Hochspannungszündkerze

Abstract

 Hochspannungszündkerze, die zum Zünden von Kraftstoffdampf-Luft-Gemischen in Brennkraftmaschinen dient. Die Zündkerze (10) hat bekannterweise ein Metallgehäuse (11), mit dem abdichtend ein Isolierkörper (15) umfaßt ist. Dieser Isolierkörper (15) enthält in einer Längsbohrung (18) eine brennraumseits angeordnete Mittelelektrode (21), welche einerseits - zumeist über einen elektrisch leitfähigen Glasschmelzfluß (20) - mit einem Anschlußbolzen (19) verbunden ist und andererseits mit Abstand einer drahtförmigen Masseelektrode (16) gegenübersteht. Die Isolierkörper-Stirnfläche geht über eine koaxiale Schräge, bevorzugt über eine koaxiale Einkehlung in den Isolierkörper-Schaft über. Die Mittelelektrode (21) besitzt bevorzugt einen flachen, auf der Isolierkörper-Stirnfläche angeordneten Kopf, hat einen dünnen Schaft und besteht vorzugsweise aus einem Edelmetall; sie kann aber auch aus einer elektrisch leltenden Keramik, bzw. einem Cermet bestehen oder auch eine Leiterbahn sein. Die erfindungsgemäße Zündkerze hat vorzügliche Eigenschaften bezüglich ihres Nebenschlußverhaltens, hinsichtlich Glühzündungen, Entflammungssicherheit und Zündspannungsbedarf, hat eine überdurchschnittlich hohe Lebensdauer und ist industriell relativ kostengünstig zu fertigen.

Beschreibung

Stand der Technik

[0001] Die Erfindung geht aus von einer Hochspannungszündkerze nach der Gattung des Hauptanspruchs. Eine solche Zündkerze, die schon aus der US-PS 2 265 352 bekannt ist, neigt jedoch zu unerwünschten Gleitfunkenentladungen und demzufolge zu Zündaussetzern, weil sich auf dem balligen, brennraumseitigen Mittelelektroden- und Isolierkörper-Bereich oftmals elektrischleitfähige Verbrennungsrückstände absetzen; darüber hinaus haben derartige Zündkerzen ein unbefriedigendes Zündverhalten, einen relativ hohen Zündspannungsbedarf und sie sind wegen ihres mehrschichtigen Aufbaus im Mittelelektroden-Bereich sowohl stoff- als auch lohnintensiv.

[0002] Weiterhin ist es bekannt (US-PS 2 251 179) bei Zündkerzen eine solche Mittelelektrode zu verwenden, die mit einem ebenen Kopf die brennraumseitige Stirnfläche des Isolierkörpers bedeckt. Derartige Zündkerzen neigen zwar weniger zu Gleitfunkenentladungen, doch ist auch bei diesen Zündkerzen das Zündverhalten nicht befriedigend; das unbefriedigende Zündverhalten ist wahrscheinlich auf die brennraumseitige Gestaltung der Zündkerze zurückzuführen, z.B. auf die voluminöse Ausbildung des Isolators, der bei Kaltstart erst relativ spät seine Freibrenntemperatur erreicht, wahrscheinlich auch auf eine ungünstige Führung des Kraftstoffdampf-Luft-Gemisches im Bereich der Funkenstrecke.

Vorteile der Erfindung

[0003] Die erfindungsgemäße Hochspannungszündkerze mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß sie aufgrund der Gestaltung ihres Zündbereiches (Mittelelektrode, Isolierkörper, Masseelektrode) ein bei allen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine günstiges Zündverhalten zeigt, einen normalen Zündspannungsbedarf hat, nicht zu Gleitfunkenentladungen und somit nicht zu Zündaussetzern neigt und für eine industrielle Fertigung sowohl fertigungstechnisch als auch kostenmäßig gut geeignet ist; es sei außerdem erwähnt, daß diese Zündkerze eine verhältnismäßig hohe Lebensdauer aufweist, bei Kaltstart und Schiebebetrieb von Brennkraftmaschinen keine Probleme hinsichtlich ihrer Freibrenntemperatur hat und unter Last der Brennkraftmaschine auch nicht zu Glühzündungen neigt.

