WO2014114480A1 - Zündkerze - Google Patents

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WO2014114480A1
WO2014114480A1 PCT/EP2014/050117 EP2014050117W WO2014114480A1 WO 2014114480 A1 WO2014114480 A1 WO 2014114480A1 EP 2014050117 W EP2014050117 W EP 2014050117W WO 2014114480 A1 WO2014114480 A1 WO 2014114480A1
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spark plug
groove
thread
housing
combustion chamber
Prior art date
Application number
PCT/EP2014/050117
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English (en)
French (fr)
Inventor
Inivaldo Souza
Stefan Nufer
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T13/00—Sparking plugs
    • H01T13/02—Details
    • H01T13/08—Mounting, fixing or sealing of sparking plugs, e.g. in combustion chamber

Definitions

  • spark plugs In spark-ignition engines and when starting gas turbines, spark plugs generate the spark necessary for the ignition of the fuel-air mixture between their electrodes. All common types have a housing with
  • spark plug thread With this screw thread, the spark plug is screwed into the cylinder head in the place provided for the spark plug.
  • the design of the thread geometry of the spark plug and the cylinder head must on the one hand ensure sufficient tightness against the high-pressure combustion chamber gases, and on the other hand, the spark plug must be mounted and dismounted with low torque.
  • spark plug and cylinder head material may become cold welded due to various influences. In cold welding, when the spark plug is unscrewed, for example, when change intervals are reached, cylinder head material is torn out. Cold welding should therefore be avoided.
  • Cold welding can be: combinations of materials with too low hardness, too high temperatures, too high pressing forces, use of wrong or too little lubricant, too little thread play, too high
  • the spark plug according to the invention with the features of claim 1 largely avoids the cold welding between the thread (also: screw thread) of the spark plug and the material of the internal combustion engine, in particular of the cylinder head. At the same time, the thread of the
  • Spark plug according to the invention an optimal thread clearance, so that a sufficient tightness is ensured.
  • a spark plug for an internal combustion engine comprising a housing with a thread for screwing the spark plug in an internal combustion engine, in particular in a cylinder head.
  • the thread is formed concentrically about a longitudinal axis of the housing.
  • the spark plug comprises at least two electrodes arranged in or on the housing, which are formed on a combustion chamber side of the spark plug for generating a spark.
  • at least one longitudinally extending groove is provided in the thread. Perpendicular to the longitudinal axis or longitudinal direction is defined a radial direction. Around the longitudinal axis, a circumferential direction is defined.
  • a plurality of grooves distributed in the circumferential direction can be formed in the thread.
  • the thread has an additional degree of mechanical freedom and can reduce the contact pressure by elastic and plastic deformation, whereby a cold welding is effectively avoided.
  • a length of the groove extends over at least two, preferably over at least three, more preferably over at least four, threads of the thread.
  • the length of the groove is measured in the direction of the longitudinal axis. It is preferably provided that the groove at least partially in the
  • Combustion chamber facing third of the thread is arranged.
  • the groove extends through the first thread on the combustion chamber side.
  • a width of the groove is measured in the circumferential direction.
  • the width of the groove is preferably between 1% and 10% of the length of the groove.
  • the width of the groove is between 0.1 mm and 2 mm.
  • a depth of the groove is measured in the radial direction.
  • the depth of the groove is at least 50%, preferably at least 100%, particularly preferably at least 1 10%, of a flank height of the thread.
  • the groove is so deep that it completely cuts through the housing:
  • the housing is in particular hollow cylindrical and the groove durschneidet the entire surface of the hollow cylindrical shape in the radial direction.
  • the spark plug preferably comprises a hollow insulator which is inserted into the housing.
  • a center electrode is inserted in the direction of the longitudinal axis.
  • the insulator rests against a sealing seat on the housing. This sealing seat ensures a seal between the combustion chamber and a combustion chamber side facing away from the spark plug.
