EP0078954A1 - Zündkerze für Brennkraftmaschinen - Google Patents

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EP0078954A1
EP0078954A1 EP82109767A EP82109767A EP0078954A1 EP 0078954 A1 EP0078954 A1 EP 0078954A1 EP 82109767 A EP82109767 A EP 82109767A EP 82109767 A EP82109767 A EP 82109767A EP 0078954 A1 EP0078954 A1 EP 0078954A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
insulating body
spark plug
combustion chamber
metal core
plug according
Prior art date
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Granted
Application number
EP82109767A
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English (en)
French (fr)
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EP0078954B1 (de
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Friedrich Dr. Esper
Karl-Hermann Dr. Friese
Walter Dr. Gohl
Peter Sternad
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OFFERTA DI LICENZA AL PUBBLICO
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Publication of EP0078954A1 publication Critical patent/EP0078954A1/de
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Publication of EP0078954B1 publication Critical patent/EP0078954B1/de
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T13/00—Sparking plugs
    • H01T13/02—Details
    • H01T13/16—Means for dissipating heat
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T13/00—Sparking plugs
    • H01T13/20—Sparking plugs characterised by features of the electrodes or insulation

Definitions

  • the invention relates to a spark plug for internal combustion engines according to the type of the main claim - as is already known from US Pat. No. 2,603,200.
  • the longitudinal bore of the insulator contains a liquid metal (e.g.
  • the spark plug according to the invention with the characterizing features of the main claim has the advantage that it quickly in the starting phase on the free burning temperature of 400/450 0 C comes, consequently burn electrically conductive deposits on the combustion chamber side portion of the insulating body, thereby preventing misfiring, electrically conductive shunts; As with the spark plugs belonging to the prior art, glow ignition does not occur at high operating temperatures in the spark plug according to the invention, because in this temperature range they have good heat dissipation from the combustion chamber-side section of the insulating body.
  • a further advantage is that the spark plug according to the invention is suitable for a larger number of different internal combustion engines than is the case with known spark plugs, because the heat flow in the spark plug according to the invention largely adapts to the respective thermal load.
  • This insulating body 18 has an axial longitudinal bore 19, the connection-side region 19/1 merges into the region 19/3 on the combustion chamber side via a frustoconically tapering central region 19/2;
  • This thickness of 0.4 mm of the base 20 also extends over part of the adjoining insulating body 18, specifically as measured by Base 20 in the axial direction of the insulating body 18 - to a length of 6 mm; depending on the application, this thickness of the end section of the insulating body 18 on the combustion chamber side with the base 20 can be in the range between 0.2 and 0.9 mm, but this thickness is preferably between 0 and 3 and 0.6 mm.
  • the length of this thin wall area from the insulating body 18 can, depending on the application, be between 2.5 and 12 mm, but preferably between 5 and 9 mm.
  • the transition from this thin-walled area of the insulating body 18 to the collar 17 must be adapted in length and wall thickness to the respective application - as is the case with known spark plugs.
  • the insulating body 18 consists essentially of aluminum oxide, to which 10% by weight of flux (for example magnesium silicate and / or calcium silicate) have been added; the over conventional spark plug insulators relatively high proportion of flux (conventional insulator containing about 5 weight percent flux) will cause the thermal conductivity of the insulating body 18 at temperatures below 600 0 C is lower than in conventional insulating bodies, that, however, the insulating body 18 at temperatures above from 600 to 700 0 C has essentially the same thermal conductivity as conventional material.
  • the lower softening point of the insulating body 18 due to the higher flux content does not hinder the function of the spark plug 10 because the operating temperatures occurring at the spark plug are far below the softening temperature of such a ceramic.
  • the proportion of flux in the insulating body 18 can be in the range between 3 and 20 percent by weight, but is preferably between 8 and 15 percent by weight.
  • the sealant 23 is followed by a metal core 24 on the combustion chamber side, which - depending on the application - the region 19/3 on the combustion chamber side, possibly also partially the middle region 19/2 of the longitudinal bore 19 of the insulating body, except for a very narrow gap 25 between the metal core 24 and the surface the insulating body longitudinal bore 19 fills.
  • the gap 25 is only present as long as the temperature of the combustion chamber-side end portion of the insulating body 18 below 450 ° C, and it is deactivated after reaching an operating temperature from 450 to 500 0 C.
  • This behavior of the metal core 24 is due to its thermal expansivity, which is larger than that of the ceramic of the insulating body 18.
  • the volume of the metal core 24 can be of different sizes be designed:
  • the metal core 24 can for example extend more or less into the area of the sealing ring 16 and / or it can have a different diameter. It should be mentioned that instead of the sealant 23, a combination of sealant 23 known per se with an interference suppression resistor, not shown, can occur.
  • the end of the insulating body 18 on the combustion chamber side heats up within a very short time, because the insulating body 18 consists of a material that is very poorly heat-conducting at this temperature and because of the gap 25 between Metal core 24 and insulating body 18 heat is dissipated only to a negligible extent; Due to this mode of action, the combustion chamber-side end section of the insulating body 18 quickly reaches the so-called free-burning temperature, which is between 400 and 450 ° C. and at which the insulating body 18 burns electrically conductive deposits on the outside of this area. Electrical shunts as a result of such electrically conductive deposits on the insulating body 18 are consequently avoided, which also contributes to avoiding misfiring.
  • the insulating body 18 has the following dimensions: the outer diameter of the end section on the combustion chamber side is 3.8 mm, specifically over a length of 6 mm; the diameter of the longitudinal bore 19 in the combustion chamber area 19/3 is 3 mm, over a length of 15 mm; the diameter of the collar 17 from the insulating body 18 is 9 mm and begins approximately 13 mm from the bottom 20 of the insulating body 18.
