EP2062338B1 - Zundkerze - Google Patents

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EP2062338B1
EP2062338B1 EP07801622A EP07801622A EP2062338B1 EP 2062338 B1 EP2062338 B1 EP 2062338B1 EP 07801622 A EP07801622 A EP 07801622A EP 07801622 A EP07801622 A EP 07801622A EP 2062338 B1 EP2062338 B1 EP 2062338B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
insulator body
spark plug
housing
plug according
housing head
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
EP07801622A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP2062338A1 (de
Inventor
Georg Maul
Dieter Kuhnert
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Multitorch GmbH
Original Assignee
Multitorch GmbH
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Publication date
Application filed by Multitorch GmbH filed Critical Multitorch GmbH
Publication of EP2062338A1 publication Critical patent/EP2062338A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2062338B1 publication Critical patent/EP2062338B1/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
    • H01T13/20—Sparking plugs characterised by features of the electrodes or insulation
    • H01T13/36—Sparking plugs characterised by features of the electrodes or insulation characterised by the joint between insulation and body, e.g. using cement

Definitions

  • the invention relates to a spark plug for igniting a combustible gas mixture in an internal combustion engine, comprising an ignition electrode, an electrical supply line to which the ignition electrode is connected, an insulator body, through which the supply line is passed, and a housing head which sits sealingly on the insulator body and an external thread for screwing into an internal combustion engine carries.
  • a spark plug is for example from the EP 1 265 328 B1 known.
  • peak pressures of the order of 150 bar can occur. These peak pressures load the spark plug during operation and, even with dimensionally accurate manufacture and careful sealing, can cause combustion gases to exit the engine. In particular, in gas engines occurring peak pressures can also cause the insulator body is squeezed and explosively shoots out of the plug housing.
  • the object of the invention is to increase life and reliability of a spark plug of the type mentioned on.
  • the tubular housing While at the out of the EP 1 265 328 B1 known spark plug, the tubular housing on the one hand has the function to protect the spark plug from damage by external influence and to screw the spark plug torque to transmit, and on the other hand clamp the insulator, this clamping function is taken in a spark plug according to the invention by an insulator body holder, the Insulator body with a bias against the housing head presses.
  • the tubular housing and the insulator body holder can be optimized separately with respect to their respective functions. Therefore, very high torques can be transmitted via the hexagon of the tube housing of a spark plug according to the invention for screwing in the spark plug into an engine block, without thereby impairing the seal between insulator body and housing head.
  • the tube housing and the insulator body holder are made of different materials.
  • the housing can be optimized independently of the insulator body holder and thus the risk of breakage can be substantially reduced.
  • the insulator body holder is preferably made of a metallic material having a thermal expansion coefficient ⁇ M , the in the temperature range from 0 ° C to 400 ° C with the thermal expansion coefficient ⁇ K of the insulator body the inequality ⁇ M - ⁇ K ⁇ 1 ⁇ 10 -6 / K.
  • the thermal expansion coefficient ⁇ M of the insulator body holder is thus smaller than the thermal expansion coefficient ⁇ K of the insulator body or exceeds it by less than 1 ⁇ 10 -6 / K.
  • the insulator body of a spark plug and surrounding metal parts can heat up to 400 ° C and more during operation.
  • the steels commonly used in the art have a coefficient of thermal expansion in the relevant temperature range of from about 12.10 -6 / K to 15x10 -6 / K, while the temperature coefficient of the insulator body typically made of alumina is typically about 3.10 -6 / K is up to 8 ⁇ 10 -6 / K.
  • Such leakage gases lead to deposits in the interior of the spark plug, increase the risk of shunts and can affect the functionality of a spark plug over time and cause their premature failure.
  • the materials of the insulator body and the insulator body holder with respect to the thermal expansion coefficient coordinated so that permanently a better seal is achieved. Impairment by leakage gases can therefore be avoided in a spark plug according to the invention, so that results in a longer life.
  • the insulator body may be made of a ceramic material customarily used in the state of the art, for example aluminum oxide, or in particular also of aluminum nitride, which has an advantageously high thermal expansion coefficient. Matching coefficients of expansion have in particular nickel-iron alloys with a nickel content of 25% by weight to 50% by weight. Steel, for example ST37 steel, is preferred as the material for the tubular housing.
  • the insulator body holder is welded to the housing head via a butt weld or a wedge seam, a butt weld being particularly preferred.
  • Wedge seams are sometimes referred to as V-seams and butt welds as I-seams.
  • high-precision manufacturing can be performed by welding with a wedge or butt weld.
  • Welding is particularly preferably carried out as arc welding, particularly preferably as inert gas welding, in particular as TIG welding (tungsten inert gas).
  • arc welding the material is heated up around the weld to be formed. During the subsequent cooling, therefore, there is a length contraction, by which the insulator body is clamped with great force between the housing head and the insulator body holder.
  • the length contraction caused by the welding thus provides for a higher contact force with which the insulator body is pressed against the housing head, and consequently also for a better seal against the ingress of gases from the combustion chamber of the engine.