[0004] Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Zündkerze möglich. Besonders vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Zündkerze bei Verwendung von Edelmetallen für die Mittelelektrode: der Bedarf an teueren Edelmetallen kann nämlich erheblich verringert werden, wenn ein dünner Edelmetall-Nagel, mit Edelmetall versetzte Keramik oder eine Edelmetall enthaltende Leiterbahn als Mittelelektrode Verwendung findet.

Zeichnung

[0005] Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 einen Teilschnitt durch den vergrößert dargestellten Zündbereich einer Zündkerze, Figur 2 einen Teilschnitt durch die Zündkerze nach Figur 1 entlang der Schnittlinie A/B, Figur 3 einen weiter vergrößert dargestellten Schnitt durch den brennraumseitigen Endabschnitt von Isolator und Mittelelektrode der Zündkerze nach den Figuren 1 und 2 (Edelmetallnagel als Mittelelektrode), Figur 4 ein noch weiter vergrößert dargestellter, brennraumseitiger Endabschnitt des Zündkerzen-Isolators mit dem Prinzip einer vorteilhaften Möglichkeit zum Einführen einer nagelförmigen Edelmetallelektrode, Figur 5 eine andere Ausführungsform des in Figur 3 dargestellten Zündkerzenbereichs (Edelmetallnagel mit hohlem Schaft als Mittelelektrode) und Figur 6 eine zusätzliche Ausführungsform eines brennraumseitigen Endabschnitts eines Zündkerzen-Isolators mit Mittelelektrode (als Edelmetall-Suspension eingeführte Mittelelektrode).