  • the metal core 24 has a length of 15 mm and thus extends somewhat into the central region 19/2 of the longitudinal bore of the insulating body 19.
  • the diameter of the combustion chamber-side region 19/3 of the insulating body longitudinal bore 19 is 1 to 3 mm in most of such spark plugs 10.
  • the metal core 24 consists of aluminum bronze, which is plastically deformed when the insulating body 18, the connecting bolt 21, the sealant 23 and the metal core 24 are assembled in the described method, material is also suitable for the metal core 24 that at the melting temperature of the sealant 23 is molten, but remains firm at the operating temperature of the spark plug, has a corresponding thermal expansion behavior and has good thermal conductivity; These materials also include aluminum, for example.
  • FIG. 3 shows another embodiment of the path 28 'arranged in the insulating body base 20', specifically in the form of a metal pin 27 'serving as the central electrode.
  • This metal pin 27 ' consists of a corrosion and erosion-resistant material, preferably of a noble metal (eg platinum metal).
  • This metal pin 27 ' is fixed in an axially arranged bore 30' in the insulating body base 20 ', has a shaft diameter of 0.5 mm and carries one to the metal core 24 'pointing head (without reference numerals);
  • the metal pin 27 'can have a thickness between 0.2 and 1 mm, but preferably has a diameter between 0.3 and 0.6 mm.
  • this spark plug area had a temperature of less than 400/450 ° C., there would be a gap between the longitudinal insulating bore 19 'and the metal core 24' and thus an interruption in the electrical connection between the metal core 24 'and the metal pin 27'; however, since such a gap is only very narrow, as described, it forms a small spark gap, which is known to have advantages for the function of the spark plug.
  • a suitable metal suspension can be introduced and sintered in; has proven itself for this purpose a Platinsus- p ension (see DE-OS 31 32 903).
  • FIG. 4 also shows the section of an insulating body 18 ′′ on the combustion chamber side with a metal core 24 ′′ built into its longitudinal bore 19 ′′, but the path 28 ′′ built into a bore 30 ′′. is formed from an electrically conductive ceramic part as the central electrode 27 ".
  • an electrically conductive ceramic part in the bottom 20" of the insulating body 18 " a porous ceramic with metal in the pores is well suited; such a ceramic can consist, for example, of aluminum oxide without flux and aluminum can be selected as the metal housed in the pores.
  • This aluminum in the pores can be melted into the longitudinal bore 19 "of the insulating body 18" when the metal core 24 "is melted down;
  • another suitable material eg silver, aluminum bronze, tin bronze
  • FIG. 5 shows a further exemplary embodiment for a path 28 "': In the bore 30"' of the insulating body base 20 “', a center electrode 27"' is sintered in as path 28 "', which consists of an electrically insulating, ceramic carrier 31 "', which one is coated on its surface with an electrically conductive layer 32 "'(eg made of platinum); such a central electrode 27"' can be provided with a head (without reference number) which is located on the inside of the longitudinal bore 19 "'of the insulating body 18"' rests or is also arranged on the outside of the insulating body base 20 '"(see DE-OS 30 38 720).
  • This embodiment of a path 2"" also applies to the spark gap between the metal core 24'" and the electrically conductive chip 32 '"for the example in FIG. 3.

Landscapes

  • Spark Plugs (AREA)

Abstract

Es wird eine Zündkerze vorgeschlagen, die sich dern thermischen Belastungen der Brennkratmaschine weitgehend anpaßt, sodaß bei niedriger Belastung keine Zündaussetzer infolge von Nebenschlüssen entstehen und bei hoher Belastung keine Glühzündungen auftreten. Die Zündkerze enthält im brennraumseitigen Abschnitt ihres Isolierkörpers einen Metallkern, der bei noch kalter Brennkraftmaschine einen Spalt gegenüber dem Isolierkörper bildet und somit eine starke Wärmeableitung verhindert; infolge dieser Gestaltung erreicht der brennraumseitige Endabschnitt des Isolierkörpers schnell eine Temperatur, bei der elektrisch leitfähige Ablagerungen verbrannt (Freibrenntemperatur), damit Nebenschlüsse und demzufolge Zündaussetzer verhindert werden. Bei betriebswarmer Zündkerze dehnt sich der Metallkern jedoch aus, legt sich mit einem Großteil seiner Oberfläche an die Oberfläche des Isolierkörpers, leitet viel Wärme ab und vermeidet damit Glühzündungen; der Metallkern bleibt bei allen Betriebszuständen der Zündkerze in festem Zustand. Durch einen dünnen Boden des Isolierkörpers, durch Verzicht auf eine separate wärmeableitende Mittelelektrode, bzw. durch eine wenig wärmeableitende, separate Mittelelektrode und durch Wahl eines bei niedrigen Temperaturen wenig warmeleitenden Materials für den Isolierkörper ist dieses Verhalten der Zündkerze noch zu optimieren.