  • the groove is preferably arranged between a combustion chamber-side end of the housing and this sealing seat. In particular, it is provided that the groove is located exclusively in the area between the
  • the length of the groove is at most 90% of the distance between the combustion chamber end of the housing and the sealing seat.
  • the length of the groove and the distance are measured in the direction of the longitudinal axis.
  • the at least one groove is advantageously milled into the thread of the housing.
  • FIG. 2 shows a detail from FIG. 1,
  • FIG. 3 shows the thread of the spark plug according to the invention according to the
  • FIG. 4 shows a diagram for calculating the mechanical stress in FIG.
  • the spark plug 1 comprises a housing 2. On the housing 2, a thread 3 for screwing the spark plug 1 is formed in an internal combustion engine.
  • the housing 2 extends along a longitudinal axis or
  • a circumferential direction 25 is defined around the longitudinal direction 24.
  • a radial direction 26 is defined.
  • a hollow insulator 4 is inserted in the housing.
  • a center electrode 5 is inserted in the insulator 4.
  • the center electrode 5 protrudes from the housing 3 on a combustion chamber side 9. Furthermore, on the combustion chamber side 9 a
  • Ground electrode 6 electrically connected to the housing 3. Between the combustion chamber-side end of the center electrode 5 and the ground electrode 6, a gap is formed. The spark is generated in this gap.
  • FIG. 2 shows a detailed detail from FIG. 1.
  • the insulator 4 is located on a sealing seat 1 1 on the housing 2.
  • the housing 2 has a combustion chamber-side end 12. The distance between the combustion chamber end 12 and the sealing seat 1 1 is defined as a distance 13 which is measured parallel to the longitudinal direction 24.
  • Figure 3 shows in detail the thread 3.
  • the thread 3 at least one groove 14 is formed.
  • the groove 14 extends along the longitudinal direction 24 over a length 15.
  • a width 16 of the groove 14 is defined in the circumferential direction 25.
  • a depth of the groove 14 extends in the radial direction 26.
  • FIG. 3 shows a flank height 17 of the thread 3.
  • the groove 14 begins at the combustion chamber end 12 and extends over five threads.
  • FIG. 4 shows a diagram for calculating the tension in the thread of a conventional spark plug.
  • the X-axis 18 shows the calculated stress in MPa.
  • the Y-axis 19 five calculation points 20 are plotted.
  • the right-hand illustration in FIG. 4 shows a section of a conventional thread 24 without a groove.
  • the five calculation units 20 shown can be found again in the diagram.
  • the diagram shows, for the five calculation points 20, a first region 21 for a cylinder head temperature of 22 ° C., a second region 22 for a cylinder head temperature of 80 ° C. and a third region 23 for a cylinder head temperature of 120 ° C.
  • Cylinder head material thus also the absolutely highest tensions.
  • the invention provides that the groove 14 extends from the combustion chamber side over a plurality of thread flanks. Through the groove 14, the thread can avoid the increased contact pressure mechanically, so that a cold welding is avoided.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Spark Plugs (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zündkerze (1) für eine Brennkraftmaschine, umfassend ein Gehäuse (2) mit einem Gewinde (3) zum Einschrauben der Zündkerze (1) in eine Brennkraftmaschine, wobei das Gewinde (3) konzentrisch um eine sich in Längsrichtung (24) erstreckende Längsachse des Gehäuses (29 ausgebildet ist, zumindest zwei in oder am Gehäuse (2) angeordnete Elektroden (5, 6), die auf einer Brennraumseite (9) der Zündkerze (1) zum Erzeugen eines Zündfunkens ausgebildet sind, und zumindest eine sich in Längsrichtung (24) erstreckende Nut (14) im Gewinde (3).