  • the EP 1 265 328 B1 teaches the use of laser welding techniques for spark plug production.
  • Laser welding has the advantage of very high precision, making it predestined for high-precision manufacturing, as required for spark plugs.
  • arc welding spark plugs which provides an improved seal between the insulator body and Show housing head. This improved sealing is effected by the contraction occurring during cooling of the weld.
  • the measure according to the invention of pressing the insulator body against the housing head welded to it by means of an insulator body holder and arranging a vent opening in the tubular housing prevents impast of candle parts from the tubular housing in the event of dangerous peak pressures in a simple and reliable manner. Namely, if such high peak pressures occur that the insulator body is pressed into the interior of the pipe housing despite the insulator body holder being welded to the housing head, the pressure can be discharged through the at least one vent opening in the jacket surface of the pipe housing without causing dangerous acceleration the insulator body and its imposition comes.
  • spark plug 1 has a housing head 2 with an external thread 3 for screwing in an internal combustion engine and an ignition electrode 4, which is arranged in the housing head 2.
  • the ignition electrode 4 is connected to an electrical supply line 5, which is also referred to as the center electrode.
  • the supply line 5 is passed through an insulator body 6, which is pressed by an insulator body holder 7 with a bias against the housing head 2.
  • the housing head 2 is seated with the interposition of a seal 8 in the form of a copper sealing ring sealingly on the insulator body 6.
  • the insulator body holder 7 and the insulator body 6 are surrounded by a tubular housing 9 which is fixed to the housing head 2 by welding and carries a hexagon 13, with which the necessary for screwing the spark plug 1 in an internal combustion engine torque can be transmitted.
  • the hexagon 13 is welded to the tubular housing 9.
  • the insulator body holder 7 includes an annular space 20 which surrounds the insulator body 6 and is filled with a filling material for dissipating heat arising.
  • the filler material contains ceramic powder or may even consist entirely of ceramic powder.
  • the ceramic powder may be mixed with a binder and / or a heat-conductive additive, preferably in the form of a metal powder, for example copper.
  • the filler material preferably comprises at least 50% by weight, more preferably at least 75% by weight, in particular at least 90% by weight, of ceramic powder, for example aluminum oxide and / or aluminum nitride.
  • aluminum nitride has the advantage of good thermal conductivity.
  • the insulator body 6 has an annular bead 11 around which the insulator body holder 7 engages.
  • the insulator body holder presses in this way against an annular surface 12 of the insulator body 6 and thus exerts on the insulator body 6, the bias with which the insulator body 6 is pressed against the seal 8 and the annular surface 10 of the housing head 2.
  • the insulator body holder 7 is welded to the housing head 2.
  • Fig. 1 shows the insulator body holder 7 and the housing head 2 are arranged overlapping in a partial area, in which also the housing head 2 with the insulator body holder 7 connecting weld 25 is arranged.
  • the tubular housing 9 and the housing head 2 are arranged overlapping in a partial area in which there is a weld 26 connecting the tubular housing 9 and the housing head 2.
  • the housing head 2 has a first cylindrical surface, on which the insulator body holder 7 rests, and a second cylindrical surface, on which the tubular housing 9 rests on.
  • the two cylindrical surfaces are each bounded by a step, against the annular surface of the insulator body holder 7 and the tubular housing 9 abut.
  • the joint between the annular surface of the housing head 2 and the adjoining end of the insulator body holder 7 and the tubular housing 9 is filled during welding by the weld 25 and 26 respectively.
  • Welds 25, 26 are butt welds produced by arc welding, namely TIG welding. Upon cooling of the welds 25, 26, the material contracts, so that the insulator body 6 is pressed by the insulator body holder 7 against the housing head 2. This leads to an improved seal.
  • the insulator body 6 is made of a ceramic material, such as alumina or aluminum nitride, which has a coefficient of thermal expansion between 4 ⁇ 10 -6 / K and 8 ⁇ 10 -6 / K in the temperature range of 0 ° C to 400 ° C.
  • a ceramic material such as alumina or aluminum nitride
  • composite ceramics for example ceramic materials which consist of at least 50% by weight, in particular at least 75% by weight, of aluminum nitride.
  • the insulator body holder 7 is made of a metallic material whose coefficient of thermal expansion ⁇ M the thermal expansion coefficient ⁇ K of the insulator body 6 in the relevant temperature range of 0 ° C to 400 ° C at most by 1 ⁇ 10 -6 / K, preferably at most 5 ⁇ 10 -7 / K, exceeds or is slightly smaller. It is particularly favorable, in particular, when the thermal expansion coefficient ⁇ M of the insulator body holder 7 is slightly smaller than the thermal expansion coefficient ⁇ K of the insulator body 6 then heating leads to an increase in the preload and thus to an even better seal.
  • the thermal expansion coefficient ⁇ M of the metallic material of the insulator body holder 7 is chosen such that the metallic material when heated from 20 ° C to 400 ° C, in total less expands than the ceramic material of the insulator body 6 when heated from 20 ° C. at 400 ° C.