Description

    Stand der Technik
  • Die Erfindung geht aus von einer Zündkerze für Brennkraftmaschinen nach der Gattung des Hauptanspruchs - wie sie schon aus der US-Patentschrift 2 603 200 bekannt ist. Bei der in dieser US-Patentschrift (siehe Figur 10) beschriebenen Zündkerze enthält die Isolierkörper-Längsbohrung ein flüssiges Metall (z.B. Qu-ecksilber) oder ein niedrig schmelzendes Metall (Wismut, Zinn, Blei, Antimon), das während der normalen Betriebstemperatur flüssig ist; Zündkerzen dieser Art erreichen während der Startphase der Brennkraftmaschine am brennraumseitigen Endabschnitt ihres Isolierkörpers erst nach relativ langer Zeit eine Temperatur von 400° bis 4+50° C (sogenannte Freibrenntemperatur), weil der Wärmeübergang vom Isolierkörper zu dem genannten Metall in der Isolierkörper-Längsbohrung schon in der Warmlaufphase sehr gut ist; dadurch, daß der brennraumseitige Abschnitt des Isolierkörpers relativ lange unterhalb der Freibrenntemperatur bleibt, werden elektrisch leitfähige Ablagerungen (z.B. Ruß) auf diesem Isolierkörperbereich erst relativ spät abgebrannt, wodurch bis zum Erreichen der Freibrenntemperatur zu Zündaussetzern führen könnende elektrische Nebenschlüsse entstehen bzw. bestehen bleiben. Sofern derartige Zündkerzen außerdem eine dünne Bohrung zwischen dem flüssigen Metall und der Funkenstrecke aufweisen, tritt zudem häufig dadurch ein Kurzschluß auf, daß flüssiges Metall durch die Bohrung hindurchwächst, eine Brücke in Richtung Masseelektrode bildet und zu einem Kurzschluß führen kann.
  • Weiterhin sind bereits Zündkerzen bekannt, die in Verbindung mit ihrer Mittelelektrode in der Isolierkörper-Längsbohrung einen Metallkern haben, welcher aus Kupfer oder Silber besteht und als Pulver oder Stange in die Isolierkörper-Längsbohrung eingebracht, erwärmt und derart eingepresst wird, daß ein enger Kontakt zwischen dem Metallkern und dem Isolator erreicht wird; auch diese Zündkerzen weisen den Nachteil bezüglich der Freibrenntemperatur bei Start oder lang andauerndem Leerlauf der Brennkraftmaschine auf (britische Patentschrift 547 119).
  • Auch ist bereits bei Zündkerzen bekannt, in die Isolierkörper-Längsbohrung einen z.B. aus Silber bestehenden Metallkern mittels Schleuderguß spaltlos einzubringen (DE-PS 1 207 709 = US-PS 3 113 232) oder in die Isolierkörper-Längsbohrung einen aus Kupfer oder Nickel bestehenden Metallkern spaltlos einzupressen, dem Stoffe hinzugefügt wurden, um das Wärmeausdehnungsverhalten von Metallkern und Isolierkörper einander anzupassen (US-PS 3 061 756); auch diese beiden Ausführungsformen von Zündkerzen weisen den Nachteil auf, daß sie aufgrund der guten Wärmeableitung während der Startphase oder bei Leerlauf der Brennkraftmaschine erst relativ spät bzw. überhaupt nicht ihre Freibrenntemperatur erreichen.
    • Vorteile der Erfindung
  • Die erfindungsgemäße Zündkerze mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß sie in der Startphase schnell auf die Freibrenntemperatur von 400/4500 C kommt, demzufolge elektrisch leitfähige Ablagerungen auf dem brennraumseitigen Abschnitt des Isolierkörpers verbrennen, wodurch mit zu Zündaussetzern führende, elektrisch leitfähige Nebenschlüsse verhindert werden; wie auch bei den zum Stand der Technik gehörenden Zündkerzen unterbleibt auch bei der erfindungsgemäßen Zündkerze ein Auftreten von Glühzündungen bei hohen Betriebstemperaturen, weil sie in diesem Temperaturbereich eine gute Wärmeableitung vom brennraumseitigen Abschnitt des Isolierkörpers aufweisen. Als weiterer Vorteil ist anzusehen, daß die erfindungsgemäße Zündkerze für eine größere Anzahl verschiedener Brennkraftmaschinen geeignet ist als es bei bekannten Zündkerzen der Fall ist, weil sich nämlich der Wärmefluß in der erfindungsgemäßen Zündkerze weitgehend der jeweiligen thermischen Belastung anpaßt.
  • Ein zusätzlicher Vorteil ist bei solchen Zündkerzen gegeben, die im Bereich ihres brennraumseitigen Isolierkörper-Abschnitts eine enge Bohrung aufweisen, weil bei der erfindungsgemäßen Zündkerze kein schmelzflüssiges Metall aus dieser Bohrung austritt und demzufolge keine Brücke in Richtung Masseelektrode gebildet wird.
  • Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Zündkerze möglich; besonders vorteilhaft ist es für ein schnelles Erreichen der Freibrenntemperatur dieser in der Startphase befindlichen Zündkerze, wenn der brennraumseitige Endabschnitt des Isolierkörpers dünnwandig gestaltet ist und/oder ein Isolierkörper-Material mit bei niedrigen Temperaturen schlechter Wärmeleitfähigkeit verwendet wird. Bei einigen Anwendungsfällen kann der Einbau einer in den Boden des Isolierkörpers eingefügten, separaten Mittelelektrode aus einem derartigen Material zweckmäßig sein, das bei niedrigen Temperaturen Wärme-nur schlecht abführt. - Die erfindungsgemäße Zündkerze erlaubt außerdem erhebliche Fertigungskosteneinsparungen (Lohn, Stoff, Anlagen, Energie), ermöglicht eine einfacher zu erzielende Fertigungssicherheit und hat eine hohe Lebensdauer infolge von geringer, auf Erosion und Korrision zurückzuführende Änderung des Elektrodenabstandes.