Description

Beschreibung
Titel
Zündkerze Stand der Technik
Zündkerzen erzeugen in Otto-Motoren und beim Anlassen von Gasturbinen die für die Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches nötigen Zündfunken zwischen ihren Elektroden. Alle gängigen Bauformen besitzen ein Gehäuse mit
Einschraubgewinde. Mit diesem Einschraubgewinde wird die Zündkerze im Zylinderkopf in der für die Zündkerze vorgesehenen Stelle eingeschraubt. Die Auslegung der Gewindegeometrie der Zündkerze und des Zylinderkopfes muss zum einen eine ausreichende Dichtigkeit gegenüber den mit hohem Druck anliegenden Brennkammergasen gewährleisten, und zum anderen muss die Zündkerze mit geringem Drehmoment montiert und demontiert werden können. Während des Motorbetriebs kann es aufgrund von verschiedenen Einflüssen zu einer Kaltverschweißung von Zündkerze und Zylinderkopfmaterial kommen. Bei einer Kaltverschweißung wird beim Ausschrauben der Zündkerze, wenn zum Beispiel Wechselintervalle erreicht sind, Zylinderkopfmaterial herausgerissen. Eine Kaltverschweißung ist somit zu vermeiden. Ursachen für die
Kaltverschweißung können sein: Kombinationen von Materialien mit zu geringer Härte, zu hohe Temperaturen, zu hohe Presskräfte, Verwendung von falschem oder zu wenig Schmierstoff, zu geringes Gewindespiel, zu hohe
Oberflächenrauigkeit oder korrosive Ablagerungen. Meist liegt eine Kombination von mehreren Ursachen für die Kaltverschweißung vor. Im Stand der Technik wird zur Vermeidung der Kaltverschweißung Gewindefett verwendet. Dies führt allerdings zu einem erhöhten Aufwand bei der Montage. Des Weiteren wird im Stand der Technik der Flankendurchmesser reduziert, so dass ein erhöhtes Gewindespiel erreicht wird. Nachteil bei dieser Methode ist eine verringerte Dichtigkeit der Zündkerze im Bereich der Versch raubung.
Offenbarung der Erfindung Die erfindungsgemäße Zündkerze mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vermeidet weitgehend die Kaltverschweißung zwischen dem Gewinde (auch: Einschraubgewinde) der Zündkerze und dem Material der Brennkraftmaschine, insbesondere des Zylinderkopfes. Gleichzeitig weist das Gewinde der
erfindungsgemäßen Zündkerze ein optimales Gewindespiel auf, so dass eine ausreichende Dichtigkeit gewährleistet ist. Diese Vorteile werden erreicht durch eine Zündkerze für eine Brennkraftmaschine, umfassend ein Gehäuse mit einem Gewinde zum Einschrauben der Zündkerze in eine Brennkraftmaschine, insbesondere in einen Zylinderkopf. Das Gewinde ist dabei konzentrisch um eine Längsachse des Gehäuses ausgebildet. Des Weiteren umfasst die Zündkerze zumindest zwei in oder am Gehäuse angeordnete Elektroden, die auf einer Brennraumseite der Zündkerze zum Erzeugen eines Zündfunkens ausgebildet sind. Des Weiteren ist zumindest eine sich in Längsrichtung erstreckende Nut im Gewinde vorgesehen. Senkrecht zur Längsachse bzw. Längsrichtung ist eine Radialrichtung definiert. Um die Längsachse herum ist eine Umfangsrichtung definiert. Erfindungsgemäß können auch mehrere Nuten in Umfangsrichtung verteilt im Gewinde ausgebildet werden. Durch die zumindest eine Nut besitzt das Gewinde einen zusätzlichen mechanischen Freiheitsgrad und kann durch elastische und plastische Verformung den Anpressdruck reduzieren, wodurch eine Kaltverschweißung effektiv vermieden wird.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung. Bevorzugt ist vorgesehen, dass eine Länge der Nut über zumindest zwei, vorzugsweise über zumindest drei, besonders vorzugsweise über zumindest vier, Gewindegänge des Gewindes reicht. Die Länge der Nut wird dabei in Richtung der Längsachse gemessen. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Nut zumindest teilweise in den dem
Brennraum zugewandten Drittel des Gewindes angeordnet ist. Insbesondere verläuft die Nut durch den ersten Gewindegang auf der Brennraumseite.