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

[0006] Der in den Figuren 1 und 2 gezeigte, brennraumseitige Abschnitt der erfindungsgemäßen Zündkerze 10 besitzt ein Metallgehäuse 11, das an seiner Außenseite ein Einschraubgewinde 12 und ein nicht mehr in den Figuren 1 und 2 erfaßtes Schlüsselsechskant für den Einbau der Zündkerze 10 in einem nicht dargestellten Motorkopf aufweist; für den Einbau dieser Zündkerze 10 mit Flachdichtsitz im Motorkopf ist am anschlußseitigen Ende des Einschraubgewindes 12 ein metallischer Dichtring 13 vorgesehen. Das Metallgehäuse 11 umfaßt mit seiner Durchgangsbohrung 14 in bekannter Weise einen rotationssymmetrischen Isolierkörper 15 und trägt an seinem brennraumseitigen Ende eine drahtförmige Masseelektrode 16. Der Isolierkörper 15, der beispielsweise im wesentlichen aus Aluminiumoxyd besteht, bekannterweise durch Bördeln und Warmschrumpfen - gegebenenfalls unter Zwischenschaltung von Dichtringen 17 - in der Gehäuse-Durchgangsbohrung 14 abdichtend fixiert ist, weist eine stufenförmige Längsbohrung 18 auf; der Isolierkörper 15 kann aber auch durch Einkitten oder ähnliches im Megallgehäuse 11 abdichtend festgelegt sein. Der anschlußseitige Bereich dieser Isolierkörper - Längsbohrung 18 hat einen größeren Durchmesser als die sich brennraumseits anschließenden Bereiche, - nimmt den brennraumseitigen Abschnitt eines metallischen Anschlußbolzens 19 auf und ist mit 18/1 bezeichnet. Der sich brennraumseits anschließende Bereich der Isolierkörper-Längsbohrung 18 enthält in bekannter Weise einen elektrisch leitfähigen Glasschmelzfluß 20 - kann zusätzlich aber auch Widerstandselemente enthalten - und ist mit 18/2 bezeichnet. Der brennraumseitige Bereich hat den kleinsten Durchmesser dieser Isolierkörper-Längsbohrung 18, dient zur Aufnahme der Mittelelektrode 21 und ist mit 18/3 bezeichnet. Der anschlußseitige Bereich der Isolierkörper-Längsbohrung 18/1, in die der aus unlegiertem Stahl bestehende und vorzugsweise mit einer Rändelung oder einem Gewinde versehene Anschlußbolzen mit einem Durchmesser von etwa vier Millimeter ragt, hat einen Durchmesser von etwa 4,5 Millimeter. Der sich brennraumseits anschließende Längsbohrungs-Bereich 18/2 hat einen Durchmesser von 2 Millimeter, verjüngt sich brennraumseits um etwa 0,5 Millimeter und geht über eine Schulter 22 in den brennraumseitigen Bereich 18/3 der Isolierkörper-Längsbohrung 18 über; der brennraumseitige Bereich 18/3 der Isolierkörper-Längsbohrung 18 hat einen Durchmesser von etwa 0,3 Millimeter. Die Mittelelektrode 21, die aus einem Edelmetall - bevorzugt einem Platinmetall - besteht, setzt sich (siehe Figur 3) aus einem Schaft 23 und einem flachen Kopf 24 zusammen und ragt mit dem freien Endabschnitt des Schaftes 23 ebenso wie der brennraumseitige Endabschnitt des Anschlußbolzens 19 in den elektrisch leitfähigen Glasschmelzfluß 20; ein geeigneter Glasschmelzfluß 20 ist beispielsweise aus der US-Patentschrift 3 909 459 bekannt. Die Mittelelektrode 21, deren Schaft 23 einen Durchmesser von nur 0,3 Millimeter hat und sich an ihrem freien Endabschnitt bevorzugterweise verjüngt, verläuft spaltlos durch den etwa 1 Millimeter langen brennraumseitigen Längsbohrungsbereich 18/3 und liegt mit ihrem Kopf 24 auf der brennraumseitigen Stirnfläche 25 des Isolierkörpers 15 auf. Der Mittelelektroden-Kopf 24 hat einen Durchmesser von 0,5 Millimeter und ist nur etwa 0,1 Millimeter hoch. Die Isolierkörper-Stirnfläche 25 ist im wesentlichen eben und hat einen Durchmesser von 2 Millimeter; je nach Anwendungsfall kann der Mittelelektroden-Kopf 24 auch größer ausgeführt werden, jedoch überragt er in keinem Fall den maximalen Durchmesser der Isolierkörper-Stirnfläche 25 von 4 Millimeter. Es sei erwähnt, daß der Durchmesser der Isolierkörper-Stirnfläche 25 zumeist zwischen 1,5 und 3 Millimeter, bevorzugt aber zwischen 2 und 2,5 Millimeter liegt. Die brennraumseitige Stirnfläche 25 des Isolierkörpers 15 geht in eine flache, koaxial zur Stirnfläche 25 angeordnete Einkehlung 26 über, die am brennraumseitigen Endabschnitt des Isolierkörpers 15 Übergangskanten 27 und 28 bildet. Die in Längsrichtung der Zündkerze 10 gemessene Höhe von der Isolierkörper-Stirnfläche 25 bis zur Über_vgangskante 28 beträgt 1,5 Millimeter, kann jedoch zwischen 0,8 und 3,0 Millimeter liegen; die von einer gedachten Linie zwischen den Übergangskanten 27 und 28 gemessene maximale Tiefe der Einkehlung 26 beträgt 0,8 Millimeter, liegt bevorzugt jedoch im Bereich von 0,4 mm. Der im Bereich der Übergangskante 28 vorliegende Durchmesser des Isolierkörpers 15 ist abhängig vom Anwendungsfall der Zündkerze 10 und beträgt im vorliegenden Beispiel 4,5 Millimeter; der Durchmesser in diesem Bereich des Isolierkörpers 15 kann zwischen 3,0 und 7,0 Millimeter betragen. Anstelle einer flachen Einkehlung 26 kann im Grenzfalle auch ein kegelstumpfförmiger Übergang von der Kante 27 zur Kante 28 vorhanden sein.