  • the total thermal expansion of the material of the insulator body holder 7 in the temperature range from 0 ° C. to 400 ° C. is not more than 3 ⁇ 10 -3 , in particular not more than 2.5 ⁇ 10 -3 .
  • the metallic material of the insulator body holder 7 is a nickel-iron alloy having a nickel content of 25 wt .-% to 50 wt .-%.
  • Suitable nickel-iron alloys are offered, for example, by Deutsche Nickel AG under the names Dilaton 36, Dilaton 41, Dilaton 42, Dilaton 46 and Dilaton 48.
  • Dilaton 36 whose coefficient of thermal expansion in the temperature range from 0 ° C. to 400 ° C. is only approximately 5.5 ⁇ 10 -6 / K
  • Dilaton 42 whose coefficient of thermal expansion is in the temperature range from 0 ° C. to 400 °, are particularly well suited C is about 6 ⁇ 10 -6 / K.
  • the tubular housing 9 is made of a commercially available steel, for example ST37 steel.
  • the spark plug 1 is a pre-chamber spark plug, since the ignition electrode 4 is arranged in an antechamber 14, which can communicate through openings 15 with the combustion chamber of an internal combustion engine (not shown). Vorschzündkerzen are for example from the EP 0 675 272 A1 to which reference is made for further details and particularities of prechamber spark plugs.
  • the pre-chamber 14 is formed by a cap 16 which is inserted into the housing head 2.
  • the material for the cap 16 in particular nickel is suitable, wherein the remaining housing head 2 with the external thread 3 is preferably made of steel, in particular ST52-3 or S355 steel.
  • the tube housing 9 in its lateral surface gas outlet openings 21 for the discharge of leakage gases.
  • Corresponding gas outlet openings 22 can in principle also be arranged in the insulator body holder 7, but leakage gases within the annular space 20 are far less problematical since there are no live parts in the annular space 20 and consequently there is no risk of shunts.
  • leakage gases are particularly harmful in the region in which the supply line 5 (center electrode) emerges from the ceramic body 6 and is connected, for example, to a strand of a cable, since deposits there increase the risk of shunts.
  • This seal 23 is in the illustrated embodiment, a sealing ring surrounding the protruding from the insulator body holder 7 part of the insulator body 6.
  • the sealing ring 23 is in the illustrated embodiment, a plastic ring, such as a Teflon ring. Any leakage gases which seep out of the annular space 20 between the insulator body holder 7 and the insulator body 6 resting against the annular surface 12 are prevented from penetrating further by the sealing ring 23 and are discharged through the vent openings 21 out of the tube housing.

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  • Spark Plugs (AREA)
  • Ignition Installations For Internal Combustion Engines (AREA)
  • Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Zündkerze zum Zünden eines brennbaren Gasgemisches in einem Verbrennungsmotor, umfassend eine Zündelektrode, eine elektrische Versorgungsleitung, an welche die Zündelektrode angeschlossen ist, einen Isolatorkörper, durch den die Versorgungsleitung hindurchgeführt ist, sowie einen Gehäusekopf, der dichtend auf dem Isolatorkörper sitzt und ein Außengewinde zum Einschrauben in einen Verbrennungsmotor trägt. Eine derartige Zündkerze ist beispielsweise aus der EP 1 265 328 B1 bekannt.
  • In Verbrennungsmotoren können Spitzendrücke in der Größenordnung von 150 bar auftreten. Diese Spitzendrücke lasten im Betrieb auf der Zündkerze und können selbst bei maßgenauer Fertigung und sorgfältiger Abdichtung dazu führen, dass Verbrennungsgase aus dem Motor austreten. Insbesondere bei Gasmotoren können auftretende Spitzendrücke auch dazu führen, dass der Isolatorkörper ausgepresst wird und explosionsartig aus dem Kerzengehäuse herausschießt.
  • Um die Druckfestigkeit von Zündkerzen zu verbessern und das Herauspressen des Isolatorkörpers zu verhindern, wurde in der EP 1 265 328 B1 vorgeschlagen, den Isolatorkörper zwischen dem Gehäusekopf und dem Rohrgehäuse einzuspannen sowie Gehäusekopf und Rohrgehäuse miteinander zu verschweißen. Auf diese Weise konnte dem Auspressen des Isolatorkörpers wirksam begegnet und eine verbesserte Abdichtung erreicht werden.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, Lebensdauer und Betriebssicherheit einer Zündkerze der eingangs genannten Art weiter zu erhöhen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Zündkerze mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
  • Während bei der aus der EP 1 265 328 B1 bekannten Zündkerze das Rohrgehäuse einerseits die Funktion hat, die Zündkerze vor Beschädigung durch äußere Einwirkung zu schützen sowie zum Einschrauben der Zündkerze ein Drehmoment zu übertragen, und andererseits den Isolator einzuspannen, wird diese Einspannfunktion bei einer erfindungsgemäßen Zündkerze durch eine Isolatorkörper-Halterung übernommen, die den Isolatorkörper mit einer Vorspannung gegen den Gehäusekopf presst. Auf diese Weise können bei einer erfindungsgemäßen Zündkerze das Rohrgehäuse und die Isolatorkörper-Halterung separat hinsichtlich ihrer jeweiligen Funktionen optimiert werden. Über den Sechskant des Rohrgehäuses einer erfindungsgemäßen Zündkerze können deshalb zum Einschrauben der Zündkerze in einen Motorblock sehr hohe Drehmomente übertragen werden, ohne dass dadurch eine Beeinträchtigung der Abdichtung zwischen Isolatorkörper und Gehäusekopf eintritt. Bevorzugt sind das Rohrgehäuse und die Isolatorkörper-Halterung aus unterschiedlichen Werkstoffen gefertigt.
