EP3642917A1 - Zündkerze mit mehrstufigem isolatorsitz - Google Patents

Zündkerze mit mehrstufigem isolatorsitz

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Publication number
EP3642917A1
EP3642917A1 EP18717344.8A EP18717344A EP3642917A1 EP 3642917 A1 EP3642917 A1 EP 3642917A1 EP 18717344 A EP18717344 A EP 18717344A EP 3642917 A1 EP3642917 A1 EP 3642917A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
insulator
longitudinal axis
seat
housing
inner seal
Prior art date
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Granted
Application number
EP18717344.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP3642917B1 (de
Inventor
Matthias HERZBERG
Chris Schimmel
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.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP3642917A1 publication Critical patent/EP3642917A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP3642917B1 publication Critical patent/EP3642917B1/de
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Anticipated expiration legal-status Critical

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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
    • 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
    • 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
    • H01T21/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture or maintenance of spark gaps or sparking plugs
    • H01T21/02—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture or maintenance of spark gaps or sparking plugs of sparking plugs

Definitions

  • the invention is based on a spark plug according to the preamble of claim 1.
  • a spark plug is known for example from the D E 103 44 186 AI.
  • a well functioning spark plug and its components have always had to meet a number of requirements, such as longevity, reliable ignition characteristics,
  • Conditions such as As temperature and pressure in the combustion chamber, under which the spark plug must work reliably and for as long as possible, more extreme.
  • the temperature and pressure conditions prevailing in the combustion chamber during operation of the engine particularly put the gas-tightness of the mounted spark plug to the test.
  • FIG. 1 A solution for sealing the gap between the insulator and the housing is shown in FIG.
  • the housing has on its inside a taper of the inner diameter in the direction brennraum workedem housing end. This taper is also referred to as a housing seat.
  • the surface of the housing seat is inclined at an angle ⁇ with respect to the housing longitudinal axis or the spark plug longitudinal axis, which typically coincides with the housing longitudinal axis, ⁇ is typically in the range of 55 ° -65 °.
  • the insulator also has a taper of its outer diameter in the direction of its combustion chamber end or its Isolatorfußes. This rejuvenation is called
  • Isolator seat or referred to as classicalkehle.
  • the surface of the insulator seat is inclined with respect to the insulator longitudinal axis or spark plug longitudinal axis, which typically coincides with the insulator longitudinal axis.
  • the housing seat and insulator seat have a different inclination with respect to the spark plug longitudinal axis.
  • the insulator seat rests on the housing seat, wherein an inner seal, often in the form of a sealing washer or a sealing ring, is arranged between the two seat surfaces.
  • an inner seal often in the form of a sealing washer or a sealing ring, is arranged between the two seat surfaces.
  • the axial sealing surface typically has a size of about 10mm 2 at an M12 spark plug. This sealing concept has proven itself for temperatures up to approx. 220 ° C and pressures up to approx. 22 bar in the combustion chamber.
  • the higher tightening torque ensures that the housing extends in the area of the thread during assembly.
  • the area of the thread is located on the inside of the housing of the housing seat. Due to the elongation of the housing reduces the biasing force with which the housing and the insulator are pressed together, whereby the inner seal is not strong enough between the housing and insulator is pressed, causing the surface pressure between the inner seal and insulator or housing and thus the Sealing surface is reduced and the sealing surface of the large prevailing in the combustion chamber pressures can no longer resist sufficiently, so that the spark plug is sufficiently gas-tight.
  • the insulator seat has at least one stage having a first portion and at least a second portion, wherein the first portion and the second portions at an angle ⁇ of greater than 0 ° to each other and the first portion is parallel to the insulator longitudinal axis, the inner seal abutting this first portion so that a radial sealing surface forms on the insulator.
  • the spark plug according to the invention has a housing, an insulator arranged inside the insulator, a ground electrode arranged on a combustion chamber-facing end side of the housing, the ground electrode and the center electrode being arranged such that the two electrodes have a spark gap form.
  • the insulator has a longitudinal axis X along its longitudinal extent. This longitudinal axis may also be a mirror axis and / or axis of rotation for the insulator, for example when viewing the insulator in a section along the longitudinal axis.
  • the insulator longitudinal axis X coincides with the assembled spark plug with the spark plug longitudinal axis and a housing longitudinal axis.
  • the isolator can be divided along its longitudinal axis into three areas: insulator foot, insulator body and insulator head. The area that forms the combustion chamber end of the insulator is called insulator foot.
  • the insulator head forms the combustion chamber-remote end of the insulator.
  • the insulator body is arranged between insulator head and Isolatorfuß.
  • the three areas often have different outer diameters, wherein the outer diameter can also vary within a range.
  • the transitions between the areas are formed as shoulders or throats.
  • the transition between the insulator body and Isolatorfuß is also referred to as zerokehle or insulator seat.
  • the housing has on its inside a housing seat, on which the insulator rests with its insulator seat, wherein between the housing seat and the insulator seat, an inner seal is arranged, so that the inner seal, the housing seat and the insulator seat a Form sealing system.
  • the insulator seat has at least one step, which has a first section and at least one second section, wherein the first
  • Section and the second portions have an angle ⁇ of greater than 0 ° to each other and the first portion is parallel to the insulator longitudinal axis X, wherein the inner seal to abuts this first section, so that forms a radial sealing surface on the insulator. More specifically, the radial sealing surface forms between the first portion of the step in the insulator seat and the inner seal.
  • the formation of a radial sealing surface has the advantage that the spark plug, despite the reduction of the biasing force between the housing and insulator, due to the housing elongation when screwing the spark plug in a cylinder head, a good
  • the biasing force is a force having a large axial force component and a lower radial force component.
  • the biasing force is affected.
  • Another advantage is shown in the operation of the spark plug. Due to the higher temperatures during operation of the spark plug, the material of the inner seal expands as well as the other components of the spark plug. Investigations of Anmindering have shown that the inner seal in the axial direction has a greater thermal expansion than in the radial direction, that is, with increasing temperature during operation of the spark plug and the engine changes the force acting in the axial direction force ratio whereby the tightness of the axial sealing surface is reduced. By contrast, the force ratio acting in the radial direction is relatively unaffected by the thermal expansion of the inner seal and thus also the tightness at the radial sealing surfaces.
  • axial force or force component the forces acting parallel to the longitudinal axis of the spark plug.
  • radial force or force component the forces are meant that act perpendicular to the longitudinal axis of the spark plug.
  • the acting forces can each be divided into an axial and a radial force component.
  • a surface or a section is considered to be parallel or substantially parallel to the insulator longitudinal axis if the latter has a maximum angle of 10 ° to the insulator longitudinal axis.
  • the radial sealing surface is considered to be any sealing surface that bears against a surface or portion that is substantially parallel to the insulator longitudinal axis, the housing longitudinal axis, or the spark plug longitudinal axis. Accordingly, all other sealing surfaces that abut a surface or portion that are perpendicular or at an angle to the insulator longitudinal axis, the housing longitudinal axis, or the spark plug longitudinal axis are axial sealing surfaces.
  • the step on the insulator seat in addition to the radial sealing surface still has at least one axial sealing surface, in particular formed on the at least one second portion of the step.
  • the total sealing surface is increased, resulting in a better overall tightness of the inner sealing system.
  • there is still the effect that the axial sealing surface is increased, resulting in a better overall tightness of the inner sealing system.
  • Sealing surface which is primarily influenced by the axial acting on the insulator, inner seal and housing forces, and the radial sealing surface, which is primarily influenced by the forces acting radially on insulator, inner seal and housing, of different
  • Functionality can preserve when the functionality of the other sealing surface, for example, due to a decrease in the corresponding force component is reduced.
  • the step has proven to be advantageous for the step to have a first section and two second sections, the first section being arranged between the two second sections. Together with the inner seal results in a radial
  • Sealing surface which is arranged between two axial sealing surfaces. This has the advantage that the inner seal rests against the insulator seat on the complete surface of the first section of the step and thus forms the largest possible radial sealing surface on this first section. Furthermore, the combination of axial and radial sealing surfaces increases the overall sealing area and, by the angled arrangement of the first and second sections of the step on the insulator seat, prolongs the path that the gas must travel for a leak, thereby improving gas tightness
  • the insulator seat has a plurality of stages, each having a first portion, which together with the
  • Inner seal form a plurality of radial sealing surfaces. This will bring up the top described technical effects and benefits particularly good effect. In particular, even if, as in a development of this embodiment, the plurality of radial sealing surface are connected by respective axial sealing surface. In embodiments having a plurality of radial sealing surfaces on the insulator seat, there is a radial main sealing surface having at least one radial secondary sealing surface. Additionally or alternatively, there is an axial one for several axial sealing surfaces
  • Main sealing surface with at least one axial secondary sealing surface on the insulator seat are the main sealing surface and secondary sealing surface by the size of their
  • Sealing surface there is one radial and one axial main sealing surface and a plurality of secondary sealing surfaces, wherein the main sealing surface has the largest sealing surface between insulator and inner seal. Measured along the longitudinal axis of the insulator, a radial main sealing surface has the greatest length compared to the other radial ones
  • a radial main sealing surface of radial secondary sealing surfaces along the insulator longitudinal axis is framed, wherein the radial sealing surfaces over axial
  • Sealing surfaces are connected.