    • Zeichnung
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung .sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert; es zeigen Figur 1 einen vergrößert dargestellten Längsschnitt durch den brennraumseitigen Abschnitt einer im kalten Zustand befindlichen Zündkerze (Isolierkörper-Metallkern dient gleichzeitig als Mittelelektrode), Figur 2 einen vergrößert dargestellten Längsschnitt durch den brennraumseitigen Abschnitt der im betriebsvarmen Zustand befindlichen Zündkerze nach Figur 1, Figur 3 einen vergrößert dargestellten Längsschnitt durch den brennraumseitigen Endabschnitt eines Zündkerzen-Isolierkörpers mit Metallkern und einer in den Boden des Isolierkörpers eingefügten separaten metallischen Mittelelektrode, Figur 4 einen vergrößert dargestellten Längsschnitt durch den brennraumseitigen Endabschnitt eines Zündkerzen-Isolierkörpers mit Metallkern und einer in den Boden des Isolierkörpers eingefügten separaten, elektrisch leitfähigen Mittelelektrode, die keramische Anteile hat, und Figur 5 einen vergrößert dargestellten Längsschnitt durch den brennraumseitigen Endabschnitt eines Zündkerzen-Isolierkörpers mit Metallkern und einer in den Boden des Isolierkörpers eingefügten separaten Mittelelektrode, die aus einem keramischen Träger und einer elektrisch leitfähigen Schicht besteht.
    • Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • Der in den Figuren 1 und 2 gezeigte brennraumseitige Endabschnitt der erfindungsgemäßen Zündkerze 10 besitzt ein im wesentlichen rohrförmiges Metallgehäuse 11, das an seiner Außenseite ein Einschraubgewinde 12 und ein nicht mehr in den Figuren 1 und 2 erfaßtes Schlüsselsechskant für den Einbau der Zündkerze 10 in eine nicht dargestellte Brennkraftmaschine aufweist. Dieses Metallgehäuse 11 trägt an seinem brennraumseitigen Ende eine drahtförmige Masseelektrode 13, deren freier Endabschnitt hakenförmig vor der Durchgangsbohrung 14 des Metallgehäuses 11 angeordnet ist; bei bestimmten Zündkerzen-Ausführungen trägt das Metallgehäuse 11 mehrere Masseelektroden 13, bei anderen Ausführungungsformen wird die Masseelektrode von einem Teil der Brennkraftmaschine gebildet. In der Durchgangsbohrung 14 des Metallgehäuses 11 ist eine Schulter 15 eingeformt, die dem Brennraum der Brennkraftmaschine abgewendet ist und unter Zwischenschaltung eines Dichtringes 16 den Bund 17 eines im wesentlichen rotationssymmetrischen Isolierkörpers 18 trägt. Dieser Isolierkörper 18 ist in der Metallgehäuse-Durchgangsbohrung 14 in bekannter Weise durch Bördeln und Schrumpfen dichtend festgelegt, kann im Gehäuse jedoch auch auf andere Art wie z.B. Einkitten eingebaut sein. Während der nicht dargestellte Kopf des Isolierkörpers 18 anschlußseits aus dem Metallgehäuse 11 herausragt, erstreckt sich der brennraumseitige Abschnitt (Fuß) des Isolierkörpers 18 in Richtung auf den freien Endabschnitt der Masseelektrode 13 und verjüngt sich in der gleichen Richtung. Dieser Isolierkörper 18 besitzt eine axiale Längsbohrung 19, deren anschlußseitiger Bereich 19/1 über einen kegelstumpfförmig sich verjüngenden mittleren Bereich 19/2 in den brennraumseitigen Bereich 19/3 übergeht; an dem brennraumseitigen Endabschnitt des Isolierkörpers 18 ist ein kuppenförmiger Boden 20 mit angeformt, der nur 0,4 mm dick ist. Diese Dicke von 0,4 mm des Bodens 20 erstreckt sich auch noch über einen Teil des sich anschließenden Isolierkörpers 18 und zwar - gemessen vom Boden 20 in Axialrichtung des Isolierkörpers 18 - auf 6 mm Länge;je nach Anwendungsfall kann diese Dicke des brennraumseitigen Endabschnitts des Isolierkörpers 18 mit dem Boden 20 im Bereich zwischen 0,2 und 0,9 mm liegen, bevorzugt liegt diese Dicke jedoch zwischen 0,3 und 0,6 mm. Auch die Länge dieses dünnen Wandbereiches vom Isolierkörper 18 kann je nach Anwendungsfall zwischen 2,5 und 12 mm, jedoch bevorzugt zwischen 5 und 9 mm liegen. Der Übergang von diesem dünnwandigen Bereich des Isolierkörpers 18 zum Bund 17 hin muß in Länge und Wanddicke dem jeweiligen Anwendungszweck angepaßt sein - wie es auch bei bekannten Zündkerzen der Fall ist.
  • Der Isolierkörper 18 besteht im wesentlichen aus Aluminiumoxid, dem 10 Gewichtsprozent Flußmittel (z.B. Magnesium-.und/oder Calciumsilikate) hinzugefügt sind; der gegenüber herkömmlichen Zündkerzen-Isolierkörpern relativ hohe Anteil an Flußmittel (herkömmliche Isolierkörper enthalten etwa 5 Gewichtsprozent Flußmittel) bewirkt, daß die Wärmeleitfähigkeit des Isolierkörpers 18 bei Temperaturen unterhalb von 6000 C geringer ist als bei herkömmlichen Isolierkörpern, daß jedoch der Isolierkörper 18 bei Temperaturen oberhalb von 600 bis 7000 C im wesentlichen die gleiche Wärmeleitfähigkeit hat wie herkömmliches Material. Der infolge des höheren Flußmittelgehaltes bedingte niedrigere Erweichungspunkt des Isolierkörpers 18 behindert nicht die Funktion der Zündkerze 10, weil die an der Zündkerze auftretenden Betriebstemperaturen weit unter der Erweichungstemperatur einer solchen Keramik liegen. Der Anteil an Flußmittel im Isolierkörper 18 kann im Bereich zwischen 3 und 20 Gewichtsprozenten liegen, beträgt bevorzugt jedoch zwischen 8 und 15 Gewichtsprozent.