  • Insbesondere bei bekannten Vorkammerzündkerzen für Gasmotoren tritt als Folge der üblichen großen Wartungs- und Wechselintervalle auch das Problem auf, dass durch Verschmutzung und Korrosion der Gewindeoberfläche besonders große Drehmomente zum Wechseln der Zündkerze eines Motors nötig sind. Über das Kerzengehäuse müssen deshalb sehr hohe Kräfte übertragen werden, die bei bekannten Zündkerzen bei dem Ausschrauben einer defekten Zündkerze zu einem Bruch führen können, der den Austausch einer Zündkerze stark erschwert. Bei einer erfindungsgemäßen Zündkerze kann das Gehäuse unabhängig von der Isolatorkörper-Halterung optimiert und so die Gefahr eines Bruchs wesentlich reduziert werden.
  • Bei einer erfindungsgemäßen Zündkerze ist die Isolatorkörper-Halterung bevorzugt aus einem metallischen Werkstoff gefertigt, der einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten αM hat, der in dem Temperaturbereich von 0°C bis 400°C mit dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten αK des Isolatorkörpers die Ungleichung αM - αK < 1 ·10-6/K erfüllt. Der thermische Ausdehnungskoeffizient αM der Isolatorkörper-Halterung ist also kleiner als der thermische Ausdehnungskoeffizient αK des Isolatorkörpers oder übersteigt ihn um weniger als 1 · 10-6/K. Auf diese Weise bleibt die Vorspannung, mit welcher der Isolatorkörper dichtend gegen den Gehäusekopf gepresst wird, auch bei einer im Betrieb stattfindenden Erwärmung der Zündkerze weitestgehend erhalten, so dass auch bei erhöhten Temperaturen gewährleistet ist, dass der Gehäusekopf dichtend auf dem Isolatorkörper sitzt.
  • Im Rahmen der Erfindung wurde festgestellt, dass sich der Isolatorkörper einer Zündkerze und ihn umgebende Metallteile im Betrieb auf 400°C und mehr erwärmen können. Die im Stand der Technik üblicherweise verwendeten Stähle haben in dem relevanten Temperaturbereich einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von etwa 12 · 10-6/K bis 15 · 10-6/K, während der Temperaturkoeffizient des üblicherweise aus Aluminiumoxid gefertigten Isolatorkörpers typischerweise etwa 3 · 10-6/K bis 8 · 10-6/K beträgt. Bei Zündkerzen nach dem Stand der Technik führt dies dazu, dass bei höheren Temperaturen die Anpresskraft, mit welcher der Isolatorkörper gegen den Gehäusekopf gepresst wird, nachlässt, so dass Gase aus dem Verbrennungsraum durch eine Fuge zwischen dem Gehäusekopf und dem Isolatorkörper hindurch in den Innenraum der Kerze gelangen können. Derartige Leckagegase führen zu Ablagerungen im Innenraum der Zündkerze, erhöhen die Gefahr von Nebenschlüssen und können im Laufe der Zeit die Funktionsfähigkeit einer Zündkerze beeinträchtigen und deren vorzeitigen Ausfall bewirken.
  • Bei einer erfindungsgemäßen Zündkerze sind die Materialien des Isolatorkörpers und der Isolatorkörper-Halterung in Bezug auf die thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufeinander abgestimmt, so dass dauerhaft eine bessere Abdichtung erreicht wird. Beeinträchtigungen durch Leckagegase können deshalb bei einer erfindungsgemäßen Zündkerze vermieden werden, so dass sich eine höhere Lebensdauer ergibt. Der Isolatorkörper kann aus einem hierfür im Stand der Technik gebräuchlichen Keramikwerkstoff, beispielsweise Aluminiumoxid, oder insbesondere auch aus Aluminiumnitrid, das einen vorteilhaft hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, gefertigt werden. Dazu passende Ausdehnungskoeffizienten haben insbesondere Nickel-Eisen-Legierungen mit einem Nickelgehalt von 25 Gew-% bis 50 Gew.-%. Als Material für das Rohrgehäuse wird Stahl, beispielsweise ST37 Stahl, bevorzugt.