  • To the radial main sealing surface can be an axial
  • Main sealing surface to be arranged directly.
  • a radial secondary sealing surface may, for example, also be formed on the insulator base and / or on the insulator body, i. the inner gasket protrudes beyond the insulator seat after deforming. This gives the advantage that the entire surface of the
  • Isolator seat is used as a sealing surface, wherein the sealing surface is composed of sections of radial and axial sealing surfaces. Due to the stepped arrangement of the sealing surface of the leakage path for the gas is particularly large, whereby the spark plug keeps its gas tightness even at high gas pressures.
  • the exact shape of the inner seal after the assembly of the spark plug and the elastic plastic deformation of the inner seal and the concomitant concrete training, such as number and arrangement of axial and radial sealing surfaces (number, arrangement) depends on various factors, such as gaps between insulator and Housing above and below the insulator seat, number of stages in the insulator seat, preload force with which the insulator is pressed in the housing or surface of the sealing contour. This also results in the possibility of the inner seal system by a To adapt attractive design of these factors to special loads and requirements, so as to optimize the spark plug for the particular application.
  • the angle ß is the angle within the housing wall.
  • an angle ßsdT of 115 ° to 125 ° results.
  • Spark plug works the inner seal system according to the invention already when ß has a value of at least 80 °, and also works for values of ß up to 170 °.
  • the value for ⁇ is preferably at least 90 ° and at most 160 °.
  • the inner seal prior to assembly in section has a height h, measured parallel to the insulator longitudinal axis X, and a width d, measured perpendicular to the insulator longitudinal axis X. It has proved to be advantageous has been found that the ratio of width d to height h of the inner seal is at least 0.5, in particular at least 0.75.
  • the inner seal is preferably one
  • Solid such as a gasket or gasket, i. the
  • Inner gasket is not a molded powder packing.
  • the width of the inner seal is greater than the depth of the housing seat.
  • the depth a g of the housing seat results as half the difference between the inner diameter c g of the housing above the housing seat, or in the direction of the combustion chamber side facing away from the housing, and the inner diameter b g of the housing below the housing seat, speak in the direction of the combustion chamber end of the housing.
  • the depth a, of the insulator seat is analogous to half the difference between the outer diameter q of the insulator above the insulator seat, ie on the insulator body, and the
  • the depth of the insulator seat a less than or equal to the depth of the housing seat a g .
  • the radial sealing surface on the insulator seat has a height, measured parallel to the insulator longitudinal axis X, of at least 30%, in particular at least 36%, of the height h of the inner seal.
  • Main sealing surface on the insulator seat has a height, measured parallel to the insulator longitudinal axis X, of at least 30%, in particular at least 36%, the height h of the inner seal.
  • the radial secondary sealing surfaces on the insulator seat have a height, measured parallel to the insulator longitudinal axis X, of at least 1%, in particular
  • the axial sealing surface it has proved to be advantageous if it has a width, measured perpendicular to the insulator longitudinal axis X, of at least 15%, in particular at least 20%, of the width d of the inner seal at the insulator seat.
  • the axial main sealing surface on the insulator seat may have a width, measured perpendicular to the insulator longitudinal axis X, of at least 15%, in particular at least 20%, of the width d of the inner seal.
  • the axial main sealing surface on the insulator seat may have a width, measured perpendicular to the insulator longitudinal axis X, of at least 15%, in particular at least 20%, of the width d of the inner seal.
  • Secondary sealing surfaces on the insulator seat have a width, measured perpendicular to the insulator longitudinal axis X, of at least 1%, in particular at least 5%, of the width d of the inner seal.
  • the inner seal and the housing it is possible for the inner seal and the housing to form an axial sealing surface on the housing seat and a radial sealing surface on the inner side of the housing. It has proved to be advantageous that the radial sealing surface on the housing has a height, measured parallel to the insulator longitudinal axis X, of at least 30%, in particular at least 36%, the height h of the inner seal.
  • the insulator foot directly adjacent axial (minor) sealing surface on the insulator seat has in an advantageous development of the invention at least one width, which corresponds to the, in particular narrowest, gap width between the insulator and the insulator opposite the housing inner side directly on the insulator seat.
  • the width of the adjacent to the Isolatorfuß axial (secondary) sealing surface also corresponds to at least the gap width between the insulator body and the opposite housing inside, if this gap has a greater width than the gap between insulator and housing inside.
  • FIG. 1 shows an example of a spark plug
  • FIG. 2 shows in detail the arrangement of the housing seat, the insulator seat and the inner seal of a spark plug according to the prior art
  • Figure 3 shows in detail the insulator seat with step, the inner seal and the housing seat of the spark plug according to the invention prior to assembly
  • Figure 4 shows in detail the insulator seat with step, the inner seal and the housing seat of the spark plug according to the invention after assembly
  • Figure 5 shows the insulator seat with stage for a spark plug according to the invention
  • FIG. 6 shows an example of a housing seat for a spark plug according to the invention
  • the spark plug 1 comprises a housing 2.
  • an insulator 3 is inserted.
  • the housing 2 and the insulator 3 each have a bore along their longitudinal axis.
  • the longitudinal axis of the housing 2, the longitudinal axis X of the insulator 3 and the longitudinal axis of the spark plug 1 coincide.
  • a center electrode 4 is inserted in the insulator 3.
  • a connecting bolt 8 extends into the insulator 3.
  • a connecting nut 9 is arranged on the connecting bolt 8, via which the spark plug 1 can be electrically contacted with a voltage source.
  • the connecting nut 9 forms the combustion chamber-remote end of the spark plug 1.
  • the resistance element 7 connects the center electrode 4 in an electrically conductive manner to the connection bolt 8.
  • the resistance element 7 is, for example, as a layer system comprising a first contact chip, a
  • Resistance elements differ in their material composition and the resulting electrical resistance.
  • the first contact chip and the second contact chip can have a different or a same electrical resistance.
  • a ground electrode 5 is arranged electrically conductive on the combustion chamber-facing end face. Between the ground electrode 5 and the center electrode 4, a spark is generated.
  • the housing 2 has a shaft. On this shaft are a polygon 21, a
  • the thread 22 serves for
  • the insulator 3 is typically divided into three areas: insulator foot 31, insulator body 31 and insulator head 33. The three areas are different, for example
  • the Isolatorfuß 31 is the combustion chamber-facing end of the insulator 3. Within the Isolatorfußes 31, the center electrode 4 is arranged.
  • Insulator base 31 is usually arranged completely or at least over most of its length, measured parallel to the spark plug longitudinal axis or insulator longitudinal axis X, within the housing 2.
  • the insulator foot 31 has the smallest outer diameter on the insulator 3.
  • Adjacent to the insulator foot 31, the insulator body 32 is arranged, which is generally completely enclosed by the housing 2.
  • the insulator body 32 has a larger one
  • the transition between insulator 31 and insulator body 32 is formed as a shoulder or throat. This transition is also referred to as zerokehle or insulator seat 35.
  • the insulator head 33 adjoins the combustion chamber-remote end of the insulator body 32 at this and forms the combustion chamber-remote end of the insulator 3.
  • the insulator head 33 projects out of the housing 2.
  • the outer diameter of the insulator head 33 lies between the outer diameters of insulator foot 31 and insulator body 32, the regions typically not having a constant outer diameter over their length, but the outer diameter may vary.
  • the housing 2 has on its inside a seat 25.
  • the insulator lies with its shoulder or insulator seat 35 on the housing seat 25. Between the insulator seat 35 and the housing seat 25, an inner seal 10 is arranged.
  • the region 30 of the housing seat 25 and the insulator seat 35 is marked in the figure 1 by a circle and is described in more detail in the following figures 2 to 6.
  • Figure 2 shows in detail the area 30 with the housing seat 25, insulator seat 35 and
  • the surface of the insulator seat 35 is given by the transition from the insulator 31 to the insulator body 32, in which continuously increases the outer diameter.
  • Figure 3 shows in detail the area 30 with the housing seat 25, the insulator seat 35 and the inner seal 10 prior to mounting of the insulator 3 in the housing 2 according to the invention.