Durch diese Anordnung der zumindest einen Nut auf der Brennraumseite des Gewindes wird die Kaltverschweißung effektiv vermieden. Für Gewindegänge mit größerem Abstand zum Brennraum ist, aufgrund der deutlich geringeren Anpresskräfte zwischen den Gewindeflanken von Zündkerze und Zylinderkopf, die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten einer Kaltverschweißung geringer.
Eine Breite der Nut wird in Umfangsrichtung gemessen. Die Breite der Nut liegt bevorzugt zwischen 1 % und 10% der Länge der Nut. Insbesondere liegt die Breite der Nut zwischen 0,1 mm und 2 mm. Dadurch ist ein ausreichender Spielraum für eine elastische oder plastische Verformung des Gewindes gegeben, so dass der Anpressdruck reduziert werden kann. Eine Tiefe der Nut wird in Radialrichtung gemessen. Die Tiefe der Nut beträgt zumindest 50%, vorzugsweise zumindest 100%, besonders vorzugsweise zumindest 1 10%, einer Flankenhöhe des Gewindes. Besonders bevorzugt ist die Nut so tief, dass sie das Gehäuse vollständig durchschneidet: Das Gehäuse ist dabei insbesondere hohlzylindrisch und die Nut durschneidet die vollständige Mantelfläche der hohlzylindrischen Form in Radialrichtung. Die entsprechend tiefe Ausbildung der Nut gewährleistet eine ausreichend elastische oder plastische Verformbarkeit des Gewindes, um die Kaltverschweißung zu vermeiden. Die Zündkerze umfasst bevorzugt einen hohlen Isolator, der in das Gehäuse eingesetzt ist. In den hohlen Isolator ist eine Mittenelektrode eingesetzt. Diese Mittenelektrode erstreckt sich in Richtung der Längsachse. Der Isolator liegt an einem Dichtsitz auf dem Gehäuse auf. Dieser Dichtsitz gewährleistet eine Abdichtung zwischen dem Brennraum und einer brennraumabgewandten Seite der Zündkerze. Die Nut ist bevorzugt zwischen einem brennraumseitigen Ende des Gehäuses und diesem Dichtsitz angeordnet. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Nut sich ausschließlich in dem Bereich zwischen dem
brennraumseitigen Ende des Gehäuses und dem Dichtsitz erstreckt. Besonders bevorzugt beträgt die Länge der Nut maximal 90% des Abstandes zwischen dem brennraumseitigen Ende des Gehäuses und dem Dichtsitz. Die Länge der Nut und der Abstand werden dabei in Richtung der Längsachse gemessen.
Die zumindest eine Nut wird vorteilhafterweise in das Gewinde des Gehäuses eingefräst.
Kurze Beschreibung der Zeichnung Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. Dabei zeigen:
Figur 1 eine erfindungsgemäße Zündkerze gemäß
Ausführungsbeispiel,
Figur 2 ein Detail aus Figur 1 ,
Figur 3 das Gewinde der erfindungsgemäßen Zündkerze gemäß dem
Ausführungsbeispiel, und
Figur 4 ein Diagramm zur Berechnung der mechanischen Spannung im
Gewinde einer herkömmlichen Zündkerze. Ausführungsform der Erfindung
Nachfolgend wird anhand der Figuren 1 bis 3 ein Ausführungsbeispiel einer Zündkerze 1 gezeigt. Gemäß Figur 1 umfasst die Zündkerze 1 ein Gehäuse 2. An dem Gehäuse 2 ist ein Gewinde 3 zum Einschrauben der Zündkerze 1 in eine Brennkraftmaschine ausgebildet. Das Gehäuse 2 erstreckt sich entlang einer Längsachse bzw.