  • Bevorzugt ist die Isolatorkörper-Halterung über eine Stumpfnaht oder eine Keilnaht mit dem Gehäusekopf verschweißt, wobei eine Stumpfnaht besonders bevorzugt ist. Keilnähte werden manchmal auch als V-Nähte und Stumpfnähte als I-Nähte bezeichnet. Insbesondere wenn Isolatorkörper-Halterung und Gehäusekopf überlappen kann durch eine Verschweißung mit einer Keil- oder Stumpfnaht eine hochpräzise Fertigung durchgeführt werden.
  • Besonders bevorzugt wird das Verschweißen als Lichtbogenschweißen, besonders bevorzugt als Schutzgasschweißen, insbesondere als WIG-Schweißen (Wolfram Inert Gas), durchgeführt. Beim Lichtbogenschweißen wird das Material um die zu bildende Schweißnaht herum hoch erhitzt. Beim anschließenden Abkühlen kommt es deshalb zu einer Längenkontraktion, durch welche der Isolatorkörper mit großer Kraft zwischen dem Gehäusekopf und der Isolatorkörper-Halterung eingespannt ist. Die durch das Schweißen bewirkte Längenkontraktion sorgt so für eine höhere Anpresskraft, mit welcher der Isolatorkörper gegen den Gehäusekopf gepresst wird, und folglich auch für eine bessere Abdichtung gegen das Eindringen von Gasen aus dem Verbrennungsraum des Motors.
  • Die EP 1 265 328 B1 lehrt den Einsatz von Laserschweißverfahren zur Zündkerzenherstellung. Das Laserschweißen hat den Vorteil einer sehr hohen Präzision, die es für eine hoch genaue Fertigung, wie sie für Zündkerzen benötigt wird, prädestiniert erscheinen lässt. Überraschenderweise lassen sich mittels Lichtbogenschweißung Zündkerzen herstellen, die eine verbesserte Abdichtung zwischen Isolatorkörper und Gehäusekopf zeigen. Diese verbesserte Abdichtung wird durch die beim Abkühlen der Schweißnaht auftretende Kontraktion bewirkt.
  • Die erfindungsgemäße Maßnahme, den Isolatorkörper mittels einer Isolatorkörper-Halterung gegen den mit ihr verschweißten Gehäusekopf zu pressen und in dem Rohrgehäuse eine Entlüftungsöffnung anzuordnen, verhindert in einfacher und zuverlässiger Weise ein Ausschießen von Kerzenteilen aus dem Rohrgehäuse bei gefährlichen Spitzendrücken. Treten nämlich so hohe Spitzendrücke auf, dass der Isolatorkörper trotz Verschweißung der Isolatorkörper-Halterung mit dem Gehäusekopf in das Innere des Rohrgehäuses gedrückt wird, kann sich der Druck durch die mindestens eine Entlüftungsöffnung in der Mantelfläche des Rohrgehäuses entladen, ohne dass es zu einer gefährlichen Beschleunigung des Isolatorkörpers und dessen Ausschießen kommt.
  • Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass selbst bei maßgenauer Fertigung und sorgfältiger Abdichtung auch im normalen Motorbetrieb Verbrennungsgase aus dem Motor in geringen Mengen als Leckagegase beispielsweise an Dichtstellen zwischen einem Isolationskörper und einem durch ihn hindurch geführten Elektrodenanschluss (Mittelelektrode) in einen von dem Rohrgehäuse umgebenen Innenraum der Zündkerze gelangen können. Derartige Leckagegase, die in mehr oder weniger großem Umfang stets unvermeidlich sind, erhöhen die Gefahr von Nebenschlüssen und können auf diese Weise Zündkerzen beeinträchtigen. Leckagegase können beispielsweise auch dazu führen, dass sich in dem Rohrgehäuse ein Druck aufbaut, der zu einem Aufreisen von Isolationsschichten und so zu einem vorzeitigen Ausfall der Zündkerze führen kann. Durch einen erfindungsgemäßen Entlüftungskanal lassen sich Leckagegase aus dem Rohrgehäuse herausleiten. Schädliche Auswirkungen der Leckagegase können auf diese Weise vermieden und folglich die Lebensdauer einer Zündkerze erhöht werden.
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert. Die beschriebenen Merkmale können einzeln oder in Kombination verwendet werden, um bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung zu schaffen. Es zeigt:
    • Fig. 1
    ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Zündkerze in einem Längsschnitt.