  • the inner seal 10 rests on the housing seat 25. Before mounting the insulator 3, the inner seal has a height h, measured parallel to the longitudinal axis of the spark plugs or insulator longitudinal axis X, and a width d, measured perpendicular to the longitudinal axis of the
  • the insulator seat 35 which forms the transition between the insulator foot 31 and the insulator body 32, has a step in this example.
  • the level can be divided into three sections.
  • a first section 3510 has a surface which is parallel to the insulator longitudinal axis X, thus also this first section 3510 is parallel to the insulator longitudinal axis X.
  • the other two sections 3520 also referred to as the second section, are at an angle to the first section 3510 ⁇ inclined. In this case, for example, every second section 3520 to the first section 3510 or to the insulator longitudinal axis X has a different angle ⁇ .
  • various second portions 3520 may have the same angle ⁇ to a first portion 3510 and insulator longitudinal axis X, respectively.
  • Figure 4 shows in detail the area 30 with the housing seat 25, the insulator seat 35 and the inner seal 10 after mounting the insulator 3 in the housing 2 according to the invention.
  • a force By mounting the insulator 3 in the housing 2 acts on the inner seal 10, a force, whereby the inner seal 10 is deformed and radial sealing surfaces 251, 351 a, 351 b, 351 c and axial sealing surfaces 252, 352 a, 352 b, 352 c on the insulator 3 and Insulator seat 35 and housing 2 and housing seat 25 form.
  • Radial sealing surfaces 351a, 351b always form between the inner seal 10 and the insulator longitudinal axis X parallel surfaces of the insulator 3 or the housing 2.
  • a slight inclination i. have an angle of less than 10 ° to the longitudinal axis of the spark plugs or the insulator longitudinal axis X.
  • the insulator seat 35 has in this embodiment two stages and thus two first portions 3510a, 3510b and a plurality of second portions 3520a, 3520b, 3520c. At the first sections 3510a, 3510b, radial sealing surfaces 351a, 351b are formed.
  • a radial main sealing surface 351a is formed on the first section 3510a and a radial secondary sealing surface 351b forms on the other first section 3510b.
  • one major sealing surface and multiple minor sealing surfaces are formed, with the main sealing surface enclosed by adjacent minor sealing surfaces.
  • the main sealing surfaces is typically the largest surface.
  • axial sealing surfaces 352a, 352b also form on the insulator seat on the second sections 3520a, 3520b.
  • the axial sealing surfaces 352a, 352b it is also possible to differentiate between the main and secondary sealing surfaces. Due to the stepped shape of the insulator seat alternate radial and axial sealing surfaces. It is not excluded that radial sealing surfaces also form on the insulator base 31 or insulator body 32, for example the radial sealing surface 351c on the insulator base 31.
  • the axial secondary sealing surface 352 b which adjoins the Isolatorfuß 31, should be wider than the gap width e between Isolatorfuß 31 and housing 2, ie below the insulator seat 35, and / or wider than the gap width f between the insulator body 32 and housing 2, ie above of the insulator seat 35.
  • Figure 5 shows in more detail the insulator seat 35 with two stages.
  • the insulator longitudinal axis X can be seen.
  • the two steps on the insulator seat 35 each have different angles ⁇ between their first and second sections 3510, 3520a, 3520b.
  • the angle ⁇ has a value of 90 ° to 175 °.
  • the depth a of the insulator seat 35 results from half the difference of the diameter b, the insulator foot 31 and the diameter q am
  • the housing seat 25 is shown in detail.
  • the depth a g of the housing seat 25 results from half the difference of the inner diameter of the housing at the level of
  • Isolatorfußes and the housing inner diameter above the housing seat c g are measured perpendicular to the housing's longitudinal axis.
  • the housing seat 25 is inclined at an angle ß to the housing longitudinal axis, ß has a value of 90 ° to 160 °.
  • ⁇ can also have values smaller than 90 °, but the manufacturing process is then more difficult and the production costs higher.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Spark Plugs (AREA)

Abstract

Zündkerze (1), aufweisend ein Gehäuse (2), ein innerhalb des Gehäuses (2) angeordneten Isolator (3), wobei der Isolator (3) eine Längsachse (X), einen Isolatorfuß (31), einen Isolatorkörper (32) und einen Isolatorkopf (33) sowie einen Isolatorsitz (35) aufweist, der einen Übergang vom Isolatorfuß (31) zum Isolatorkörper (32) bildet, eine innerhalb des Isolators (3) angeordnete Mittelelektrode (4), eine an einer Brennraum-zugewandten Stirnseite des Gehäuses (2) angeordnete Masseelektrode (5), wobei die Masseelektrode (5) und die Mittelelektrode (4) so angeordnet sind, dass die beiden Elektroden einen Zündspalt ausbilden, wobei das Gehäuse (2) auf seiner Innenseite einen Gehäuse-Sitz (25) aufweist, auf dem der Isolator (3) mit seinem Isolatorsitz (35) aufliegt, wobei zwischen dem Gehäuse-Sitz (25) und dem Isolatorsitz (35) eine Innendichtung (10) angeordnet ist, so dass die Innendichtung (10), der Gehäuse-Sitz (25) und der Isolatorsitz (35) ein Dichtsystem bilden, wobei, dass der Isolatorsitz (35) mindestens eine Stufe aufweist, die einen ersten Abschnitt (3510) und mindestens einen zweiten Abschnitt (3520) hat, wobei der erste Abschnitt (351) und die zweiten Abschnitte (3520) einen Winkel γ von größer 0° zu einander haben und der erste Abschnitt (3510) parallel zu der Isolator-Längsachse (X) ist, wobei die Innendichtung (10) an diesem ersten Abschnitt (3510) anliegt, so dass sich am Isolator (3) eine radiale Dichtfläche (351) ausbildet.

Description

Beschreibung
Zündkerze mit mehrstufigem Isolatorsitz Stand der Technik
Die Erfindung geht von einer Zündkerze gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aus. Eine solche Zündkerze ist beispielsweise aus der D E 103 44 186 AI bekannt. Seit jeher muss eine gut funktionierende Zündkerze und ihre Komponenten eine Reihe von Anforderungen wie beispielsweise Langlebigkeit, zuverlässige Zündeigenschaften,
Durchschlagsfestigkeit und Gasdichtheit erfüllen. Dabei wurden und werden die
Bedingungen wie z. B. Temperatur und Druck im Brennraum, unter denen die Zündkerze zuverlässig und möglichst lange funktionieren muss, immer extremer. Die im Brennraum bei Betrieb des Motors herrschenden Temperatur- und Druck-Bedingungen stellen besonders die Gasdichtheit der montierten Zündkerze auf die Probe.
Heutige Zündkerzen weisen eine Reihe von Dichtelementen und Dichtmaterialien auf, um die benötigte Gasdichtheit zu erzielen und zu gewährleisten. Eine Lösung zur Abdichtung des Zwischenraums zwischen dem Isolator und dem Gehäuse ist in Figur 2 dargestellt. Das Gehäuse hat auf seiner Innenseite eine Verjüngung des Innendurchmessers in Richtung brennraumseitigem Gehäuseende. Diese Verjüngung wird auch als Gehäuse-Sitz bezeichnet. Die Fläche des Gehäuse-Sitzes ist in Bezug auf die Gehäuse-Längsachse bzw. der Zündkerzen-Längsachse, die typischerweise mit der Gehäuse-Längsachse zusammen fällt, um einen Winkel α geneigt, α liegt typischerweise in dem Bereich von 55°-65°. Der Isolator weist ebenfalls eine Verjüngung seines Außendurchmessers in Richtung seines brennraumseitigen Endes bzw. seines Isolatorfußes auf. Diese Verjüngung wird als
Isolatorsitz oder auch als Fußkehle bezeichnet. Die Oberfläche des Isolatorsitzes ist in Bezug auf die Isolator-Längsachse bzw. der Zündkerzen-Längsachse, die typischerweise mit der Isolator-Längsachse zusammen fällt, geneigt. Häufig haben der Gehäuse-Sitz und der Isolatorsitz eine unterschiedliche Neigung in Bezug auf die Zündkerzen-Längsachse. Der Isolatorsitz liegt auf dem Gehäuse-Sitz auf, wobei zwischen den beiden Sitzflächen eine Innendichtung, häufig in Form einer Dichtscheibe oder eines Dichtrings, angeordnet ist. Durch das Verpressen des Gehäuses und des Isolators miteinander verformt sich die Innendichtung und bildet mit dem Gehäuse-Sitz und dem Isolatorsitz jeweils eine axiale Dichtfläche aus. Die axiale Dichtfläche hat typischerweise eine Größe von ca. 10mm2 bei einer M12 Zündkerze. Dieses Dichtkonzept hat sich für Temperaturen bis ca. 220°C und Drücken bis ca. 22 bar im Brennraum gut bewährt.