  • In den anschlußseitigen Bereich 19/1 der Isolierkörper-Längsbohrung 19 ragt ein metallischer Anschlußbolzen 21, dessen aus dem Isolierkörper 18 herausragender Endabschnitt ein nicht dargestelltes Gewinde oder ähnliches besitzt und an seinem brennraumseitigen Endabschnitt mit einem Verankerungsmittel 22 (z.B. Gewinde, Rändelung) versehen ist. Dieses Verankerungsmittel 22 des Anschlußbolzens 21 ist fest und dicht in einem elektrisch leitfähigem Dichtmittel 23 eingebettet, das die Isolierkörper-Längsbohrung 19 in diesem Bereich enthält. Derartige Dichtmittel 23 sind allgemein bekannt und finden bevorzugt als elektrisch leitfähiger Glasschmelzfluß Anwendung (siehe z.B. US-Patentschrift 3 909 459). Dem Dichtmittel 23 schließt sich brennraumseits ein Metallkern 24 an, der - je nach Anwendungsfall - den brennraumseitigen Bereich 19/3, gegebenenfalls auch teilweise den mittleren Bereich 19/2 der Isolierkörper-Längsbohrung 19 bis auf einen sehr engen Spalt 25 zwischen Metallkern 24 und Oberfläche der Isolierkörper-Längsbohrung 19 ausfüllt. Der Spalt 25 ist jedoch nur dann vorhanden, solange die Temperatur des brennraumseitigen Endabschnitts vom Isolierkörper 18 unterhalb 450° C liegt, und er schließt sich nach Erreichen einer Betriebstemperatur von 450 bis 5000 C. Dieses Verhalten des Metallkerns 24 ist auf sein Wärmeausdehnungsvermögen zurückzuführen, das gegenüber dem der Keramik des Isolierkörpers 18 größer ist. Ein solcher Metallkern 24 besteht vorzugsweise aus Aluminiumbronze mit 8 % Aluminium, er kann aber auch aus anderen Stoffen mit entsprechendem Wärmeausdehnungsverhalten und guter Wärmeleitfähigkeit hergestellt sein; gut geeignet sind für einen solchen Metallkern 24 außer Aluminiumlegierungen auch Kupferlegierungen, Silber oder Metallegierungen, die zumeist einen erheblichen Anteil von mindestens einem dieser Stoffe enthalten (z.B. Messing, Zinnbronze). Für diesen Zweck geeignete Metalle bzw. Metallegierungen haben bevorzugt eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 90 W/mK und sind bei den nachfolgend beschriebenen, bei der Zündkerze angewendeten Einschmelztemperaturen flüssig oder derart plastisch verformbar, daß sie beim Einschmelzen von Metallkern 24 und Dichtmittel 23 im Isolierkörper 18 den betroffenen Bereich 19/3 der Isolierkörper-Längsbohrung 19 spaltfrei ausfüllen. Bei der bevorzugten Ausführungsform, bei der dieser Metallkern 24 aus Aluminiumbronze besteht, erfolgt die Montage von Isolierkörper 18, Anschlußbolzen 21, Dichtmittel 23 und Metallkern 24 derart, daß in den brennraumseitigen Bereich 19/3 der Isolierkörper-Längsbohrung 19 ein Aluminiumbronzestab bestimmten Volumens eingefügt wird, dessen vom Brennraum wegweisendes Ende den Querschnitt der Längsbohrung 19 ausfüllt, daß anschließend eine vordosierte Menge eines granulierten oder als Tablette vorgeformten Dichtmittels 23 oberhalb des Aluminiumbronzestabes hineingegeben wird, daß in einem nächsten Schritt der Anschlußbolzen 21 mit seinem das Verankerungsmittel 22 tragenden Endabschnitt oberhalb des Dichtmittels 23 in die Isolierkörper-LAngsbohrung 19 eingesteckt wird, daß in einem weiteren Schritt die derart vormontierte und senkrecht stehende Baueinheit etwa auf die Einschmelz- temperatur des Dichtmittels 23 erwärmt wird (z.B. 9000C), daß dann Druck auf den Anschlußbolzen 21 in Richtung auf das Dichtmittel 23 so stark ausgeübt wird, sodaß sich der bei dieser Temperatur warmverformbare Aluminiumbronze-ab stab mit seiner gesamten Oberfläche im entsprechenden Bereich in der Längsbohrung 19 anlegt, daß die Baueinheit anschließend gekühlt wird, wobei der Druck auf den Anschlußbolzen 21 bevorzugt erst kurz vor Erreichen des Transformationspunkts (z.B. 500° C) des Dichtmittels 23 entfernt wird. Beim Abkühlen der Baueinheit bildet sich infolge des unterschiedlichen Wärmeausdehnungsverhaltens von Isolierkörper 18 und Metallkern 24 zwischen diesen beiden der Spalt 25. Für die Einstellung der gewünschten Wärmeableitung vom brennraumseitigen Endabschnitt des Isolierkörpers 18 in Richtung Anschlußseite der Zündkerze 10 kann das Volumen des Metallkernes 24 verschieden groß gestaltet sein: Der Metallkern 24 kann z.B. mehr oder weniger bis in den Bereich des Dichtringes 16 reichen und/oder er kann einen unterschiedlichen Durchmesser haben. Es sei erwähnt, daß anstelle des Dichtmittels 23 auch eine an sich bekannte Kombination von Dichtmittel 23 mit einem nicht dargestellten Entstörwiderstand treten kann.