[0007] Die Mittelelektrode 21 wird mit ihrem Schaft 23 bevorzugt derart in den brennraumseitigen Bereich 18/3 der Isolierkörper-Längsbohrung 18 spaltfrei eingebaut, daß sie brennraumseits in den Längsbohrungsbereich 18/3 des vorgesinterten Isolierkörper 15 eingeführt und gemeinsam mit diesem fertiggesintert wird. Wie aus der Figur 4 ersichtlich, ist das Einführen der Mittelelektrode 21 in den brennraumseitigen Bereich 18/3 der Isolierkörper-Längsbohrung 18 dadurch rationell zu machen, daß der Querschnitt eines aus Edelmetall bestehenden Drahts 29 mittels eines Hämmer- oder Rolliervorganges in entsprechendem Abstand mit ringförmigen Kerben 30 versehen wird, die gleichzeitig einen als Mittelelektroden-Kopf 24 bildenden Wulst und eine Verjüngung des Mittelelektroden-Schaftes 23 formen; nach dem Einführen der vorderen am Draht 29 befindlichen Mittelelektrode 21 in den brennraumseitigen Bereich 18/3 der Isolierkörper-Längsbohrung 18 können die am Kopf 24 dieser Mittelelektrode 21 anschließenden Mittelelektroden 21 durch Abbrechen o.ä. von der vorderen Mittelelektrode 21 abgetrennt werden. Durch Stauchen des über die brennraumseitige Stirnfläche 25 des Isolierkörpers 15 herausragenden Mittelelektroden-Kopfes 24 kann der Mittelelektroden-Kopf 24 im Durchmesser nachgeformt oder vergrößert werden; es besteht auch die Möglichkeit, den vorgeformten Mittelelektroden-Kopf 24 vor dem Stauchen zu erwärmen, gegebenenfalls sogar bis zu einer Temperatur, die ihn in den Bereich von teigig bis schmelzflüssig bringt. Die vorstehend beschriebenen Arbeitsgänge sind in einer industriellen Fertigung einfach zu automatisieren.

[0008] Im Falle, daß die brennraumseitige Stirnfläche 25 des Isolierkörpers 15 einen relativ großen Durchmesser hat (z.B. 3,8 Millimeter) und der Kopf 24 der Mittelelektrode 21 für den entsprechenden Anwendungsfall (z.B. wegen eines erforderlichen großen Verschleißvolumens) einen Großteil der Stirnfläche 25 bedecken muß, kann der Mittelelektroden-Kopf 24 durch Verbinden mit zusätzlichem Elektrodenmaterial großflächiger gestaltet werden; zusätzliches Elektrodenmaterial kann dabei dadurch an den vorgeformten Mittelelektroden-Kopf 24 angebracht werden, daß ein aus Elektrodenmaterial bestehendes (nicht dargestelltes) Blech mit dem Mittelelektroden-Kopf 24 verschweißt wird, oder daß auf die Stirnfläche 25 das Edelmetall als Suspension oder mittels Elektrolyse (Schmelzflußelektrolyse, galvanische Elektrolyse) aufgebracht wird. Die Höhe des fertigen Mittelelektroden-Kopfes 24 beträgt bevorzugt 0,1 Millimeter, kann jedoch - je nach Anwendungsfall - bis zu etwa einem Millimeter dick sein.

[0009] Dem Mittelelektroden-Kopf 24 steht mit einem die Funkenstrecke 31 bildenden Abstand von 0,8 Millimeter der Endabschnitt der Masseelektrode 16 gegenüber, welcher breiter ist als der Durchmesser der brennraumseitigen Stirnfläche 25 des Isolierkörpers 15; im vorliegenden Beispiel hat die Masseelektrode 16 eine Breite von 2,5 Millimeter. Die Breite der Masseelektrode 16 ist dem Anwendungsfall der Zündkerze 10 anzupassen. Diese Masseelektrode 16 besteht in bekannter Weise aus einem korrosionsfesten Metall und ist am Zündkerzen-Gehäuse 11 zumeist durch Schweißen befestigt.