Längsrichtung 24. Um die Längsrichtung 24 ist eine Umfangsrichtung 25 definiert. Senkrecht zur Längsrichtung 24 ist eine Radialrichtung 26 definiert.
In dem Gehäuse steckt ein hohler Isolator 4. In dem Isolator 4 steckt eine Mittenelektrode 5. Die Mittenelektrode 5 ragt an einer Brennraumseite 9 aus dem Gehäuse 3 heraus. Des Weiteren ist auf der Brennraumseite 9 eine
Masseelektrode 6 elektrisch leitend mit dem Gehäuse 3 verbunden. Zwischen dem brennraumseitigen Ende der Mittenelektrode 5 und der Masseelektrode 6 ist ein Spalt ausgebildet. In diesem Spalt wird der Zündfunken erzeugt.
An dem Gehäuse 2 ist ein Mehrkant 7 zum Einschrauben der Zündkerze 1 ausgebildet. An einer brennraumabgewandten Seite 10 der Zündkerze 1 ist ein Anschluss 8 zum Kontaktieren der Mittenelektrode 5 ausgebildet. Figur 2 zeigt einen Detailausschnitt aus Figur 1 . Gemäß Figur 2 liegt der Isolator 4 an einem Dichtsitz 1 1 auf dem Gehäuse 2 auf. An der Brennraumseite 9 weist das Gehäuse 2 ein brennraumseitiges Ende 12 auf. Die Strecke zwischen dem brennraumseitigen Ende 12 und dem Dichtsitz 1 1 ist als Abstand 13 definiert, der parallel zur Längsrichtung 24 gemessen wird.
Figur 3 zeigt im Detail das Gewinde 3. In dem Gewinde 3 ist zumindest eine Nut 14 ausgebildet. Die Nut 14 erstreckt sich entlang der Längsrichtung 24 über eine Länge 15. In Umfangsrichtung 25 ist eine Breite 16 der Nut 14 definiert. Eine Tiefe der Nut 14 erstreckt sich in Radialrichtung 26. Des Weiteren zeigt Figur 3 eine Flankenhöhe 17 des Gewindes 3.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel beginnt die Nut 14 am brennraumseitigen Ende 12 und erstreckt sich über fünf Gewindegänge.
Durch die Nut 14 ist eine elastische oder plastische Verformung des Gewindes 3 möglich, so dass der Anpressdruck an den gegenüberliegenden Flanken reduziert ist. Dadurch wird eine Kaltverschweißung mit dem Innengewinde des Zylinderkopfes vermieden.
Figur 4 zeigt ein Diagramm zur Berechnung der Spannung im Gewinde einer herkömmlichen Zündkerze.
Die X-Achse 18 zeigt die berechnete Spannung in MPa. An der Y-Achse 19 sind fünf Berechnungsstellen 20 aufgetragen. Die rechte Darstellung in Figur 4 zeigt einen Ausschnitt aus einem herkömmlichen Gewinde 24 ohne Nut. Die fünf gezeigten Berechnungsstellen 20 finden sich in dem Diagramm wieder.
Das Diagramm zeigt für die fünf Berechnungsstellen 20 jeweils einen ersten Bereich 21 für eine Zylinderkopftemperatur von 22°C, einen zweiten Bereich 22 für eine Zylinderkopftemperatur von 80°C und einen dritten Bereich 23 für eine Zylinderkopftemperatur von 120°C.
Gemäß dem Diagramm in Figur 4 treten die höchsten Spannungen in den brennraumnahen Gewindegängen bei einer erhöhten Temperatur des
Zylinderkopfes auf. Des Weiteren ist dem Diagramm zu entnehmen, dass im kalten Zustand (im ersten Bereichen 21 ) die vom Brennraum am weitesten entfernten Gewindegänge die relativ höchste Presskraft bzw. Spannung auf den Gewindeflanken, aufweisen. Dieser Zustand ändert sich bei Motorbetrieb grundlegend. An der Brennraumseite 9 herrschen im Betrieb des Motors die höchste Absoluttemperatur (zweiter Bereich 22 und dritter Bereich 23) und durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungen von Zündkerzen- und
Zylinderkopfmaterial somit auch die absolut höchsten Spannungen.