  • Dem Isolierkörper-Boden 20 steht mit Abstand 26 (Funkenstrecke) die Masseelektrode 13 gegenüber; dieser Abstand 26 beträgt etwa 0,8 mm. Bei der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zündkerze 10 dient der Metallkern 24 gleichzeitig als Mittelelektrode 27 und der Funkenübersprung erfolgt zwischen dieser Mittelelektrode 27 und der Masseelektrode 13 über einen als enge Bohrung ausgebildeten Pfad 28 im Isolierkörper-Boden 20 und den als Luftfunkenstrecke dienenden Abstand 26 zwischen Isolierkörper-Boden 20 und der Masseelektrode 13. Diese enge Bohrung 28 ist bevorzugt zentral angeordnet und hat einen Durchmesser im Bereich zwischen etwa 50 und 300 /um. Zur Vorfixierung dieser Bohrung 28 kann der Isolierkörper-Boden 20 an der entsprechenden Stelle mit einer kleinen Einsenkung 29 versehen sein; eine solche Einsenkung 29 kann an der Außenseite des Isolierkörper-Bodens 20 und/oder an der Innenseite des Bodens 20 angebracht sein. Anstelle einer einzigen Bohrung 28 können auch mehrere derartiger Bohrungen 28 im Boden 20 vorhanden sein. Die Herstellung derartiger Bohrungen kann entweder durch Bohren mittels Laserstrahl oder auch einfach durch einen elektrischen Überschlag entsprechender Spannung zwischen der Mittelelektrode 27 und der Masseelektrode 13 erfolgen, sie kann aber auch mit einer entsprechend ausgebildeten Nadel (nicht dargestellt) in den Isolierkörper 18 eingepreßt werden.
  • Wird eine kalte Brennkraftmaschine mittels einer erfindungsgemäßen Zündkerze 10 in Betrieb genommen, dann erwärmt sich das brennraumseitige Ende des Isolierkörpers 18 innerhalb sehr kurzer Zeit, und zwar, weil der Isolierkörper 18 aus einem bei dieser Temperatur sehr schlecht wärmeleitenden Material besteht und infolge des Spaltes 25 zwischen Metallkern 24 und Isolierkörper 18 Wärme nur im vernachlässigbarem Umfange abgeleitet wird; aufgrund dieser Wirkungsweise erreicht der brennraumseitige Endabschnitt des Isolierkörpers 18 schnell die sogenannte Freibrenntemperatur, die zwischen 400 und 450°C liegt und bei der das Verbrennen von elektrisch leitfähigen Ablagerungen auf der Außenseite dieses Bereiches vom Isolierkörper 18 erfolgt. Elektrische Nebenschlüsse infolge solcher elektrisch leitfähiger Ablagerungen auf dem Isolierkörper 18 werden demzufolge vermieden, was auch zum Vermeiden von Zündaussetzern beiträgt.
  • Bei Erreichen eines Temperaturbereiches von 450 bis 500°C hat sich der Metallkern 24 einschließlich seines vorderen als Mittelelektrode 27 wirkenden Endabschnitts infolge seines Wärmeausdehnungsverhaltens derart ausgedehnt, daß er mit einem erheblichen Teil seiner Oberfläche an der Oberfläche der Isolierkörper-Längsbohrung 19/3 zur Anlage kommt und Wärme aus dem brennraumseitigen Bereich des Isolierkörpers 18 schnell in den hinteren Bereich der Zündkerze ableitet. Die Abmessungen und das Material des Isolierkörpers 18 sind so gewählt, daß soviel Wärme in den hinteren Teil der Zündkerze 10 abgeführt wird, daß der Metallkern 24 festbleibt und nicht schmilzt. Aufgrund des festen Aggregatzustandes vom Metallkern 24 wird das Austreten von flüssigen Metallteilen aus der Bohrung 28 des Isolierkörpers 18 und demzufolge auch ein Kurzschluß zwischen der Mittelelektrode 27 und der Masseelektrode 13 vermieden.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel hat der Isolierkörper 18 die folgenden Abmessungen: Der Außendurchmesser des brennraumseitigen Endabschnitts beträgt 3,8 mm und zwar über eine Länge von 6 mm; der Durchmesser der Längsbohrung 19 im brennraumseitigen Bereich 19/3 beträgt 3 mm, und zwar über eine Länge von 15 mm; der Durchmesser des Bundes 17 vom Isolierkörper 18 beträgt 9 mm und beginnt etwa 13 mm vom Boden 20 des Isolierkörpers 18. Der Metallkern 24 hat bei diesem Ausführungsbeispiel eine Länge von 15 mm und reicht damit etwas in den mittleren Bereich 19/2 der Isolierkörper-Längsbohrung 19. Der Durchmesser des brennraumseitigen Bereichs 19/3 der Isolierkörper-Längsbohrung 19 beträgt 1 bis 3 mm bei den meisten derartigen Zündkerzen 10.
