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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zündkerze für eine Verbrennungskraftmaschine sowie eine Zündkerzenanordnung mit der erfindungsgemäßen Zündkerze.
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Der Stand der Technik kennt Zündkerzen mit Widerstandspanat im Isolator zur Reduzierung des Funkenabbrandes und zur Entstörung. Die Temperaturbelastung durch den Zündstrom und die Verbrennungswärme können zur Oxidation des Widerstandspanatpaketes führen und damit zur Erhöhung des Widerstandes. Diese Widerstandserhöhung kann bis zum Sperren des Zündstromes führen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Zündkerze mit den Merkmalen des Anspruchs 1 kann durch eine Vergrößerung des Widerstandspanates insbesondere für Stationärmotoren verwendet werden und erreicht dabei eine Laufleistung größer 2000 Stunden. Darüber hinaus ist bei der erfindungsgemäßen Zündkerze die Isolator-Durchschlagfestigkeit bei Verwendung typischer Zündanlagen für Stationärmotoren ausreichend. Diese Vorteile werden erreicht durch die erfindungsgemäße Zündkerze für eine Verbrennungskraftmaschine, mit einem Isolator, umfassend eine zum Auflegen einer Spannmutter oder eines Gehäuses ausgebildete Isolatorschulter mit einem ersten Außendurchmesser, einen sich an die Isolatorschulter anschließenden brennraumferneren Isolatorkopf mit einem zweiten Außendurchmesser, welcher kleiner als der erste Außendurchmesser ist und einen durchgehenden Hohlraum im Isolator. Der Isolatorkopf schließt sich bevorzugt auf der brennraumfernen Seite der Isolatorschulter direkt an die Isolatorschulter an. Darüber hinaus umfasst die erfindungsgemäße Zündkerze einen Anschlussbolzen, ein Panat, eine Mittelelektrode und eine Masseelektrode. Das Panat umfasst ein erstes Kontaktpanat kontaktiert mit dem Anschlussbolzen, ein zweites Kontaktpanat kontaktiert mit der Mittelelektrode und ein zwischen dem ersten Kontaktpanat und dem zweiten Kontaktpanat angeordnetes Widerstandspanat. Der Anschlussbolzen, das Widerstandspanat sowie die Masseelektrode sind in dem Hohlraum in dem Isolator der Reihe nach angeordnet. Erfindungsgemäß weist das Widerstandspanat einen dritten Außendurchmesser auf, wobei ein Verhältnis dieses dritten Außendurchmessers zum zweiten Außendurchmesser am Isolatorkopf zwischen 0,35 und 0,7 liegt. Dieser dritte Außendurchmesser des Widerstandspanats entspricht einem Innendurchmesser des Hohlraums im Isolator auf Höhe des Widerstandspanats. Vorteilhafte Anwendung findet die erfindungsgemäße Zündkerze in sämtlichen Otto-Motoren. Besonders bevorzugt sind stationäre Otto-Gasmotoren, die z. B. Generatoren oder Kompressoren antreiben. Diese speziellen Anwendungen erfordern Zündkerzen mit Laufleistungen größer 2000 Stunden. Aufgrund der höheren Verdichtung bei Gasbetrieb sind höhere Zündspannungen und damit höhere Zündenergien nötig, die die Lebensdauer des Widerstandspanates zusätzlich reduzieren können. Die Stromleitung im Widerstandspanat findet entlang von elektrisch leitenden Bahnen, die sich zwischen nichtelektrisch leitenden Partikeln befinden, statt. Durch Vergrößerung des Widerstandspanatsquerschnittes stehen mehr elektrisch leitende Bahnen zur Verfügung. Die elektrische und thermische Belastung des Widerstandspanates wird durch eine Vergrößerung des Widerstandspanatquerschnittes, also des dritten Durchmessers, reduziert, wodurch die Lebensdauer der gesamten Zündkerze erhöht wird. Die Zündkerze kann in ihrer Gesamtabmessung nicht beliebig vergrößert werden, da sie im Zylinderkopf