze mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß zum Bruch des Isolierkörpers führen könnende Verspannungen zwischen Mittelelektrode und Isolierkörper und unerwünschte Sinterreaktionen beim Zusammensintern von Mittelelektrode und Isolierkörper vermieden werden und damit eine gleichmäßige Qualität der Zündkerzen erzielt wird. Als weiterer Vorteil ist anzusehen, daß die Zündkerze selbst nach Abbrand der elektrisch leitenden Schicht auf dem ursprünglichen Funkenübersprungsbereich die Mittelelektrode funktionsfähig bleibt und die Zündkerze eine nur geringfügig höhere Zündspannung erfordert, weil sie dann als kombinierte Gleitfunken-Luftfunken-Zündkerze weiterarbeitet.The spark plug according to the invention with the characterizing features of the main claim has the advantage that tensions between the central electrode and the insulating body and undesired sintering reactions when the central electrode and the insulating body are sintered together can be avoided, and thus a uniform quality of the spark plugs is achieved. A further advantage is that the spark plug remains functional even after the electrically conductive layer on the original spark-over area has burned off, and the spark plug requires only a slightly higher ignition voltage because it then continues to work as a combined sliding spark-air spark spark plug.
Darüber hinaus zeichnen sich die Zündkerzen, die zwischen Mittelelektrode und Isolierkörper ohne Spalt ausgebildet sind, dadurch aus, daß sie a) eine über die Lebensdauer sehr konstante Wärmeleitung und damit eine im Durchschnitt unveränderliche Lage ihres Arbeitstemperaturbereiches aufweisen und b) einen größeren Arbeitstemperaturbereich besitzen als Zündkerzen mit Spalt zwischen Mittelelektrode und Isolierkörper.In addition, the spark plugs, which are formed between the center electrode and the insulating body without a gap, are characterized by the fact that they a) have a very constant heat conduction over the service life and thus an unchangeable position of their working temperature range on average and b) have a larger working temperature range than spark plugs with a gap between the center electrode and the insulating body.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Zündkerze möglich. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Stift aus dem gleichen Werkstoff hergestellt wird, aus dem auch der Isolierkörper besteht, weil dann auch noch das Schwindungsverhalten beim Zusammensintern von Mittelelektrode und Isolierkörper ideal ist und die obengenannten Vorteile optimal ausgeschöpft werden. Weiterhin ist bei der Gestaltung der auf dem Stift befindlichen elektrisch leitenden Schicht als Widerstandselement eine hervorragende Störwellenunterdrükkung erzielbar, weil das Widerstandselement sehr nahe an der Funkenstrecke angeordnet ist; die elektrisch leitende Schicht kann auch als Vorfunkenstrecke ausgebildet werden.The measures listed in the subclaims permit advantageous developments and improvements of the spark plug specified in the main claim. It is particularly advantageous if the pin is made of the same material from which the insulating body is made, because then the shrinkage behavior when the center electrode and the insulating body are sintered together is ideal and the above-mentioned advantages are optimally exploited. Furthermore, an excellent interference wave suppression can be achieved in the design of the electrically conductive layer on the pin as a resistance element, because the resistance element is arranged very close to the spark gap; the electrically conductive layer can also be designed as a spark gap.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt
- Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Zündkerze in vergrößerter Darstellung und
- Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Teil einer ebenfalls vergrößert dargestellten erfindungsgemäßen Zündkerze, deren Mittelelektrode zündungsseits mit einem Kopf versehen ist.
- Fig. 1 shows a longitudinal section through a spark plug according to the invention in an enlarged view and
- Fig. 2 shows a longitudinal section through part of a spark plug according to the invention, also shown enlarged, the central electrode of which is provided with a head on the ignition side.