  • Während beim vorliegenden Ausführungsbeispiel der Metallkern 24 aus Aluminiumbronze besteht, welche beim Zusammenbau von Isolierkörper 18, Anschlußbolzen 21, Dichtmittel 23 und Metallkern 24 bei dem beschriebenen Verfahren plastisch verformt wird, ist für den Metallkern 24 auch Material geeignet, daß bei der Einschmelztemperatur des Dichtmittels 23 schmelzflüssig ist, bei der Betriebstemperatur der Zündkerze jedoch fest bleibt, ein entsprechendes Wärmeausdehnungsverhalten aufweist und gute Wärmeleitfähigkeit besitzt; zu diesen Materialien gehört auch beispielsweise Aluminium.
  • In der Figur 3 ist eine andere Ausführungsform des im Isolierkörper-Boden 20' angeordneten Pfades 28' dargestellt, und zwar in Form eines als Mittelelektrode dienenden Metallstifts 27'. Dieser Metallstift 27' besteht aus einem korrosions- und abbrandfestem Material, vorzugsweise aus einem Edelmetall (z.B. Platinmetall). Dieser Metallstift 27' ist in einer axial angeordneten Bohrung 30' im Isolierkörper-Boden 20' festgelegt, hat einen Schaftdurchmesser von 0,5 mm und trägt einen zum Metallkern 24' weisenden Kopf (ohne Bezugszeichen); je nach Anwendungsfall kann der Metallstift 27' eine Dicke zwischen 0.2 und 1 mm haben, hat bevorzugt jedoch einen Durchmesser zwischen 0,3 und 0,6 mm. Anstelle des zum Metallkern 24' weisenden Kopfes des Metallstiftes 27' kann ein solcher Kopf auch an dem brennraumseitigen Ende des Metallstiftes 27' angeordnet sein, er kann bei gewissen Anwendungsfällen jedoch auch entfallen. Der Metallstift 27' schließt bündig mit dem Isolierkörper-Boden 20' ab, kann jedoch für manche Anwendungsfälle auch so ausgebildet werden, daß er bis zu--etwa 1 mm aus dem Isolierkcrper-Boden 20' hervorragt. - In der Figur 3 ist ein solcher Zustand des brennraumseitigen Endabschnitts von Isolierkörper 18' und Metallkern 24' gezeigt, bei dem der Metallkern 24' mit seiner Oberfläche an den brennraumseitigen Bereich 19'/3 der Längsbohrung 19' anliegt, d.h., sich in einem Temperaturbereich von größer als 450° C befindet. Im Falle, daß dieser Zündkerzenbereich eine Temperatur von weniger als 400/450°C hätte, befände sich zwischen der Isolierkörper-Längsbohrung 19' und dem Metallkern 24' ein Spalt und damit eine Unterbrechung der elektrischen Verbindung zwischen Metallkern 24' und Metallstift 27'; da ein solcher Spalt jedoch nur - wie beschrieben - sehr eng ist, bildet er eine kleine Vorfunkenstrecke, welche für die Funktion der Zündkerze bekannterweise Vorteile bewirkt. Es sei erwähnt, daß anstelle eines solchen, im Isolierkörper-Boden 20' eingesinterten Metallstiftes 27' eine geeignete Metallsuspension eingebracht und eingesintert werden kann; bewährt hat sich für diesen Zweck eine Platinsus- pension (siehe DE-OS 31 32 903).
  • In der Figur 4 ist ebenfalls der brennraumseitige Abschnitt eines Isolierkörpers 18" mit in seiner Längsbohrung 19" eingebautem Metallkern 24" dargestellt, wobei jedoch der in einer Bohrung 30" eingebaute Pfad 28" aus einem elektrisch leitfähigem Keramikteil als Mittelelektrode 27" gebildet wird. Als ein solches elektrisch leitfähiges Keramikteil im Boden 20" des Isolierkörpers 18" ist eine poröse Keramik mit in den Poren befindlichem Metall gut geeignet; eine derartige Keramik kann bespielsweise aus Aluminiumoxid ohne Flußmittel bestehen und als in den Poren untergebrachtes Metall kann Aluminium gewählt werden. Dieses in den Poren befindliche Aluminium kann gleichzeitig beim Einschmelzen des Metallkernes 24" in die Längsbohrung 19" des Isolierkörpers 18" eingeschmolzen werden; anstelle des Materials, aus dem der Metallkern 24" besteht, kann auch ein anderes geeignetes Material (z.B. Silber, Aluminiumbronze, Zinnbronze) hierfür Verwendung finden, es muß jedoch zumeist in einem separaten Arbeitsgang in das Keramikteil eingebracht werden. Bei weiteren Varianten kann der elektrisch leitfähige Pfad 28", welcher in den Isolierkörper-Boden 20" eingesintert; eingekittet oder mittels Glas befestigt ist, auch andere Metalle enthalten (siehe DE-OS 28 54 071); ein solcher Pfad 28" kann auch aus Halbleitermaterial bestehen (siehe DE-θS 27 29 099), auch z. B. aus dotierter Perowskit-Keramrk (siehe DE-OS 28 24 408); dem Halbleitermaterial bzw. der Perowskit-Keramik kann gegebenenfalls auch noch Metallpulver (z.B. Pt, Ni, Cr, Co) zugegeben werden. Es können für diesen Zweck aber auch Stoffe dafür Verwendung finden, welche als elektrische Heizstäbe dienen (siehe CH-PS 105 078). Das zu dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 über die kleine Vorfunkenstrecke Gesagte gilt für dieses Ausführungsbeispiel in Figur 4 entsprechend.