  • Die in Fig. 1 dargestellte Zündkerze 1 hat einen Gehäusekopf 2 mit einem Außengewinde 3 zum Einschrauben in einem Verbrennungsmotor und eine Zündelektrode 4, die in dem Gehäusekopf 2 angeordnet ist. Die Zündelektrode 4 ist an eine elektrische Versorgungsleitung 5 angeschlossen, die auch als Mittelelektrode bezeichnet wird. Die Versorgungsleitung 5 ist durch einen Isolatorkörper 6 hindurchgeführt, der von einer Isolatorkörper-Halterung 7 mit einer Vorspannung gegen den Gehäusekopf 2 gepresst wird. Der Gehäusekopf 2 sitzt unter Zwischenlage einer Dichtung 8 in Form eines Kupferdichtrings dichtend auf dem Isolatorkörper 6. Die Isolatorkörper-Halterung 7 und der Isolatorkörper 6 sind von einem Rohrgehäuse 9 umgeben, das an dem Gehäusekopf 2 durch Verschweißen befestigt ist und einen Sechskant 13 trägt, mit dem das zum Einschrauben der Zündkerze 1 in einen Verbrennungsmotor nötige Drehmoment übertragen werden kann. Der Sechskant 13 ist mit dem Rohrgehäuse 9 verschweißt. Die Isolatorkörper-Halterung 7 schließt einen Ringraum 20 ein, der den Isolatorkörper 6 umgibt und mit einem Füllmaterial zur Ableitung entstehender Wärme verfüllt ist.
  • Das Füllmaterial enthält Keramikpulver oder kann sogar vollständig aus Keramikpulver bestehen. Das Keramikpulver kann mit einem Binder und/oder einem wärmeleitenden Zusatz, bevorzugt in Form eines Metallpulvers, beispielsweise Kupfer, vermischt sein. Bevorzugt besteht das Füllmaterial zu mindestens 50 Gew.%, besondere bevorzugt zu mindestens 75 Gew.%, insbesondere zu mindestens 90 Gew.% aus Keramikpulver, beispielsweise Aluminiumoxid und/oder Aluminiumnitrid. Insbesondere Aluminiumnitrid hat den Vorteil einer guten Wärmeleitfähigkeit.
  • Der Isolatorkörper 6 hat einen Ringwulst 11, um den die Isolatorkörper-Halterung 7 herumgreift. Die Isolatorkörper-Halterung drückt auf diese Weise gegen eine Ringfläche 12 des Isolatorkörpers 6 und übt so auf den Isolatorkörper 6 die Vorspannung aus, mit welcher der Isolatorkörper 6 gegen die Dichtung 8 und die Ringfläche 10 des Gehäusekopfs 2 gepresst wird. Die Isolatorkörper-Halterung 7 ist mit dem Gehäusekopf 2 verschweißt. Wie Fig. 1 zeigt, sind die Isolatorkörperhalterung 7 und der Gehäusekopf 2 in einem Teilbereich überlappend angeordnet, in dem auch die den Gehäusekopf 2 mit der Isolatorkörper-Halterung 7 verbindende Schweißnaht 25 angeordnet ist. In entsprechender Weise sind auch das Rohrgehäuse 9 und der Gehäusekopf 2 in einem Teilbereich überlappend angeordnet, in dem sich eine das Rohrgehäuse 9 und den Gehäusekopf 2 verbindende Schweißnaht 26 befindet.
  • Der Gehäusekopf 2 weist eine erste Zylinderfläche, auf der die Isolatorkörper-Halterung 7 aufliegt, und eine zweite Zylinderfläche, auf der das Rohrgehäuse 9 aufliegt, auf. Durch Aufstecken der Isolatorkörper-Halterung 7 auf die erste Zylinderfläche bzw. des Rohrgehäuses 9 auf die zweite Zylinderfläche ist mit einfachen Mitteln eine exakte Positionierung möglich. Die beiden Zylinderflächen werden jeweils durch eine Stufe begrenzt, gegen deren Ringfläche die Isolatorkörper-Halterung 7 bzw. das Rohrgehäuse 9 anstoßen. Die Fuge zwischen der Ringfläche des Gehäusekopfs 2 und dem daran anstoßenden Ende der Isolatorkörper-Halterung 7 bzw. des Rohrgehäuses 9 wird beim Verschweißen durch die Schweißnaht 25 bzw. 26 gefüllt.
  • Bei den Schweißnähten 25, 26 handelt es sich um Stumpfnähte, die mittels Lichtbogenschweißen, nämlich WIG-Schweißen, erzeugt wurden. Beim Abkühlen der Schweißnähte 25, 26 zieht sich das Material zusammen, so dass der Isolatorkörper 6 von der Isolatorkörper-Halterung 7 gegen den Gehäusekopf 2 gepresst wird. Dies führt zu einer verbesserten Abdichtung.