und insbesondere bei Direkteinspritzern sehr nah an der Einspritzanlage positioniert werden muss. Jedoch ist es nötig, dass die Isolierung eine gewisse Dicke aufweist, um einen Überschlag der Spannung zu verhindern. Es ist also wünschenswert, den Widerstandspanatdurchmesser zu vergrößern, wodurch jedoch bei gleichbleibender Außenabmessung der gesamten Zündkerze die Isolationsschicht verringert wird. Erfindungsgemäß wurde für diesen Zielkonflikt, insbesondere für stationär betriebene Otto-Gasmotoren, ein Verhältnis des dritten Außendurchmessers zum zweiten Außendurchmesser von 0,35 bis 0,7 gefunden. Das Kontaktpanat und das Widerstandspanat wird bevorzugt wie folgt hergestellt: Glaskörnchen werden mit elektrisch leitenden Partikeln, bevorzugt aus Kohlenstoff, paniert. Zur besseren Haftung zwischen den Glaskörnchen und den elektrisch leitenden Partikeln wird Klebstoff eingesetzt. Die panierten Glaskörnchen werden in den Hohlraum über der Mittenelektrode eingefüllt und bevorzugt verdichtet. Daraufhin wird der gesamte Keramikkörper der Zündkerze samt den panierten Glaskörnchen erhitzt. In die erhitzte Masse wird der Anschlussbolzen eingedrückt uns somit fest mit dem Panat verbunden. Durch eine unterschiedliche Konzentration der elektrisch leitenden Partikel im Widerstandspanat und im Kontaktpanat wird eine entsprechend unterschiedliche Leitfähigkeit eingestellt. Gleichzeitig dichtet das erstarrte Panat die Zündkerze ab. Somit stellt das Widerstandspanat einen elektrischen Widerstand zur Reduzierung des Funkenabbrandes und zur Entstörung dar.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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In weiterer bevorzugter Ausgestaltung beträgt das Verhältnis des dritten Außendurchmessers zum zweiten Außendurchmesser zwischen 0,4 und 0,65, insbesondere zwischen 0,45 und 0,6, insbesondere zwischen 0,5 und 0,55. Mit diesen Werten ist ein ausreichender Widerstandspanatquerschnitt bei einer gleichzeitig sicheren Isolatordicke und bei akzeptablen Außenabmessungen der Zündkerze möglich.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Anschlussbolzen an einer mit dem Panat, insbesondere dem ersten Kontaktpanat, in Kontakt stehenden Seiten einen vierten Außendurchmesser aufweist, wobei ein Verhältnis des vierten Außendurchmessers zum dritten Außendurchmesser zwischen 0,8 und 0,95, insbesondere zwischen 0,85 und 0,9 liegt. Der Anschlussbolzen befindet sich im Hohlraum im Isolator brennraumferner als das Widerstandspanat. Damit dieser Anschlussbolzen sicher im Panat sitzt, wird er vor dem Erstarren des ersten Kontaktpanats in selbiges hineingedrückt. Dadurch, dass der vierte Außendurchmesser etwas geringer ist als der dritte Außendurchmesser, kann das erste Kontaktpanat seitlich des Anschlussbolzens hinaufsteigen und umfasst im erstarrten Zustand den Anschlussbolzen.
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Ferner bevorzugt ist es, dass das Gehäuse oder die Spannmutter ein Außengewinde zum Einschrauben der Zündkerze in die Verbrennungskraftmaschine mit einem Nenndurchmesser umfassen, wobei ein Verhältnis des dritten Außendurchmessers zum Nenndurchmesser größer 0,3, insbesondere größer ein Drittel, insbesondere größer 0,4 und insbesondere größer 0,5 ist. Das erfindungsgemäß vergrößerte Widerstandspanat kommt besonders bevorzugt bei Zündkerzen mit einem Einschraubgewinde größer gleich 18 mm zum Einsatz. Gegenüber herkömmlichen Zündkerzen mit Einschraubgewinde 14 mm vergrößert sich somit der dritte Durchmesser von ca. 4,5 mm auf größer oder gleich 6 mm.