[0010] Nachfolgend sind weitere vorteilhafte Ausführungsformen für die Gestaltung und den Einbau der Mittelelektrode 21 beschrieben:

Anstelle einer massiven Mittelelektrode 21 aus Platin kann (siehe Figur 5) eine Mittelelektrode 21' mit einem hohlen Schaft 23' Verwendung finden. Der Schaft 23' ist dabei an seinem freien Endabschnitt geschlossen und zum Kopf 24' hin offen; diese Art Mittelelektrode 21' läßt sich ebenfallsindustriell gut in den Isolierkörper 15' einführen. - Während bei dem Ausführungsbeispiel nach den Figuren 1 bis 4 die Mittelelektrode 21 anläßlich der Montage der Zündkerze 10 in den vorgesintertenIsolierkörper 15 eingefügt wird, besteht jedoch auch die Möglichkeit, die Mittelelektrode 21 bzw. 21' bereits in den noch ungesinterten Isolierkörper 15 hineinzudrücken. Bekannt ist es auch bereits, anstelle einer nagelförmigen Mittelelektrode 21 bzw. 21' nur einen Abschnitt eines Edelmetall-Drahtes zu verwenden; ein solcher Draht wird in vorteilhafter Weise bereits beim Pressen des Isolierkörpers 15 in dessen brennraumseitigen Bereich mit eingepreßt.

[0011] Eine weitere Ausführungsform (nicht dargestellt) zur Herstellung einer geeigneten Mittelelektrode kann derart erfolgen, daß auf einen elektrisch nicht leitenden Stab eine elektrisch leitfähige Oberfläche aufgebracht wird (z.B. aus Platin), und daß diese Art Mittelelektrode anstelle einer metallischen Mittelelektrode 21, 21' in den Isolierkörper 15 eingebracht wird (siehe DE-OS 30 38 720). Als Mittelelektrode 21 kann ebenfalls elektrisch leitfähige, keramische Masse verwendet werden (siehe DE-PS 405 342 oder als Beispiel eine Mischung aus 75 % A1₂0₃, 20 % Cu₂0 und 5 % Cr₂0₃) oder eine Mittelelektrode 21 aus einem Cermet (z.B. bestehend aus 60 % Al₂0₃ und 40 % Platin), gegebenenfalls kann einem solchen Cermet auch noch ein anderes Metall wie z.B. Palladium zugefügt werden (siehe DE-OS 27 29 099).

[0012] Die letztgenannten, Keramik enthaltenden Mittelelektroden 21 haben den Vorteil, daß sie mit ihrem Wärmeausdehnungskoeffizienten besser der Keramik des Isolierkörpers 15 angepaßt werden können als metallische Mittelelektroden 21. Die bislang beschriebenen Mittelelektroden 21 ,.. wurden in den Isolierkörper 15, 15' spaltlos eingesintert, sie können alternativ aber auch in dem fertiggesinterten Isolierkörper 15, 15' in bekannter Weise mittels Glas oder Kitt spaltlos befestigt werden.

[0013] In der Figur 6 ist eine weitere Variante für den Einbau einer Mittelelektrode 21" in einen Isolierkörper 15" dargestellt: Diese Mittelelektrode 21" wird dadurch hergestellt, daß in den brennraumseitigen Bereich 18/3" der Isolierkörper-Längsbohrung 18 eine Edelmetall-Suspension (bevorzugt eine Platin-Suspension) eingebracht und eingesintert wird; wird die Edelmetall-Suspension in den noch nicht fertiggesinterten Isolierkörper 15" eingetropft, so erfolgt das Fertigsintern gemeinsam mit dem Fertigsintern des Isolierkörpers 15". Die Edelmetall-Suspension kann aber auch erst dann in den brennraumseitigen Bereich 18/3" der Isolierkörper-Längs- .bohrung 18 nach irgendeinem bekannten Verfahren eingebracht werden, nachdem der Isolierkörper 15" bereits fertiggesintert ist; in diesem Falle bedarf die Mittelelektrode 21" zu ihrer Fertigstellung eines zusätzlichen Sintervorganges.