  • Der Isolatorkörper 6 ist aus einem Keramikmaterial gefertigt, beispielsweise Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid, das in dem Temperaturbereich von 0°C bis 400°C einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen 4 · 10-6/K und 8 · 10-6/K hat. Neben der Verwendung von technisch reinem Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid können auch Verbundkeramiken verwendet werden, beispielsweise Keramikwerkstoffe, die zu mindestens 50 Gew. %, insbesondere zu mindestens 75 Gew. % aus Aluminiumnitrid bestehen. Die Isolatorkörper-Halterung 7 ist aus einem metallischen Werkstoff gefertigt, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient αM den thermischen Ausdehnungskoeffizienten αK des Isolatorkörpers 6 in dem relevanten Temperaturbereich von 0°C bis 400°C höchstens um 1 · 10-6/K, bevorzugt höchstens um 5 · 10-7/K, übersteigt oder etwas kleiner ist. Besonders günstig ist es insbesondere, wenn der thermische Ausdehnungskoeffizient αM der Isolatorkörper-Halterung 7 etwas kleiner als der thermische Ausdehnungskoeffizient αK des Isolatorkörpers 6 ist, da dann eine Erwärmung zu einer Erhöhung der Vorspannung und somit zu einer noch besseren Abdichtung führt. Bevorzugt ist deshalb der thermische Ausdehnungskoeffizient αM des metallischen Werkstoff der Isolatorkörper-Halterung 7 derart gewählt, dass sich der metallische Werkstoff bei Erwärmung von 20°C auf 400°C insgesamt weniger ausdehnt als der keramische Werkstoff des Isolatorkörpers 6 bei Erwärmung von 20°C auf 400°C. Günstig ist insbesondere, wenn die gesamte thermische Ausdehnung des Werkstoffs der Isolatorkörper-Halterung 7 in dem Temperaturbereich von 0°C auf 400°C nicht mehr als 3 · 10-3, insbesondere nicht mehr als 2,5 · 10-3, beträgt.
  • Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem metallischen Werkstoff der Isolatorkörper-Halterung 7 um eine Nickel-Eisen-Legierung mit einem Nickel-Gehalt von 25 Gew.-% bis 50 Gew.-%. Geeignete Nickel-Eisen-Legierungen werden beispielsweise von der Deutsche Nickel AG unter den Bezeichnungen Dilaton 36, Dilaton 41, Dilaton 42, Dilaton 46 und Dilaton 48 angeboten. Besonders gut geeignet sind insbesondere Dilaton 36, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient in dem Temperaturbereich von 0°C bis 400°C nur etwa 5,5 · 10-6/K beträgt, sowie Dilaton 42, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient in dem Temperaturbereich von 0°C bis 400°C etwa 6 · 10-6/K beträgt.
  • Im Hinblick auf die unterschiedlichen Funktionen der Isolatorkörper-Halterung 7 und des Rohrgehäuses 9, ist es günstig, diese aus unterschiedlichen metallischen Werkstoffen zu fertigen. Das Rohrgehäuse 9 ist aus einem handelsüblichen Stahl, beispielsweise ST37 Stahl, gefertigt.
  • Bei der dargestellten Zündkerze 1 handelt es sich um eine Vorkammer-Zündkerze, da die Zündelektrode 4 in einer Vorkammer 14 angeordnet ist, die durch Öffnungen 15 mit der Brennkammer eines Verbrennungsmotors (nicht gezeigt) in Verbindung treten kann. Vorkammerzündkerzen sind beispielsweise aus der EP 0 675 272 A1 bekannt, auf die bezüglich weiterer Einzelheiten und Besonderheiten von Vorkammerzündkerzen verwiesen wird. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Vorkammer 14 von einer Kappe 16 gebildet, die in den Gehäusekopf 2 eingesetzt ist. Als Material für die Kappe 16 ist insbesondere Nickel geeignet, wobei der übrige Gehäusekopf 2 mit dem Außengewinde 3 bevorzugt aus Stahl, insbesondere ST52-3 oder S355- Stahl, gefertigt ist.
  • Für den Fall, dass es trotz der beschriebenen Maßnahmen zu einem Durchsickern von Leckagegasen kommen sollte, weist das Rohrgehäuse 9 in seiner Mantelfläche Gasaustrittsöffnungen 21 zum Ableiten von Leckagegasen auf. Entsprechende Gasaustrittsöffnungen 22 können prinzipiell auch in der Isolatorkörper-Halterung 7 angeordnet werden, jedoch sind Leckagegase innerhalb des Ringraums 20 weitaus weniger problematisch, da in dem Ringraum 20 keine spannungsführenden Teile liegen und folglich keine Gefahr von Nebenschlüssen besteht. Besonders schädlich sind Leckagegase dagegen in dem Bereich, in dem die Versorgungsleitung 5 (Mittelelektrode) aus dem Keramikkörper 6 austritt und beispielsweise an eine Litze eines Kabels angeschlossen ist, da Ablagerungen dort die Gefahr von Nebenschlüssen erhöhen.