Die in Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Zündkerze 10 besitzt ein metallisches Gehäuse 11, das an seiner Außenseite ein Einschraubgewinde 12 und einen Schlüsselsechskant 13 für den Einbau der Zündkerze 10 im Brennkraftmaschinen-Zylinderkopf aufweist und mit seiner Innenbohrung 14 einen Großteil eines im wesentlichen rohrförmigen Isolierkörpers 15 umfaßt; die zündseitige Stirnfläche 16 dieses Gehäuses 11 trägt eine hakenförmige Masseelektrode 17. Der Isolierkörper 15 hat an seiner Außenseite Schultern 18 und 19, mit denen er unter Zwischenschaltung von Dichtringen 20a bzw. 20b im Gehäuse 11 festgelegt ist. In der Längsbohrung 21 des Isolierkörpers 15 sitzen ein Anschlußbolzen 22 und eine Mittelelektrode 23 mit ihren einander zugekehrten Enden fest in einem elektrisch leitfähigen, an sich bekannten Material, im folgenden als Dichtungsmasse 24 bezeichnet. Der Anschlußbolzen 22 hat an seinem anschlußseitigen Endabschnitt ein Gewinde 25 zum Anschluß eines nicht dargestellten Stromkabels und am entgegengesetzten Endabschnitt eine Verankerung 26 für die Dichtungsmasse 24. Die Mittelelektrode 23 ist mit einem Kopf 27 versehen, mit dem sie in der elektrisch leitfähigen Dichtungsmasse 24 in Kontakt steht und der auf einer Schulter 28 in der Isolierkörper-Längsbohrung 21 aufliegt und die Mittelelektrode 23 in Längsrichtung fixiert; dieser Mittelelektroden-Kopf 27 kann auch mit nicht dargestellten Erhebungen oder Vertiefungen ausgestattet sein, die für eine bessere Verankerung mit der Dichtungsmasse 24 sorgen, kann aber auch entfallen. Die zündseitige Stirnfläche 29 schließt im vorliegenden Beispiel bündig mit der Isolierkörperstirnfläche 30 ab, kann jedoch auch bei einigen Brennkraftmaschinentypen aus dem zündseitigen Ende des Isolierkörpers 15 herausragen bzw. auch in der Isolierkörper-Längsbohrung 21 zurückstehen.The
Die Mittelelektrode 23 setzt sich aus einem elektrisch nicht leitfähigem Stift 23/1 und einer diesem Stift 23/1 überziehenden elektrisch leitfähigen, abbrandfesten Schicht 31 zusammen; während der Stift 23/1 im wesentlichen aus dem gleichen Material besteht (z. B. Aluminiumoxid) wie der Isolierkörper 15 und damit das gleiche Schwindungsverhalten beim Zusammensintern und auch das gleiche Wärmeausdehnungsverhalten wie der Isolierkörper 15 besitzt, besteht die Schicht 31 vorzugsweise aus einem Metall-Keramik-Gemisch (z. B. Platin-Aluminiumoxid-Gemisch), kann aber auch nur aus einem geeigneten Metall wie z. B. Platin bestehen. Die Schicht 31 ist 0,05 mm dick, sie wird jedoch im Bereich des zündseitigen Endabschnittes der Mittelelektrode 23, insbesondere auf der Mittelelektroden-Stirnfläche 29 zumeist verstärkt, kann bei bestimmten Anwendungsfällen jedoch im Bereich der Stirnfläche 29 auch ganz entfallen. Ein solches Verstärken der Schicht 31 kann mittels sogenannter Einbrennpräparate oder Plasmaspritzen erfolgen. Der Durchmesser der Mittelelektrode 23 ist so bemessen, daß er spaltfrei in den zündseitigen Endabschnitt der Isolierkörper-Längsbohrung 21 hineinpaßt und beim Zusammensintern mit dem Isolierkörper 15 eine feste und dichte Verbindung bildet.The
Es sei erwähnt, daß die auf dem zylinderförmigen Teil des Stiftes 23/1 befindliche elektrisch leitfähige Schicht 31 mit einer wendelförmigen Nut 32 versehen ist und somit ein Widerstandselement (ohne Bezugszeichen) bildet, welches sehr nahe an der Funkenstrecke 33 liegt und demzufolge eine hervorragende Störwellunterdrückung bewirkt.It should be mentioned that the electrically
Bei einer anderen, nicht dargestellten Ausführungsform eines Widerstandselementes kann die elektrisch leitfähige Schicht 31 direkt als Wendel oder auch als Schicht auf den Stift 23/1 nach bekanntem Verfahren aufgebracht werden; als Materialien können beispielsweise Cermets, Aluminiumoxid mit Platinmetall-Anteil, halbleitende Oxidschichten (z. B. Fe203/A1203) mit Platinmetall-Anteil Verwendung finden.In another, not shown embodiment of a resistance element, the electrically
Anstelle eines Widerstandselementes oder auch zusätzlich zum Widerstandselement kann die elektrisch leitfähige Schicht 31 mit einer Vorfunkenstrecke (nicht dargestellt) versehen werden; dazu ist es nur nötig, die Schicht 31 mit mindestens einer Unterbrechung zu versehen, die beispielsweise ringförmig um den Stift 23/1 verläuft. Falls der mit der leitfähigen Schicht 31 versehene Stift 23/1 eng in der Isolator-Längsbohrung 21 eingesintert ist, dann ist die Unterbrechung mit einer porösen Schicht (nicht dargestellt) auszufüllen; als poröse Schicht kann beispielsweise Aluminiumoxid, Magnesium-Spinell o. ä. ohne Flußmittel Verwendung finden.Instead of a resistance element or also in addition to the resistance element, the electrically