Allerdings steigen die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit der Motoren und somit auch an die Zündkerze. Besonders im Bereich der Downsizing Motoren werden mit immer höheren Drücken und Temperaturen gearbeitet, wodurch auf die Zündkerze neue
Belastungen einwirken. Temperaturen bis zu 300°C und Drücke bis zu 30 bar sind zu nehmend die Regel und nicht mehr die Ausnahme beim Betrieb einer Brennkraftmaschine. Für die Außendichtung hat man über das Anzugsmoment, mit dem die Zündkerze im Zylinderkopf eingeschraubt wird, einen gewissen Spielraum den Übergang zwischen Zündkerze und Zylinderkopf gasdicht zu bekommen. So wird beispielsweise eine M12 Zündkerze heute mit einem Anzugsmoment von bis zu 60 Nm angezogen, während früher ein Anzugsmoment von 40 Nm reichte.
Vorteil der Erfindung/ Offenbarung der Erfindung
Es hat sich jedoch herausgestellt, dass das bisherige Dichtkonzept für die Innendichtheit, Zwischenraum zwischen Gehäuse und Isolator, mit den steigenden Anforderungen und Kräften, die auf die Zündkerze einwirken, zunehmend an seine Grenzen kommt.
Insbesondere sorgt das höhere Anzugsmoment dafür, dass das Gehäuse sich während der Montage im Bereich des Gewindes verlängert. Im Bereich des Gewindes befindet sich auf der Innenseite des Gehäuses der Gehäuse-Sitz. Durch die Längung des Gehäuses reduziert sich die Vorspannkraft, mit der das Gehäuse und der Isolator miteinander verpresst sind, wodurch die Innendichtung nicht mehr stark genug zwischen Gehäuse und Isolator eingepresst ist, wodurch sich die Flächenpressung zwischen Innendichtung und Isolator bzw. Gehäuse und damit auch die Dichtfläche sich verringert und die Dichtfläche den großen im Brennraum herrschenden Drücken nicht mehr ausreichend Widerstand leisten kann, damit die Zündkerze ausreichend gasdicht ist.
Demgemäß ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Zündkerze, der eingangs genannten Art, dahingehend zu verbessern, dass auch bei steigenden Temperaturen und Drücken im Brennraum die Zündkerze und insbesondere der Zwischenraum zwischen Isolator und Gehäuse zu verlässig gasdicht sind. Dafür ist ein neues Innendichtungskonzept bzw. Innendichtsystem notwendig. Diese Aufgabe wird bei der Zündkerze der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Isolatorsitz mindestens eine Stufe aufweist, die einen ersten Abschnitt und mindestens einen zweiten Abschnitt hat, wobei der erste Abschnitt und die zweiten Abschnitte einen Winkel γ von größer 0° zu einander haben und der erste Abschnitt parallel zu der Isolator-Längsachse ist, wobei die Innendichtung an diesem ersten Abschnitt anliegt, so dass sich am Isolator eine radiale Dichtfläche ausbildet.
Die erfindungsgemäße Zündkerze weist ein Gehäuse, ein innerhalb des Gehäuses angeordneten Isolator, eine innerhalb des Isolators angeordnete Mittelelektrode, eine an einer Brennraum-zugewandten Stirnseite des Gehäuses angeordnete Masseelektrode auf, wobei die Masseelektrode und die Mittelelektrode so angeordnet sind, dass die beiden Elektroden einen Zündspalt ausbilden.
Der Isolator hat eine Längsachse X entlang seiner Längsstreckung. Diese Längsachse kann auch eine Spiegelachse und oder Rotationsachse für den Isolator sein, wenn man beispielsweise den Isolator in einem Schnitt entlang der Längsachse betrachtet. Die Isolator- Längsachse X fällt typerweise bei der montierten Zündkerze mit der Zündkerzen- Längsachse und einer Gehäuse-Längsachse zusammen. Der Isolator kann entlang seiner Längsachse in drei Bereiche unterteilt werden: Isolatorfuß, Isolatorkörper und Isolatorkopf. Der Bereich, der das brennraumseitige Ende des Isolators bildet, wird als Isolatorfuß bezeichnet. Der Isolatorkopf bildet das Brennraum-abgewandte Ende des Isolators.
Zwischen Isolatorkopf und Isolatorfuß ist der Isolatorkörper angeordnet. Die drei Bereiche haben häufig unterschiedliche Außendurchmesser, wobei der Außendurchmesser innerhalb eines Bereiches auch variieren kann. Die Übergänge zwischen den Bereichen sind als Schultern bzw. Kehlen ausgebildet. Der Übergang zwischen Isolatorkörper und Isolatorfuß wird auch als Fußkehle oder Isolatorsitz bezeichnet.
Des Weiteren weist das Gehäuse auf seiner Innenseite einen Gehäuse-Sitz auf, auf dem der Isolator mit seinem Isolatorsitz aufliegt, wobei zwischen dem Gehäuse-Sitz und dem Isolatorsitz eine Innendichtung angeordnet ist, so dass die Innendichtung, der Gehäuse-Sitz und der Isolatorsitz ein Dichtsystem bilden.
Erfindungsgemäße ist vorgesehen, dass der Isolatorsitz mindestens eine Stufe aufweist, die einen ersten Abschnitt und mindestens einen zweiten Abschnitt hat, wobei der erste
Abschnitt und die zweiten Abschnitte einen Winkel γ von größer 0° zu einander haben und der erste Abschnitt parallel zu der Isolator-Längsachse X ist, wobei die Innendichtung an diesem ersten Abschnitt anliegt, so dass sich am Isolator eine radiale Dichtfläche ausbildet. Genauer gesagt bildet sich die radiale Dichtfläche zwischen dem ersten Abschnitt der Stufe im Isolatorsitz und der Innendichtung aus. Durch die Ausbildung einer radialen Dichtfläche ergibt sich der Vorteil, dass die Zündkerze, trotz der Reduzierung der Vorspannkraft zwischen Gehäuse und Isolator, aufgrund der Gehäuse-Längung bei Einschrauben der Zündkerze in einen Zylinderkopf, eine gute
Gasdichtheit behält. Die Vorspannkraft ist eine Kraft, die eine große axiale Kraftkomponente und eine geringere radiale Kraftkomponente aufweist. Somit ergibt sich, dass die radiale Dichtfläche, die primär durch radial wirkende Kräfte zwischen Innendichtung und Isolator verursacht wird, kaum durch die Gehäuse-Längung und der damit verbundenen
Reduzierung, insbesondere der axialen Komponente, der Vorspannkraft, beeinflusst wird. Ein weiterer Vorteil zeigt sich beim Betrieb der Zündkerze. Durch die höheren Temperaturen während des Betriebs der Zündkerze dehnt sich das Material der Innendichtung wie auch die anderen Komponenten der Zündkerze aus. Untersuchungen der Anmeldering haben gezeigt, dass die Innendichtung in axialer Richtung eine größere Wärmeausdehnung als in radialer Richtung hat, das heißt mit steigender Temperatur während des Betriebs der Zündkerze bzw. des Motors verändert sich das in axialer Richtung wirkende Kräfteverhältnis wodurch die Dichtheit an den axialen Dichtfläche sich reduziert. Dagegen ist das in radialer Richtung wirkende Kräfteverhältnis durch die Wärmeausdehnung der Innendichtung relativ unbeeinflusst und somit auch die Dichtheit an den radialen Dichtflächen.
Im Sinne dieser Anmeldung sind mit axialer Kraft bzw. Kraftkomponente die Kräfte gemeint, die parallel zur Längsachse der Zündkerze wirken. Entsprechend sind mit radiale Kraft bzw. Kraftkomponente die Kräfte gemeint, die senkrecht zur Längsachse der Zündkerze wirken. Dabei können die wirkenden Kräfte jeweils in eine axiale und eine radiale Kraftkomponente aufgeteilt werden.