  • Einem Eindringen von Leckagegasen in den hinteren (d.h. vom Kopf 2 abgewandten) Bereich, in dem die Versorgungsleitung 5 aus dem Keramikkörper 6 austritt, wird durch eine Dichtung 23 entgegengewirkt. Diese Dichtung 23 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein Dichtring, der den aus der Isolatorkörper-Halterung 7 herausragenden Teil des Isolatorkörpers 6 umgibt. Der Dichtring 23 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein Kunststoffring, beispielsweise ein Teflonring. Eventuelle Leckagegase, die aus dem Ringraum 20 zwischen der Isolatorkörper-Halterung 7 und dem an der Ringfläche 12 anliegenden Isolatorkörper 6 durchsickern, werden von dem Dichtring 23 an einem weiteren Vordringen gehindert und durch die Entlüftungsöffnungen 21 aus dem Rohrgehäuse abgeleitet.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Zündkerze
    2
    Gehäusekopf
    3
    Außengewinde
    4
    Zündelektrode
    5
    Versorgungsleitung (Mittelelektrode)
    6
    Isolatorkörper
    7
    Isolatorkörper-Halterung
    8
    Dichtung
    9
    Rohrgehäuse
    10
    Ringwulst des Isolatorkörpers
    11
    Ringfläche des Isolatorkörpers
    12
    Ringfläche
    13
    Sechskant
    14
    Vorkammer
    15
    Vorkammeröffnung
    16
    Kappe
    20
    Ringraum
    21
    Gasaustrittsöffnung
    23
    Dichtring
    24
    Ringraum
    25
    Schweißnaht
    26
    Schweißnaht

Claims (15)

  1. Zündkerze zum Zünden eines brennbaren Gasgemisches in einem Verbrennungsmotor, umfassend:
    eine Zündelektrode (4),
    eine elektrische Versorgungsleitung (5), an welche die Zündelektrode (4) angeschlossen ist,
    einen Isolatorkörper (6), durch den die Versorgungsleitung (5) hindurchgeführt ist, einen Gehäusekopf (2), der dichtend auf dem Isolatorkörper (6) sitzt und ein Außengewinde (3) zum Einschrauben in einen Verbrennungsmotor trägt,
    ein Rohrgehäuse (9), das an dem Gehäusekopf (2) befestigt ist, den Isolatorkörper (6) umgibt und einen Sechskant (13) trägt,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Rohrgehäuse (9) eine Isolatorkörper-Halterung (7) umgibt, die über eine Schweißnaht (25) mit dem Gehäusekopf (2) verschweißt ist und den Isolatorkörper (6) mit einer Vorspannung gegen den Gehäusekopf (2) presst.
  2. Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißnaht (25) eine Stumpfnaht oder eine Keilnaht ist.
  3. Zündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrgehäuse (9) mit dem Gehäusekopf (2) verschweißt ist.
  4. Zündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrgehäuse (9) in seiner Mantelfläche mindestens eine Entlüftungsöffnung (21) zum Ableiten von Verbrennungsgasen aus dem Rohrgehäuse (9) aufweist.
  5. Zündkerze nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolatorkörper (6) von einem Dichtring (23) umschlossen ist.
  6. Zündkerze nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtring (23) vom Gehäusekopf (2) aus gesehen hinter der mindestens einen Entlüftungsöffnung (21) angeordnet ist.
  7. Zündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolatorkörper-Halterung (7) aus einem metallischen Werkstoff gefertigt ist, der einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten αM hat, der in dem Temperaturbereich von 0°C bis 400°C mit dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten αK des Isolatorkörpers (6) die Ungleichung αM - αK < 1 10-6/K, insbesondere die Ungleichung αM - αK < 0.5 ·10-6/K, erfüllt.
  8. Zündkerze nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient αM des metallischen Werkstoff der Isolatorkörper-Halterung (7) derart gewählt ist, dass sich der metallische Werkstoff bei Erwärmung von 20°C auf 400°C insgesamt weniger ausdehnt als der keramische Werkstoff des Isolatorkörpers (6) bei Erwärmung von 20°C auf 400°C.
  9. Zündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolatorkörper-Halterung (7) einen Ringraum (20) einschließt, der den Isolatorkörper (6) umgibt und mit einem Füllmaterial gefüllt ist, das mindestens zu 50 Gew.% aus Keramikpulver besteht.
  10. Zündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Gehäusekopf (2) und dem Isolatorkörper (6) eine Dichtung (8), insbesondere ein Kupferdichtring, angeordnet ist.
  11. Zündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolatorkörper-Halterung (7) aus einem anderen Material als das Rohrgehäuse (9) gefertigt ist.
  12. Zündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolatorkörper-Halterung (7) gegen eine Ringfläche (12) des Isolatorkörpers (6) drückt.
  13. Zündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolatorkörper-Halterung (7) und der Gehäusekopf (2) in einem Teilbereich überlappend angeordnet sind.
  14. Zündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrgehäuse (9) und der Gehäusekopf (2) in einem Teilbereich überlappend angeordnet sind.
  15. Verfahren zum Herstellen einer Zündkerze (1), bei dem
    ein Gehäusekopf (2) auf einen Isolatorkörper (6) aufgesetzt wird, durch den eine elektrische Versorgungsleitung (5), an welche eine Zündelektrode (4) angeschlossen ist, hindurchgeführt ist,
    eine Isolatorkörper-Halterung (7) mit dem Gehäusekopf (2) verschweißt wird, wobei durch das Verschweißen eine Längenkontraktion bewirkt wird, durch die der Isolatorkörper (6) dichtend gegen den Gehäusekopf (2) gepresst wird, und an dem Gehäusekopf (2) ein Rohrgehäuse (9) befestigt wird, das den Isolatorkörper (6) umgibt.
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