  • In der Figur 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen Pfad 28"' dargestellt: In der Bohrung 30"' des Isolierkörper-Bodens 20"' ist als Pfad 28"' eine Mittelelektrode 27"' eingesintert, die aus einem elektrisch isolierendem, keramischen Träger 31"' besteht, welcher auf seiner Oberfläche mit einer elektrisch leitenden Schicht 32"' (z.B. aus Platin) beschichtet ist; eine solche Mittelelektrode 27"' kann mit einem Kopf (ohne Bezugszeichen) versehen sein, welcher auf der Innenseite der Längsbohrung 19"' des Isolierkörpers 18"' aufliegt oder auch auf der Außenseite des Isolierkörper-Bodens 20'" angeordnet ist (siehe DE-OS 30 38 720). Auch bei dieser Ausführungsform eines Pfades 2"" gilt das über die Vorfunkenstreche zwischen dem Metallkern 24'" und der elektrisch leitenden Schit 32'" zu dem Beispiel in Figur 3 Gesagte.
  • Auch bei den Ausführungsbeispielen gemäß der Figuren und 5 schließen die Mittelelektrode 27 " und 27'" bevorzugt bündig mit dem Isolierkörper-Boden 20" bzw. 20'" ab, sie können jedoch auch um etwa 1 mm aus dem Boden 20 " bzw. 20'" brennraumseits hervorragen.

Claims (14)

1. Zündkerze mit einem rohrförmigen Metallgehäuse, das auf seiner Außenseite Mittel für den Einbau in eine Brennkraftmaschine besitzt, in seiner Durchgangsbohrung einen zumeist rotationssymmetrischen, wärmebeständigen Isolierkörper mit einem im brennraumseitigen Endabschnitt befindlichen dünnwandigen Boden abdichtend umfaßt und an seinem brennraumseitigen Endabschnitt zumeist mindestens eine Masseelektrode besitzt, welche mit Abstand (Funkenstrecke) einer Mittelelektrode gegenübersteht, die im brennraumseitigen Abschnitt des Isolierkörpers angeordnet und mit einem sich anschlußseits anschließenden, in der Längsbohrung des Isolierkörpers befindlichen Metallkern in Reihe liegt, welcher brennraumseits einen im Zündkreis liegenden Pfad besitzt und so bemessen ist, daß er den brennraumseitigen Bereich der Isolierkörper-Längsbohrung ausfüllt, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallkern (24 bis 24"') aus einem bei allen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine festem Material besteht, aufgrund seines Ausdehnungs- bzw. Schrumpfverhaltens bei Betriebstemperaturen oberhalb von 450/500 0 C mit einem erheblichen Teil seiner Oberfläche an der Oberfläche der Isolierkörper-Längsbohrung (19 bis 19'") anliegt, aber unterhalb der genannten Betriebstemperaturen zwischen Metallkern (24 bis 24'") und Oberfläche der Isolierkörper-Längsbohrung (19 bis 19'") einen Spalt (25) bildet.
2. Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallkern (24 bis 24"') aus einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von mindestens 90 W/mK besteht.
3. Zündkerze nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden (20 bis 20'") des Isolierkörpers (18 bis 18'") eine Dicke im Bereich von 0,2 bis 0,9 mm, bevorzugt zwischen 0,3 und 0,6 mm hat.
L. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich der dünnwandige Isolierkörper-Boden (20 bis 20'") über eine Höhe zwischen 2,5 mm und 12mm, bevorzugt zwischen 5 und 9 mm des brennraumseitigen Endes des Isolierkörpers (18 bis 18'") erstreckt, und daß der Boden (20 bis 20'") vorzugsweise in Form einer Kuppe gestaltet ist.
5. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierkörper (18 bis 18'") im wesentlichen aus Aluminiumoxid besteht und einen Gehalt an Flußmitteln aufweist, der im Bereich zwischen 3 und 20 Gewichtsprozent, bevorzugt zwischen 8 und 15 Gewichtsprozent liegt.
6. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallkern (24 bis 24'") aus einem Material besteht, das bei der Einschmelztemperatur eines zwischen Anschlußbolzen (21) und Metallkern (24 bis 24'") angeordneten, elektrisch leitfähigen Dichtmittels (23) plastisch verformbar oder schmelzflüssig ist.
7. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallkern (24 bis 24''') aus Aluminium, Kupfer, Silber oder Metallegierungen besteht, die einen erheblichen Anteil von mindestens einem dieser Stoffe enthalten (z.B. Messing, Aluminiumbronze, Zinnbronze).
8. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das brennraumseitige Ende des Metallkerns (24) die Mittelelektrode (27) bildet und der Pfad (28) mindestens eine enge Bohrung im Boden (20) des Isolierkörpers (18) ist.
9. Zündkerze nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung (28) im Boden (20) des Isolierkörpers (18) einen Durchmesser im Bereich von 50 und 300 u aufweist.
10. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die als Pfad (28') dienende Mittelelektrode (27') von einem dünnen Metallstift oder einer Leiterbahn gebildet ist.
11. Zündkerze nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Metallstiftes (27') im Bereich von 0,2 und 1 mm, bevorzugt im Bereich von 0,3 und 0,6 mm liegt.
12. Zündkerze nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallstift (27') aus einem Edelmetall, bevorzugt aus einem Platinmetall besteht.
13. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die als Pfad (28", 28'") dienende Mittelelektrode 27", 27'") von einem elektrisch leitfähigem Keramikteil gebildet wird.
14. Zündkerze nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelelektrode (27' bis 27'") maximal etwa 1 mm aus dem brennraumseitigen Ende des Isolierkörpers (18' bis 18'") herausragt, bevorzugt jedoch bündig mit dem brennraumseitigen Ende des Isolierkörpers (18' bis 18'") abschließt.
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