Im Rahmen dieser Anmeldung wird das Wort„parallel" nicht im engen geometrischen Wortsinn benutzt. Als„parallel", insbesondere in Verbindung mit der Ausrichtung von
Flächen, werden auch kleine Abweichungen von einer strengen geometrischen Parallelität als parallele Ausrichtung betrachtet, die beispielsweise durch herstellungsbedingte
Unsicherheiten zustande kommen. Beispielsweise wird eine Fläche oder ein Abschnitt als parallel oder im Wesentlichen parallel zur Isolator-Längsachse betrachtet, wenn diese/dieser maximal einen Winkel von 10° zur Isolator-Längsachse aufweist. In dieser Anmeldung wird als radiale Dichtfläche jede Dichtfläche betrachtet, die an einer Fläche oder Abschnitt anliegt, die/der im Wesentlichen parallel zur Isolator-Längsachse, der Gehäuse-Längsachse oder der Zündkerzen-Längsachse. Entsprechend sind alle anderen Dichtflächen, die an einer Fläche oder einem Abschnitt anliegen, die/der senkrecht oder in einem Winkel zu der Isolator-Längsachse, der Gehäuse-Längsachse oder der Zündkerzen- Längsachse ausgerichtet sind, axiale Dichtflächen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Zündkerze ist es vorgesehen, dass die Stufe am Isolatorsitz neben der radialen Dichtfläche noch mindestens eine axiale Dichtfläche aufweist, insbesondere die an dem mindestens einen zweiten Abschnitt der Stufe ausgebildet ist. Dadurch wird die Gesamtdichtfläche vergrößert, wodurch eine bessere Gesamtdichtheit des Innendichtsystems sich ergibt. Zusätzlich ergibt sich noch der Effekt, dass die axiale
Dichtfläche, die primär durch die axialen auf Isolator, Innendichtung und Gehäuse wirkende Kräfte beeinflusst wird, und die radiale Dichtfläche, die primär durch die radial auf Isolator, Innendichtung und Gehäuse wirkende Kräfte beeinflusst wird, von verschiedenen
Komponenten der Vorspannkraft beeinflusst werden, wodurch eine Dichtfläche ihre
Funktionalität bewahren kann, wenn bei der anderen Dichtfläche die Funktionalität beispielsweise aufgrund eines Nachlassens der entsprechenden Kraftkomponente sich reduziert.
Insgesamt hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, dass die Stufe einen ersten Abschnitt und zwei zweite Abschnitte hat, wobei der erste Abschnitt zwischen den beiden zweiten Abschnitten angeordnet ist. Zusammen mit der Innendichtung ergibt sich eine radiale
Dichtfläche, die zwischen zwei axialen Dichtflächen angeordnet ist. Dadurch wird sich der Vorteil, dass die Innendichtung an der kompletten Oberfläche des ersten Abschnitts der Stufe am Isolatorsitz anliegt und somit die größtmögliche radiale Dichtfläche an diesem ersten Abschnitt bildet. Des Weiteren wird durch die Kombination von axialen und radialen Dichtflächen die Gesamtdichtfläche vergrößert und durch die gewinkelte Anordnung des ersten und der zweiten Abschnitte der Stufe am Isolatorsitz der Weg, den das Gas für ein Leck zurücklegen muss, verlängert, wodurch insgesamt die Gasdichtheit beim
Innendichtungssystem sich verbessert. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Isolatorsitz mehrere Stufen aufweist, die jeweils einen ersten Abschnitt haben, die zusammen mit der
Innendichtung mehrere radiale Dichtflächen ausbilden. Dadurch kommen die oben beschriebenen technischen Effekte und Vorteile besonders gut zur Wirkung. Insbesondere auch dann, wenn wie bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform die mehreren radialen Dichtfläche durch jeweils axiale Dichtfläche verbunden sind. Bei Ausführungsformen mit mehreren radialen Dichtflächen am Isolatorsitz gibt es eine radiale Hauptdichtfläche mit mindestens einer radialen Nebendichtfläche. Zusätzlich oder alternative gibt es bei mehreren axiale Dichtflächen entsprechend eine axiale
Hauptdichtfläche mit mindestens einer axiale Nebendichtfläche am Isolatorsitz. Dabei unterscheiden sich Hauptdichtfläche und Nebendichtfläche durch die Größe ihrer
Dichtfläche. Typischerweise gibt es eine radiale bzw. eine axiale Hauptdichtfläche und mehrere Nebendichtflächen, wobei die Hauptdichtfläche die größte Dichtfläche zwischen Isolator und Innendichtung hat. Gemessen entlang der Längsachse des Isolators hat eine radiale Hauptdichtfläche die größte Länge im Vergleich zu den anderen radialen
Dichtflächen. Entsprechendes gilt für die axialen Dichtflächen, wobei hier die Länge senkrecht bzw. im Winkel zur der Isolator-Längsachse gemessen werden.
Vorteilhafterweise ist eine radiale Hauptdichtfläche von radialen Nebendichtflächen entlang der Isolator-Längsachse eingerahmt, wobei die radialen Dichtflächen über axialen
Dichtflächen verbunden sind. An die radiale Hauptdichtfläche kann eine axiale
Hauptdichtfläche direkt angeordnet sein.
Eine radiale Nebendichtfläche kann beispielsweise auch am Isolatorfuß und/oder am Isolatorkörper ausgebildet sein, d.h. die Innendichtung ragt nach dem Verformen über den Isolatorsitz hinaus. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die gesamte Fläche des
Isolatorsitzes als Dichtfläche ausgenutzt wird, wobei sich die Dichtfläche aus Abschnitten von radialen und axialen Dichtflächen zusammensetzt. Durch die gestufte Anordnung der Dichtfläche ist der Leckageweg für das Gas besonders groß, wodurch die Zündkerze auch bei hohe Gasdrücke ihre Gasdichtheit behält. Die genaue Form der Innendichtung nach der Montage der Zündkerze und der elastischplastischen Verformung der Innendichtung und damit verbunden die konkrete Ausbildung, wie beispielsweise Anzahl und Anordnung, von axialen und radialen Dichtflächen (Anzahl, Anordnung) hängt von verschiedenen Faktoren, wie beispielsweise Spaltmaße zwischen Isolator und Gehäuse oberhalb und unterhalb des Isolatorsitzes, Anzahl der Stufen im Isolatorsitz, Vorspannkraft, mit der der Isolator im Gehäuse eingepresst ist oder Fläche der Dichtkontur. Dadurch ergibt sich auch die Möglichkeit das Innendichtungssystem durch eine einsprechende Ausgestaltung dieser Faktoren an besonderen Belastungen und Anforderung anzupassen, um somit die Zündkerze für den jeweiligen Einsatz zu optimieren.
Untersuchungen der Anmelderin haben gezeigt, dass es vorteilhaft ist, wenn die zweiten Abschnitte einer Stufe am Isolatorsitz zur Isolator-Längsachse (X) einen Winkel γ von mindestens 90° haben. Weitere Untersuchungen haben gezeigt, dass bis zu einem Winkel γ von 175° die oben beschriebenen technischen Effekte sich reproduzierbar ergeben. Aus den Untersuchungen ergab sich auch die Erkenntnis, dass bei mehreren zweiten Abschnitten einer Stufe oder bei mehreren Stufen die zweiten Abschnitte alle den gleichen Winkel γ oder unterschiedliche Winkel γ zur Isolator-Längsachse X haben können. Wenn alle zweiten Abschnitte um den gleichen Winkel γ zur Isolator-Längsachse geneigt ist, vereinfacht dies die Herstellung und reduziert damit auch die Herstellungskosten. Zweite Abschnitte mit unterschiedlichen Winkel γ zur Isolator-Längsachse eröffnen die Möglichkeit bei der genauen Ausgestaltung der Zündkerze auf gegebenenfalls Besonderheiten am Gehäuse- Sitz oder ähnliches zu reagieren und die Stufen am Isolatorsitz entsprechen für den
Sonderfall anzupassen, um eine optimale Gasdichtheit der Zündkerze zu erlangen.
Weiterführende Untersuchungen haben zusätzlich ergeben, dass der Gehäuse-Sitz in Bezug auf die Isolator-Längsachse X einen Winkel ß aufspannen kann, der einen Wert aus einem wesentlich größeren Wertebereich annehmen kann als bei den Innendichtkonzepten gemäß des Stands der Technik, bei dem typischerweise a= 55°- 65° ist. Der Winkel ß ist der Winkel innerhalb der Gehäusewand. Für den Winkel α aus dem Stand der Technik ergibt sich entsprechend ein Winkel ßsdT von 115° bis 125°. Bei der erfindungsgemäßen
Zündkerze funktioniert das erfindungsgemäße Innendichtsystem bereits, wenn ß einen Wert von mindestens 80° hat, und funktioniert auch noch für Werte von ß bis maximal 170°.