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Des Weiteren ist bevorzugt der dritte Außendurchmesser größer oder gleich 6 mm, insbesondere größer oder gleich 6,5 mm und insbesondere größer oder gleich 7 mm. Je größer der Querschnitt des Widerstandspanates ist, desto mehr elektrisch leitende Bahnen stehen zur Verfügung. Dadurch sinkt die elektrische und thermische Belastung des Widerstandspanates und letztendlich erhöht sich die Lebensdauer der Zündkerze.
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Darüber hinaus ist bevorzugt der zweite Außendurchmesser größer oder gleich 13 mm, insbesondere größer oder gleich 14 mm, und insbesondere größer oder gleich 15 mm. Bei entsprechender Vergrößerung des dritten Außendurchmessers am Widerstandspanat muss auch der zweite Außendurchmesser am Isolatorkopf vergrößert werden, um eine ausreichende Isolation zu gewährleisten.
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In vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass sich der Hohlraum im Isolator an einem Übergang vom zweiten Kontaktpanat zur Mittelelektrode verjüngt, wobei die Verjüngung des Übergangs bevorzugt in mehreren Stufen und/oder über eine Schräge und/oder mit einem Radius ausgestaltet ist. Bevorzugt hat die Mittelelektrode auf ihrer brennraumfernen Seite einen etwas verbreiterten Kopf, mit dem sie einerseits in der Verjüngung im Isolatorhohlraum sitzt und andererseits in das zweite Kontaktpanat hineinragt. Diese Verjüngung kann bevorzugt über mehrere Stufen, eine Schräge, einen Radius oder eine Kombination davon ausgeführt sein.
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Ferner von Vorteil ist es, dass der Hohlraum über die gesamte Länge des Anschlussbolzens, des ersten Kontaktpanates und des Widerstandspanates bis zu dem soeben beschriebenen Übergang an der Verjüngung zur Mittelelektrode einen einheitlichen Bohrungsdurchmesser, auch Panatbohrungsdurchmesser genannt, aufweist. Dieser Panatbohrungsdurchmesser ist gleich dem dritten Außendurchmesser. Dadurch vereinfacht sich die Herstellung der Zündkerze, da der Hohlraum auf seiner brennraumfernen Seite des Überganges zur Mittelelektrode einen einheitlichen Durchmesser aufweist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist vorgesehen, dass der Isolatorkopf kriechstromverlängernde Rippen umfasst, wobei der zweite Außendurchmesser als der größte vorkommende Außendurchmesser am Isolator definiert ist. Diese kriechstromverlängernden Rippen sind bevorzugt am brennraumfernen Ende des Isolators vorgesehen. Der zweite Außendurchmesser am Isolatorkopf ist also nicht durch die teilweise verkleinerten Außendurchmesser zwischen diesen Rippen definiert, sondern durch den größten vorkommenden Außendurchmesser am Isolatorkopf, bevorzugt direkt oberhalb der Isolatorschulter.
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Des Weiteren ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass der Anschlussbolzen einen über den Isolator hinausragenden Anteil umfasst, wobei auf den hinausragenden Anteil eine Anschlussmutter aufgeschraubt ist, und wobei die Anschlussmutter und der hinausragende Anteil bündig abschließen.