Dementsprechend tritt die Kaltverschweißung an den brennraumnahen
Gewindegängen auf.
Versuche haben gezeigt, dass in der Realität vor allem in den zweiten bis fünften Gewindegängen, gesehen von der Brennraumseite, die höchste
Kaltverschweißung auftritt. Deshalb ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass sich die Nut 14 von der Brennraumseite über mehrere Gewindeflanken erstreckt. Durch die Nut 14 kann das Gewinde dem erhöhten Anpressdruck mechanisch ausweichen, so dass eine Kaltverschweißung vermieden wird.

Claims

Ansprüche
1 . Zündkerze (1 ) für eine Brennkraftmaschine, umfassend
ein Gehäuse (2) mit einem Gewinde (3) zum Einschrauben der Zündkerze (1 ) in eine Brennkraftmaschine, wobei das Gewinde (3) konzentrisch um eine sich in Längsrichtung (24) erstreckende Längsachse des Gehäuses
(29) ausgebildet ist,
zumindest zwei in oder am Gehäuse (2) angeordnete Elektroden (5, 6), die auf einer Brennraumseite (9) der Zündkerze (1 ) zum Erzeugen eines Zündfunkens ausgebildet sind, und
- zumindest eine sich in Längsrichtung (24) erstreckende Nut (14) im Gewinde (3).
2. Zündkerze nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Länge (15) der Nut (14), gemessen Längsrichtung (24), über zumindest zwei, vorzugsweise über zumindest drei, besonders vorzugsweise über zumindest vier,
Gewindegänge des Gewindes 3 reicht.
3. Zündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Nut (14) zumindest teilweise in dem dem Brennraum zugewandten Drittel des Gewindes (3) angeordnet ist.
4. Zündkerze nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (14) durch den ersten Gewindegang auf der Brennraumseite (9) verläuft.
5. Zündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass eine Breite (16) der Nut, gemessen in einer
Umfangsrichtung (25), zwischen 1 % und 10% der Länge (15) der Nut, gemessen der Längsrichtung (24), beträgt.
6. Zündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Breite (16) der Nut (14), gemessen in der
Umfangsrichtung (25), zwischen 0,1 mm und 2mm beträgt.
7. Zündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass eine Tiefe der Nut (14), gemessen in einer Radialrichtung (26), zumindest 50 %, vorzugsweise zumindest 100%, besonders vorzugsweise zumindest 1 10%, einer Flankenhöhe (17) des Gewindes (3) beträgt.
8. Zündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass eine der Elektroden eine sich in Längsrichtung (14) erstreckende Mittenelektrode (5) ist, wobei zwischen der Mittenelektrode (5) und dem Gehäuse (2) ein Isolator (4) angeordnet ist, wobei der Isolator (4) an einem Dichtsitz (1 1 ) auf dem Gehäuse (2) aufliegt, und wobei die Nut (14) zwischen einem brennraumseitigen Ende (12) des Gehäuses (2) und dem Dichtsitz (1 1 ) angeordnet ist.
9. Zündkerze nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (14) ausschließlich zwischen dem brennraumseitigen Ende (12) des Gehäuses (2) und dem Dichtsitz (1 1 ) angeordnet ist.
10. Zündkerze nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (15) der Nut (14) maximal 90% eines Abstands (13) zwischen dem brennraumseitigen Ende (12) des Gehäuses (2) und dem Dichtsitz (1 1 ) beträgt, wobei die Länge (15) der Nut (14) und der Abstand (13) in Längsrichtung (24) gemessen werden.
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