Vorzugsweise liegt der Wert für ß bei mindestens 90° und maximal 160° hat. Mit anderen Worten hat der Wertebereich, aus dem ß beim erfindungsgemäßen Innendichtsystem gewählt werden kann, eine Breite von mindestens 70° startend bei einem Winkel ß = 90°, vorzugsweise mindestens 90° startend bei einem Winkel ß = 80°, während bei einem Dichtsitz gemäß dem Stand der Technik der Wertebereich für ßsdT typischerweise nur eine Breite von 10° hat.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung hat die Innendichtung vor der Montage im Schnitt eine Höhe h, gemessen parallel zur Isolator-Längsachse X, und eine Breite d, gemessen senkrecht zur Isolator-Längsachse X. Es hat sich dabei als vorteilhaft herausgestellt, dass das Verhältnis von Breite d zu Höhe h der Innendichtung mindestens 0,5, insbesondere von mindestens 0,75 ist. Die Innendichtung ist vorzugsweise ein
Festkörper, wie beispielsweise ein Dichtungsring oder eine Dichtscheibe, d.h. die
Innendichtung ist keine in Form gepresste Pulverpackung.
Vorteilhafterweise ist die Breite der Innendichtung größer als die Tiefe des Gehäuse-Sitzes. Die Tiefe ag des Gehäuse-Sitzes ergibt als halbe Differenz zwischen dem Innendurchmesser cg des Gehäuses oberhalb des Gehäuse-Sitzes, bzw. in Richtung der Brennraum- abgewandten Seite des Gehäuses, und dem Innendurchmesser bg des Gehäuses unterhalb des Gehäuse-Sitzes, sprich in Richtung des brennraumseitigen Endes des Gehäuses. Die Tiefe a, des Isolatorsitzes ist analog als halbe Differenz zwischen dem Außendurchmesser q des Isolators oberhalb des Isolatorsitzes, sprich am Isolatorkörper, und dem
Außendurchmesser b, des Isolators unterhalb des Isolatorsitzes, sprich am Isolatorfuß, definiert. Beispielsweise ist die Tiefe des Isolatorsitzes a, kleiner oder gleich der Tiefe des Gehäusesitzes ag.
Zusätzlich ist es vorteilhaft, wenn die radiale Dichtfläche am Isolatorsitz eine Höhe, gemessen parallel zur Isolator-Längsachse X, von mindestens 30%, insbesondere mindestens 36%, der Höhe h der Innendichtung hat.
Alternative bei mehreren radialen Dichtflächen am Isolatorsitz hat die radiale
Hauptdichtfläche am Isolatorsitz eine Höhe, gemessen parallel zur Isolator-Längsachse X, von mindestens 30%, insbesondere mindestens 36%, der Höhe h der Innendichtung hat. Zusätzlich ist es denkbar, dass die radialen Nebendichtflächen am Isolatorsitz eine Höhe, gemessen parallel zur Isolator-Längsachse X, von mindestens 1%, insbesondere
mindestens 5%, der Höhe h der Innendichtung haben.
Für die axiale Dichtfläche hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn diese am Isolatorsitz eine Breite, gemessen senkrecht zur Isolator-Längsachse X, von mindestens 15%, insbesondere mindestens 20%, der Breite d der Innendichtung hat. Im Falle von mehreren axialen Dichtflächen kann die axiale Hauptdichtfläche am Isolatorsitz eine Breite, gemessen senkrecht zur Isolator-Längsachse X, von mindestens 15%, insbesondere mindestens 20%, der Breite d der Innendichtung haben. Zusätzlich oder alternativ können die axialen
Nebendichtflächen am Isolatorsitz eine Breite, gemessen senkrecht zur Isolator-Längsachse X, von mindestens 1%, insbesondere mindestens 5%, der Breite d der Innendichtung haben. Grundsätzlich ist es möglich, dass die Innendichtung und das Gehäuse am Gehäuse-Sitz eine axiale Dichtfläche und an der Innenseite des Gehäuses eine radiale Dichtfläche ausbilden. Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass die radiale Dichtfläche am Gehäuse eine Höhe, gemessen parallel zur Isolator-Längsachse X, von mindestens 30%, insbesondere mindestens 36%, der Höhe h der Innendichtung hat.
Die am Isolatorfuß direkt angrenzende axiale (Neben-) Dichtfläche am Isolatorsitz hat bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung mindestens eine Breite, die der, insbesondere engsten, Spaltbreite zwischen dem Isolatorfuß und der dem Isolatorfuß gegenüberliegenden Gehäuseinnenseite direkt am Isolatorsitz entspricht. Zusätzlich ist es vorteilhaft, wenn die Breite der an den Isolatorfuß angrenzende axiale (Neben-) Dichtfläche auch mindestens der Spaltbreite zwischen Isolatorkörper und der gegenüberliegenden Gehäuse-Innenseite entspricht, wenn dieser Spalt eine größere Breite als der Spalt zwischen Isolatorfuß und Gehäuse-Innenseite hat.
Zeichnung
Figur 1 zeigt ein Beispiel für eine Zündkerze
Figur 2 zeigt im Detail die Anordnung des Gehäuse-Sitzes, des Isolatorsitzes und der Innendichtung von einer Zündkerze gemäß dem Stand der Technik
Figur 3 zeigt im Detail den Isolatorsitz mit Stufe, die Innendichtung und den Gehäuse-Sitz der erfindungsgemäßen Zündkerze vor der Montage
Figur 4 zeigt im Detail den Isolatorsitz mit Stufe, die Innendichtung und den Gehäuse-Sitz der erfindungsgemäßen Zündkerze nach der Montage Figur 5 zeigt den Isolatorsitz mit Stufe für eine erfindungsgemäße Zündkerze
Figur 6 zeigt ein Beispiel für ein Gehäuse-Sitz für eine erfindungsgemäße Zündkerze
Beschreibung des Ausführungsbeispiels Figur 1 zeigt in einer halb geschnittenen Ansicht eine Zündkerze 1. Die Zündkerze 1 umfasst ein Gehäuse 2. In das Gehäuse 2 ist ein Isolator 3 eingesetzt. Das Gehäuse 2 und der Isolator 3 weisen jeweils entlang ihrer Längsachse eine Bohrung auf. Die Längsachse des Gehäuses 2, die Längsachse X des Isolators 3 und die Längsachse der Zündkerze 1 fallen zusammen. In den Isolator 3 ist eine Mittelelektrode 4 eingesetzt. Des Weiteren erstreckt sich in den Isolator 3 ein Anschlussbolzen 8. Am Anschlussbolzen 8 ist eine Anschlußmutter 9 angeordnet, über die die Zündkerze 1 mit einer Spannungsquelle elektrisch kontaktiertbar ist. Die Anschlußmutter 9 bildet das Brennraum-abgewandte Ende der Zündkerze 1. Zwischen der Mittelelektrode 4 und dem Anschlussbolzen 8 befindet sich im Isolator 3 ein Widerstandselement 7, auch Panat genannt. Das Widerstandselement 7 verbindet die Mittelelektrode 4 elektrisch leitend mit dem Anschlussbolzen 8. Das Widerstandselement 7 ist beispielsweise als Schichtsystem aus einem ersten Kontaktpanat, einem
Widerstandspanat und einem zweiten Kontaktpanat aufgebaut. Die Schichten des
Widerstandselements unterscheiden sich durch ihre Materialzusammensetzung und dem daraus resultierenden elektrischen Widerstand. Das erste Kontaktpanat und das zweite Kontaktpanat können einen unterschiedlichen oder einen gleichen elektrischen Widerstand aufweisen. Am Gehäuse 2 ist auf dessen Brennraum-zugewandten Stirnseite eine Masseelektrode 5 elektrisch leitend angeordnet. Zwischen der Masseelektrode 5 und der Mittelelektrode 4 wird ein Zündfunken erzeugt.
Das Gehäuse 2 weist einen Schaft auf. An diesem Schaft sind ein Mehrkant 21, ein
Schrumpfeinstich und ein Gewinde 22 ausgebildet. Das Gewinde 22 dient zum
Einschrauben der Zündkerze 1 in eine Brennkraftmaschine. Zwischen dem Gewinde 22 und dem Mehrkant 21 ist ein äußeres Dichtelement 6 angeordnet. Das äußere Dichtelement 6 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Faltdichtung ausgestaltet. Der Isolator 3 wird typischerweise in drei Bereich unterteilt: Isolatorfuß 31, Isolatorkörper 31 und Isolatorkopf 33. Die drei Bereiche unterscheiden sich beispielsweise durch
unterschiedliche Durchmesser. Der Isolatorfuß 31 ist das Brennraum-zugewandte Ende des Isolators 3. Innerhalb des Isolatorfußes 31 ist die Mittelelektrode 4 angeordnet. Der
Isolatorfuß 31 ist in der Regel vollständig oder zu mindestens mit über den Großteil seiner Länge, gemessen parallel zur Zündkerzen Längsachse oder Isolator-Längsachse X, innerhalb des Gehäuses 2 angeordnet. In der Regel hat der Isolatorfuß 31 den kleinsten Außendurchmesser am Isolator 3. Angrenzend an den Isolatorfuß 31 ist der Isolatorkörper 32 angeordnet, der in der Regel vollständig vom Gehäuse 2 umfasst ist. Der Isolatorkörper 32 hat einen größeren
Außendurchmesser als der Isolatorfuß 31. Der Übergang zwischen Isolatorfuß 31 und Isolatorkörper 32 ist als Schulter oder Kehle ausgebildet. Dieser Übergang wird auch als Fußkehle oder Isolatorsitz 35 bezeichnet.