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Die Erfindung umfasst des Weiteren eine Zündanordnung für eine Verbrennungskraftmaschine, umfassend einen Zündkerzenstecker und eine soeben beschriebene Zündkerze mit dem bündigen oberen Abschluss, wobei der Zündkerzenstecker eine Feder umfasst, und wobei die Feder die Zündkerze stirnseitig am bündigen Abschluss von Anschlussmutter und Anschlussbolzen kontaktiert. Üblicherweise werden elektrische Anschlussbolzen an der Kontaktierseite zum Stecker mit Gewinde versehen, auf das eine Anschlussmutter mit Durchgangsbohrung und genormter Außenkontur aufgeschraubt wird. Eine erfindungsgemäß bevorzugte Kontaktierung erfolgt stirnseitig auf die Anschlussmutter mittels einer Feder. Die nach dem Stand der Technik übliche konstruktive Ausführung lässt jedoch an der Stirnseite eine Vertiefung offen, die zu einer fehlerhaften Kontaktierung mit der Feder führen kann. Die erfindungsgemäß bevorzugte Verlängerung des Gewindes bzw. des hinausragenden Anteils des Anschlussbolzens führt zu einem planen Abschluss an der Anschlussmutter, auf dem sich die Feder abstützen kann. Gegenüber einem angepressten SAE-Anschluss hat die Mutter den Vorteil, dass bei konventioneller Kontaktierung auf die Außenseite der Mutter geringere Aufsteckkräfte des Steckers erforderlich sind, da die Reibungskräfte z. B. bei Verwendung einer Messingmutter niedriger sind. Somit ist sowohl die konventionelle Kontaktierung als auch die stirnseitige Kontaktierung mit einer Feder vorteilhaft möglich.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung zeigt:
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1 eine erfindungsgemäße Zündkerze gemäß einem Ausführungsbeispiel,
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2 ein Panat der erfindungsgemäßen Zündkerze gemäß dem Ausführungsbeispiel, und
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3 einen Anschlussbolzen mit Anschlussmutter der erfindungsgemäßen Zündkerze gemäß dem Ausführungsbeispiel.
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Ausführungsform der Erfindung
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1 zeigt eine Zündkerze 1 gemäß Ausführungsbeispiel mit einem Isolator 2, einem Gehäuse 3, einem Anschlussbolzen 7, einem Panat 23, einer Mittelelektrode 9, einer Masseelektrode 10 und einer Anschlussmutter 18. Der Isolator 2 weist über seine gesamte Länge einen durchgehenden Hohlraum 6 auf. In diesem Hohlraum 6 stecken der Reihe nach die Mittelelektrode 9, das Panat 23 und der Anschlussbolzen 7. Auf den Anschlussbolzen 7 außerhalb des Isolators 2 ist die Anschlussmutter 18 aufgeschraubt. Das Panat 23 umfasst ein erstes Kontaktpanat 21, ein zweites Kontaktpanat 22 und ein zwischen dem ersten Kontaktpanat 21 und dem zweiten Kontaktpanat 22 angeordnetes Widerstandspanat 8.
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An seiner Außenseite weist der Isolator 2 an seinem brennraumfernen Ende mehrere kriechstromverlängernde Rippen 11 auf. Nach diesen kriechstromverlängernden Rippen 11 erstreckt sich der Isolator mit konstantem zweiten Außendurchmesser D2 bis zu einer Isolatorschulter 4. An dieser Isolatorschulter 4 weitet sich der Isolator zum ersten Außendurchmesser D1 auf und verjüngt sich nach der Isolatorschulter 4 wieder. Der gesamte Bereich vom brennraumfernen Anfang des Isolators 2 bis zum Beginn der Isolatorschulter 4 wird als Isolatorkopf 5 bezeichnet. Der Hohlraum 6 im Isolator ist zylinderförmig und erstreckt sich vom brennraumfernen Anfang des Isolators 2 bis zu einer mehrstufig ausgeführten Verjüngung 12 mit einem einheitlichen Innendurchmesser I. An der mehrstufigen Verjüngung 12 bietet der Hohlraum 6 im Isolator eine Auflage für einen Mittelelektrodenkopf 13 der Mittelelektrode 9.