[0014] Dieses zuletzt beschriebene Verfahren eignet sich besonders dann zur Herstellung derartiger Zündkerzen 10, wenn die Mittelelektrode 21" mit einem relativ großflächigem Kopf 24" versehen werden soll, denn mit der gleichen Edelmetall-Suspension kann dann im gleichen Arbeitsgang ein solcher Kopf 24" mit aufgebracht werden. Es sei ergänzt, daß auch auf den vorstehend beschriebenen Mittelelektroden, die nicht aus massivem Metall bestehen, ebenfalls eine Vergrößerung ihres Mittelelektroden-Kopfes mittels einer solchen Edelmetall-Suspension hergestellt werden kann oder daß auch eine Vergrößerung des Mittelelektroden-Kopfes durch Aufbringen einer elektrisch leitfähigen Schicht mittels Schmelzflußelektrolyse bzw. galvanischer Elektrolyse oder - bei Verwendung eines Cermets - sogar durch Aufschweißen eines Edelmetall-Bleches vorgenommen werden kann. - Eine Mittelelektrode 21 mit einem im Durchmesser relativ großen und eventuell in der Dicke auch bis zu 1 Millimeter verstärktem Kopf 24 bringt den zusätzlichen Vorteil großer Lebensdauer.

Ansprüche

1. Hochspannungszündkerze mit einem metallischen, im wesentlichen rohrförmigen Gehäuse, das auf seiner Außenseite Mittel für den Einbau in eine Brennkraftmaschine besitzt, in seiner Durchgangsbohrung einen im wesentlichen rotationssymmetrischen Isolierkörper abdichtend umfaßt und an seinem brennraumseitigen Endabschnitt eine Masseelektrode besitzt, die mit Abstand (Funkenstrecke) einer Mittelelektrode gegenübersteht, welche abgedichtet und brennraumseits spaltlos in einer Längsbohrung des Isolierkörpers fixiert ist, elektrisch leitend mit einem aus dem anschlußseitigen Ende des Isolierkörpers herausragenden Anschlußbolzen in Verbindung steht und die brennraumseitige Stirnfläche des Isolierkörpers um maximal ein Millimeter überragt, dadurch gekennzeichnet, daß der brennraumseitige Abschnitt des Isolierkörpers (15, 15') eine koaxiale Schräge bzw. bevorzugt eine koaxiale Einkehlung (26) als Übergang aufweist.

2. Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnfläche (25) des Isolierkörpers (15, 15') einen Durchmesser zwischen 1,5 und 3 Millimeter, bevorzugt zwischen 2 und 2,5 Millimeter hat, daß dabei die Tiefe einer Einkehlung maximal 0,8 Millimeter, bevorzugt etwa 0,4 Millimeter beträgt und daß außerdem die in Längsrichtung der Mittelelektrode (21, 21') gemessene Höhe der Schräge bzw. der Einkehlung (26) zwischen 1 Millimeter und 2,5 Millimeter, bevorzugt um etwa 1,5 Millimeter liegt.

3. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der in der Isolierkörper-Längsbohrung (18) befindliche Abschnitt der Mittelelektrode (21, 21', 21") aus Metall - bevorzugt einem Edelmetall -, einer elektrisch leitenden Keramik, aus einem Cermet besteht oder eine Leiterbahn ist.

4. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelelektrode (21, 21',21") einen flachen Kopf (24, 24', 24") aufweist, der auf der brennraumseitigen Isolierkörper-Stirnfläche (25) angeordnet ist und nicht über diese Stirnfläche (25) hinausragt.

5. Zündkerze nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelelektrode (21, 21') ein metallischer Nagel ist, gegebenenfalls mit einem Hohlschaft (23'), welcher zum Kopf (24') hin offen und zum freien Endabschnitt hin geschlossen ist und sich vorzugsweise zum freien Endabschnitt hin verjüngt.

6. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelelektrode (21, 21') einen Schaft (23, 23') mit einem Durchmesser von maximal 0,5 Millimeter hat und bevorzugt aus einem Edelmetall (z.B. Platinmetall) besteht.

Zeichnung