Der Isolatorkopf 33 grenzt am Brennraum-abgewandten Ende des Isolatorkörpers 32 an diesem an und bildet das Brennraum-abgewandte Ende des Isolators 3. Der Isolatorkopf 33 ragt aus dem Gehäuse 2 heraus. Der Außendurchmesser des Isolatorkopfs 33 liegt zwischen den Außendurchmessern von Isolatorfuß 31 und Isolatorkörper 32, wobei die Bereiche typischerweise über ihre Länge keinen konstanten Außendurchmesser haben, sondern der Außendurchmesser variieren kann. Das Gehäuse 2 weist an seiner Innenseite einen Sitz 25 auf. Der Isolator liegt mit seiner Schulter bzw. Isolatorsitz 35 auf dem Gehäuse-Sitz 25 auf. Zwischen dem Isolatorsitz 35 und dem Gehäuse-Sitz 25 ist eine Innendichtung 10 angeordnet. Der Bereich 30 des Gehäuse-Sitzes 25 und des Isolatorsitzes 35 ist in der Figur 1 durch einen Kreis markiert und wird in den nachfolgenden Figuren 2 bis 6 näher beschrieben.
Figur 2 zeigt im Detail den Bereich 30 mit dem Gehäuse-Sitz 25, Isolatorsitz 35 und
Innendichtung 10 gemäß des Stands der Technik. Der Gehäuse-Sitz 25 hat eine Neigung von a=55°-65° zur Zündkerzen-Längsachse. Die Fläche des Isolatorsitzes 35 gibt sich durch den Übergang vom Isolatorfuß 31 zum Isolatorkörper 32, bei dem sich kontinuierlich der Außendurchmesser vergrößert. Bei dieser Anordnung ergibt sich eine axiale Dichtfläche zwischen Gehäuse-Sitz 25, Isolatorsitz 35 und Innendichtung von ca. 10 mm2, wobei die Vorspannkraft mit dem das Gehäuse 2 und der Isolator 3 miteinander verpresst sind bei 1,5 kN bis zu 10 kN liegt. Figur 3 zeigt im Detail den Bereich 30 mit dem Gehäusesitz 25, dem Isolatorsitz 35 und der Innendichtung 10 vor der Montage des Isolator 3 in das Gehäuse 2 gemäß der Erfindung. Die Innendichtung 10 liegt auf dem Gehäuse-Sitz 25 auf. Vor der Montage des Isolators 3 hat die Innendichtung eine Höhe h, gemessen parallel zur Längsachse der Zündkerzen bzw. Isolator-Längsachse X, und eine Breite d, gemessen senkrecht zur Längsachse der
Zündkerzen bzw. Isolator-Längsachse X. Der Isolatorsitz 35, der den Übergang zwischen dem Isolatorfuß 31 und dem Isolatorkörper 32 bildet, weist in diesem Beispiel eine Stufe auf. Die Stufe lässt sich in drei Abschnitte unterteilen. Ein erster Abschnitt 3510 hat eine Oberfläche, die parallel zur Isolator- Längsachse X ist, somit ist auch dieser erste Abschnitt 3510 parallel zur Isolator- Längsachse X. Die beiden anderen Abschnitte 3520, auch zweiter Abschnitt genannt, sind zum ersten Abschnitt 3510 um einen Winkel γ geneigt. Dabei hat hier beispielsweise jeder zweite Abschnitt 3520 zum ersten Abschnitt 3510 bzw. zur Isolator Längsachse X einen anderen Winkel γ. Alternativ können verschiedene zweite Abschnitte 3520 den gleichen Winkel γ zu einem ersten Abschnitt 3510 bzw. zu Isolator Längsachse X haben.
Figur 4 zeigt im Detail den Bereich 30 mit dem Gehäuse-Sitz 25, dem Isolatorsitz 35 und der Innendichtung 10 nach der Montage des Isolators 3 in das Gehäuse 2 gemäß der Erfindung. Durch die Montage des Isolators 3 in das Gehäuse 2 wirkt auf die Innendichtung 10 eine Kraft, wodurch die Innendichtung 10 verformt wird und sich radiale Dichtflächen 251, 351a, 351b, 351c und axiale Dichtflächen 252, 352a, 352b, 352c am Isolator 3 und am Isolatorsitz 35 sowie Gehäuse 2 und Gehäuse-Sitz 25 ausbilden. Radiale Dichtflächen 351a, 351b bilden sich immer zwischen der Innendichtung 10 und zur Isolator-Längsachse X parallelen Oberflächen des Isolators 3 oder des Gehäuses 2. Als parallel im Sinne dieser Anmeldung werden auch Oberflächen betrachtet, die aufgrund von Herstellungsprozessen eine leichte Neigung, d.h. einen Winkel kleiner 10°, zur Längsachse der Zündkerzen oder der Isolator- Längsachse X aufweisen.
Am Gehäuse 2 bildet sich eine radiale Dichtfläche 251 und am Gehäusesitz 25 eine axiale Dichtflächen 252 aus.
Der Isolator Sitz 35 weist in diesem Ausführungsbeispiel zwei Stufen auf und somit zwei erste Abschnitte 3510a, 3510b und mehrere zweite Abschnitte 3520a, 3520b, 3520c auf. An den ersten Abschnitten 3510a, 3510b bilden sich radiale Dichtflächen 351a, 351b aus.
Dabei bildet sich an dem ersten Abschnitt 3510a eine radiale Hauptdichtfläche 351a und an dem anderen ersten Abschnitt 3510b eine radiale Nebendichtfläche 351b aus.
Typischerweise bildet sich eine Hauptdichtflächen und mehrere Nebendichtflächen aus, wobei die Hauptdichtfläche von benachbarten Nebendichtflächen eingeschlossen ist. Die Hauptdichtflächen ist typischerweise die größte Fläche. Neben den radialen Dichtflächen bilden sich am Isolatorsitz auch axiale Dichtflächen 352a, 352b an den zweiten Abschnitten 3520a, 3520b aus. Bei den axialen Dichtflächen 352a, 352b kann man auch wieder zwischen Haupt und Nebendichtflächen unterscheiden. Aufgrund der Stufenform des Isolatorsitzes wechseln sich radiale und axiale Dichtflächen ab. Es ist nicht ausgeschlossen, dass sich auch am Isolatorfuß 31 oder Isolatorkörper 32 radiale Dichtflächen ausbilden, wie beispielsweise die radiale Dichtfläche 351c am Isolatorfuß 31.
Es ist nicht notwendig, dass sich an allen Abschnitten einer Stufe am Isolatorsitz 35 eine Dichtfläche ausbildet. Wie in diesem Beispiel gezeigt ist es unproblematisch, wenn an einem Abschnitt 3520c, der am Rand des Isolatorsitzes 35 angeordnet ist, sich keine Dichtfläche ausbildet.
Die axiale Nebendichtfläche 352b, die an den Isolatorfuß 31 grenzt, sollte breiter sein als die Spaltbreite e zwischen Isolatorfuß 31 und Gehäuse 2, also unterhalb des Isolatorsitzes 35, und/oder breiter sein als die Spaltbreite f zwischen Isolatorkörper 32 und Gehäuse 2, also oberhalb des Isolatorsitzes 35.
Figur 5 zeigt noch mal im Detail den Isolatorsitz 35 mit zwei Stufen. Zu sehen ist die Isolator- Längsachse X die beiden Stufen am Isolatorsitz 35 haben zwischen ihrem ersten und zweiten Abschnitt 3510, 3520a, 3520b jeweils unterschiedliche Winkel γ. Der Winkel γ hat einen Wert von 90° bis 175°. Die Tiefe a, des Isolatorsitzes 35 ergibt sich aus der halben Differenz des Durchmessers b, beim Isolatorfuß 31 und dem Durchmesser q am
Isolatorkörper 32. In Figur 6 ist im Detail der Gehäusesitz 25 gezeigt. Die Tiefe ag des Gehäusesitzes 25 ergibt sich aus der halben Differenz des Innendurchmessers des Gehäuses auf Höhe des
Isolatorfußes und des Gehäuse-Innendurchmessers oberhalb des Gehäusesitzes cg. Die Durchmesser werden senkrecht zur Gehäuselängsachse gemessen. Der Gehäusesitz 25 ist in einem Winkel ß zur Gehäuselängsachse geneigt, ß hat einen Wert von 90° bis 160°.