Gemäß der Erfindung ist auch eine weitere Ausführungsform für bestimmte Anwendungsformen möglich, nämlich die Verwendung und Gestaltung der Zündkerze als Gleitfunken-Zündkerze. Dafür wird der zündseitige Endabschnitt des Stiftes 23/1 unbedeckt von der elektrisch leitfähigen Schicht 31 belassen; falls zwischen Stift 23/1 und Isolator-Längsbohrung 21 im Zündbereich ein Spalt vorhanden ist, kann auf eine Auffüllung dieses Bereiches mit einer porösen Schicht aus Aluminiumoxid oder Glas verzichtet werden, die jedoch erforderlich ist, sofern der Stift 23/1 ringsrum in die Isolator-Längsbohrung 21 eingestintertwird.According to the invention, a further embodiment is also possible for certain forms of application, namely the use and design of the spark plug as a sliding spark plug. For this purpose, the ignition-side end section of the
Anstelle der beschriebenen Ausführungsform des Einbaus der Mittelelektrode 23 im Isolierkörper 15 ist es auch möglich, die Mittelelektrode 23 fertigzusintern und dann anschließend mittels der elektrisch leitfähigen Dichtungsmasse 24 in die Isolierkörper-Längsbohrung 21 dicht und fest einzubauen; bei dieser Ausführungsform ist ein enger Spalt (nicht dargestellt) zwischen Mittelelektrode 23 und Isolator-Längsbohrung 21 möglich. Der Mittelelektroden-Stift 23/1 kann - sofern unterschiedliche Materialien für Isolierkörper 15 und Stift 23/1 Anwendung finden - auch dadurch in seinem Schwindungsverhalten beeinflußt werden, daß er vor dem Einsintern in die Isolierkörper-Längsbohrung 21 leicht vorgesintert wird.Instead of the described embodiment of installing the
Je nach Gestaltung des Stiftes 23/1 kann er durch Strangpressen, Pulverpressen oder auch durch thermoplastisches Spritzpressen hergestellt werden.Depending on the design of the
Die in Fig.2 2 dargestellte Zündkerze 10' unterscheidet sich gegenüber der Zündkerze 10 in Fig. 1 dadurch, daß ihre Mittelelektrode 23' mit einem Kopf 27' versehen ist, welcher nicht innerhalb der Isolierkörper-Längsbohrung 21, sondern als Zündbereich auf der zündweitigen Stirnfläche 30' des Isolierkörpers 15' aufliegt; infolge der Anlage des Kopfes 27' an der Isolierkörper-Stirnfläche 30' ist die Lage der Mittelelektrode 23' in der Isolierkörper-Längsbohrung 21' ebenfalls festgelegt. Die Stirnfläche 29' der Mittelelektrode 23' ist bevorzugterweise ebenfalls mit einer elektrisch leitfähigen Schicht 31' bedeckt. Aufgrund des größeren Durchmessers der Mittelelektroden-Stirnfläche 29' gegenüber der Mitteielektroden-Stirnfläche 29 der Zündkerze 10 in Fig. 1 ist ein noch sichereres Zünden des in die Funkenstrecke 33' gelangenden Kraftstoffdampf-Luft-Gemisches zu bewirken. Der übrige Aufbau und die Befestigung der Mittelelektrode 23' im Isolierkörper 15' entspricht im wesentlichen der Ausführungsform der in Fig. 1 dargestellten Zündkerze 10, wobei der Mittelelektroden-Stift und die Nut mit 23/1' bzw. 32' bezeichnet sind.The spark plug 10 'shown in Fig. 2 differs from the
Ein wesentlicher Vorteil einer derart ausgebildetep MiitQlelektrode 23 bzw. 23' ist, daß die Zündkerze 10 bzw. 10' selbst dann funktionsfähig bleibt, wenn auch Teile der Schicht 31 bzw. 31' weggebrannt sein sollten, weil dann eine sogenannte »kombihierte Glelt- und Luftfunkenstrecke« gebildet ist. Eine solche kombinierte Gleit- und Luftfunkenstrecke erfordert nur eine geringfügig höhere Zündspannung als die entsprechende reine Luftfunkenstrecke.A significant advantage of such a ausgebildetep MiIT Q
Bei Verwendung gleicher Materialien für Isolierkörper 15,15' und Mittelelektroden-Stiften 23/1 bzw. 23/1' werden darüber hinaus beim Zusammensintern dieser Stoffe unerwünschte Sinterreaktionen vermieden, die zu Verspännungen, gegebenenfalls auch zur Zerstörung des Isolierkörpers 15,15' führen können.If the same materials are used for the
Es sei erwähnt, daß im Falle von Mittelelektroden 23 bzw. 23' ohne in der Schicht 31 bzw. 31' befindliche Nut 32 bzw. 32', d. h., ohne Kombination der Mittelelektrode 23, 23' mit einem Widerstandselement, ein nicht dargestelltes Widerstandselement in die elektrisch leitfähige Dichtungsmasse 24, 24' integriert werden kann, wie es z. B. aus der deutschen Patentschrift 2245 404 bekannt ist. Im übrigen sind auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 die zur Fig. 1 genannten Ausführungsformen der Widerstandselemente und Vorfunkenstrecken möglich.It should be mentioned that in the case of
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