Prinzipiell kann ß auch Werte kleiner 90° haben, allerdings ist der Herstellungsprozess dann schwieriger und die Herstellungskosten höher.

Claims

Ansprüche
1. Zündkerze (1), aufweisend
• ein Gehäuse (2),
· ein innerhalb des Gehäuses (2) angeordneten Isolator (3), wobei der Isolator (3) eine Längsachse (X), einen Isolatorfuß (31), einen Isolatorkörper (32) und einen Isolatorkopf (33) sowie einen Isolatorsitz (35) aufweist, der einen Übergang vom Isolatorfuß (31) zum Isolatorkörper (32) bildet,
• eine innerhalb des Isolators (3) angeordnete Mittelelektrode (4),
· eine an einer Brennraum-zugewandten Stirnseite des Gehäuses (2) angeordnete
Masseelektrode (5), wobei die Masseelektrode (5) und die Mittelelektrode (4) so angeordnet sind, dass die beiden Elektroden einen Zündspalt ausbilden, wobei das Gehäuse (2) auf seiner Innenseite einen Gehäuse-Sitz (25) aufweist, auf dem der Isolator (3) mit seinem Isolatorsitz (35) aufliegt, wobei zwischen dem Gehäuse-Sitz (25) und dem Isolatorsitz (35) eine Innendichtung (10) angeordnet ist, so dass die Innendichtung (10), der Gehäuse-Sitz (25) und der Isolatorsitz (35) ein Dichtsystem bilden,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Isolatorsitz (35) mindestens eine Stufe aufweist, die einen ersten Abschnitt (3510) und mindestens einen zweiten Abschnitt (3520) hat, wobei der erste Abschnitt (351) und die zweiten Abschnitte (3520) einen Winkel γ von größer 0° zu einander haben und der erste Abschnitt (3510) parallel zu der Isolator-Längsachse (X) ist, wobei die Innendichtung (10) an diesem ersten Abschnitt (3510) anliegt, so dass sich am Isolator (3) eine radiale Dichtfläche (351) ausbildet.
2. Zündkerze (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stufe am
Isolatorsitz (35) neben der radialen Dichtfläche (351) noch mindestens eine axiale
Dichtfläche (352) aufweist, insbesondere die an dem mindestens einen zweite Abschnitt (3520) der Stufe ausgebildet ist.
3. Zündkerze (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die radiale Dichtfläche (351) zwischen zwei axialen Dichtflächen (352a, 352b) angeordnet ist.
4. Zündkerze (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolatorsitz (35) mehrere Stufen aufweist, die jeweils einen ersten Abschnitt (3510) haben, die zusammen mit der Innendichtung (10) mehrere radiale Dichtflächen (351a, 351b, 351c) ausbilden.
5. Zündkerze (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren radialen Dichtfläche (351a, 351b, 351c) durch jeweils axiale Dichtfläche (352a, 352b, 352c) verbunden sind.
6. Zündkerze (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehreren radialen Dichtflächen es eine radiale Hauptdichtfläche (351a) mit mindestens einer radialen Nebendichtfläche (351b, 351c) und/oder bei mehreren axiale Dichtflächen es eine axiale Hauptdichtfläche (352a) mit mindestens einer axiale Nebendichtfläche (352b, 352c) am Isolatorsitz gibt.
7. Zündkerze (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Abschnitte (3520) einer Stufe am Isolatorsitz (35) zur Isolator-Längsachse
(X) einen Winkel γ von 90° bis 175° haben.
8. Zündkerze (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass alle zweiten Abschnitte (3520) einer Stufe den gleichen Winkel γ zur Isolator-Längsachse (X) haben.
9. Zündkerze (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäuse-Sitz (25) in Bezug auf die Isolator-Längsachse (X) einen Winkel ß aufspannt, wobei ß einen Wert von mindestens 80° und maximal 170°, insbesondere zwischen 90° und 160° hat.
10. Zündkerze (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innendichtung (10) vor der Montage im Schnitt eine Höhe h, gemessen parallel zur Isolator-Längsachse (X), und eine Breite d, gemessen senkrecht zur Isolator-Längsachse (X), hat, und dass die Innendichtung (10) vor der Montage ein Verhältnis von Breite d zu Höhe h von mindestens 0,5, insbesondere von mindestens 0,75 hat.
11. Zündkerze (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innendichtung (10) vor der Montage im Schnitt eine Höhe h, gemessen parallel zur Isolator-Längsachse (X), und eine Breite d, gemessen senkrecht zur Isolator-Längsachse (X), hat , und dass die radiale Dichtfläche (351) am Isolatorsitz (35) eine Höhe, gemessen parallel zur Isolator-Längsachse (X), von mindestens 30%, insbesondere mindestens 36%, der Höhe h der Innendichtung (10) hat.
12. Zündkerze (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, dass die Innendichtung (10) vor der Montage im Schnitt eine Höhe h, gemessen parallel zur Isolator-Längsachse (X), und eine Breite d, gemessen senkrecht zur Isolator-Längsachse (X), hat , und dass bei mehreren radialen Dichtflächen (351a, 351b, 351c) am Isolatorsitz (35) die radiale Hauptdichtfläche (351a) am Isolatorsitz (35) eine Höhe, gemessen parallel zur Isolator-Längsachse (X), von mindestens 30%, insbesondere mindestens 36%, der Höhe h der Innendichtung (10) hat.
13. Zündkerze (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innendichtung (10) vor der Montage im Schnitt eine Höhe h, gemessen parallel zur
Isolator-Längsachse (X), und eine Breite d, gemessen senkrecht zur Isolator-Längsachse (X), hat , und dass bei mehreren radialen Dichtflächen (351a, 351b, 351c) am Isolatorsitz (35) die radialen Nebendichtflächen (351b, 351c) am Isolatorsitz (35) ein Höhe, gemessen parallel zur Isolator-Längsachse (X), von mindestens 1%, insbesondere mindestens 5%, der Höhe h der Innendichtung (10) hat.
14. Zündkerze (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innendichtung (10) vor der Montage im Schnitt eine Höhe h, gemessen parallel zur Isolator-Längsachse (X), und eine Breite d, gemessen senkrecht zur Isolator-Längsachse (X), hat, und dass die Innendichtung (10) und das Gehäuse (2) am Gehäuse-Sitz (25) eine axiale Dichtfläche (252) und an der Innenseite des Gehäuses eine radiale Dichtfläche (251) ausbilden, wobei die radiale Dichtfläche (251) am Gehäuse (2) eine Höhe, gemessen parallel zur Isolator-Längsachse (X), von mindestens 30%, insbesondere mindestens 36%, der Höhe h der Innendichtung (10) hat.
15. Zündkerze (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innendichtung (10) vor der Montage im Schnitt eine Höhe h, gemessen parallel zur Isolator-Längsachse (X), und eine Breite d, gemessen senkrecht zur Isolator-Längsachse (X), hat , und dass die axiale Dichtfläche (352) am Isolatorsitz eine Breite, gemessen senkrecht zur Isolator-Längsachse (X), von mindestens 15%, insbesondere mindestens 20%, der Breite d der Innendichtung (10) hat.
16. Zündkerze (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innendichtung (10) vor der Montage im Schnitt eine Höhe h, gemessen parallel zur Isolator-Längsachse (X), und eine Breite d, gemessen senkrecht zur Isolator-Längsachse (X), hat , und dass bei mehreren axialen Dichtflächen die axiale Hauptdichtfläche (352a) am Isolatorsitz (35) eine Breite, gemessen senkrecht zur Isolator-Längsachse (X), von mindestens 15%, insbesondere mindestens 20%, der Breite d der Innendichtung (10) hat.
17. Zündkerze (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innendichtung (10) vor der Montage im Schnitt eine Höhe h, gemessen parallel zur Isolator-Längsachse (X), und eine Breite d, gemessen senkrecht zur Isolator-Längsachse (X), hat , und dass bei mehreren axialen Dichtflächen die axiale Nebendichtfläche (352b, 352c) am Isolatorsitz (35) eine Breite, gemessen senkrecht zur Isolator-Längsachse (X), von mindestens 1%, insbesondere mindestens 5%, der Breite d der Innendichtung (10) hat.
18. Zündkerze (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche 2 bis 17, dadurch
gekennzeichnet, dass die am Isolatorfuß direkt angrenzende axiale Dichtfläche (352b) am Isolatorsitz (35) mindestens eine Breite hat, die der, insbesondere engsten, Spaltbreite (e) zwischen dem Isolatorfuß (31) und der dem Isolatorfuß (31) gegenüberliegenden
Gehäuseinnenseite entspricht.
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