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Das Panat 23 erstreckt sich in etwa von der Mitte der Isolatorschulter 4 bis zu dem mehrstufigen Übergang 12. Im Bereich des Übergangs 12 befindet sich bevorzugt nur das zweite Kontaktpanat 22, jedoch kein Widerstandspanat 8, so dass eine größtmögliche Streuung des Widerstandswertes entsteht. Auf einer brennraumnahen Seite steckt der Mittelelektrodenkopf 13 im zweiten Kontaktpanat 22. Auf einer brennraumfernen Seite steckt der Anschlussbolzen 7 im ersten Kontaktpanat 21. Das Panat 23 wird bevorzugt in den Hohlraum 6 gegossen und passt sich somit mit seinem dritten Außendurchmesser D3 exakt dem Innendurchmesser I des Hohlraums 6 an. Das Kontaktpanat 21, 22 hat bevorzugt einen geringen Widerstandswert im mΩ-Bereich.
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Der Anschlussbolzen 7 weist auf seiner brennraumnahen Seite einen vierten Außendurchmesser D4 auf. Dieser vierte Außendurchmesser D4 ist etwas kleiner als der dritte Außendurchmesser D3 des Widerstandspanates 8 bzw. als der Innendurchmesser I des Hohlraums 6. Dadurch kann der Anschlussbolzen 7 in das erste Kontaktpanat 21 eintauchen und wird fest mit dem erstarrten Panat 23 verbunden.
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Außen auf dem Isolator 2 sitzt das Gehäuse 3. Dieses Gehäuse 3 erstreckt sich von einer brennraumfernen Seite der Isolatorschulter 4 bis zum brennraumnahen Ende des Isolators 2. An diesem brennraumnahen Ende des Isolators 2 ist die Masseelektrode 10 am Gehäuse 3 angebracht. Das Gehäuse 3 umfasst des Weiteren einen Außensechskant 14, ein Außengewinde 15 mit Nenndurchmesser M und einen Bördelkragen 16. Der Außensechskant 14 und das Gewinde 15 dienen zum Einschrauben der Zündkerze 1 in eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere in einen Zylinderkopf.
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Der Bördelkragen 16 wird über die brennraumferne Seite der Isolatorschulter 4 umgeschlagen und dient somit zur Befestigung des Gehäuses 3 am Isolator 2. Alternativ zu dieser dargestellten Konstruktion mit dem Gehäuse 3 kann bevorzugt auch eine Spannmutter auf der Isolatorschulter 4 sitzen. Mit dieser Spannmutter kann die Zündkerze 1 in einer Verbrennungskraftmaschine eingespannt bzw. eingeschraubt werden.
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Am brennraumfernen Ende ragt der Anschlussbolzen 7 mit einem hinausragenden Anteil 17 über den Isolator 2 hinaus. Dieser hinausragende Anteil 17 ist mit einem Gewinde versehen, auf welches eine Anschlussmutter 18 aus Messing aufgeschraubt ist. Die Länge des hinausragenden Anteils 17 ist so gewählt, dass er gemeinsam mit der Anschlussmutter 18 den bündigen Abschluss 19 bildet. Als bevorzugte Ausführung definiert eine Verjüngung 20 am Außenumfang des hinausragenden Anteils 17 sowie eine entsprechende Verjüngung in der Innenbohrung der Anschlussmutter 18 die exakte Einschraubtiefe der Anschlussmutter 18. Alternativ bevorzugt ist die Innenbohrung und der hinausragende Anteil ohne Verjüngung ausgeführt.
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2 zeigt das Panat 23 der Zündkerze 1 gemäß Ausführungsbeispiel im Detail. Hierbei ist gut zu sehen, dass der Anschlussbolzen 7 im ersten Kontaktpanat 21 und die Mittelelektrode 9 im zweiten Kontaktpanat 22 steckt.
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3 zeigt den hinausragenden Anteil 17 des Anschlussbolzens 7 und die Anschlussmutter 18 der Zündkerze 1 gemäß Ausführungsbeispiel im unmontierten Zustand.
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Im Ausführungsbeispiel beträgt ein Verhältnis des dritten Außendurchmessers D3 zum zweiten Außendurchmesser D2 0,45. Ein Verhältnis des vierten Außendurchmessers D4 zum dritten Außendurchmesser D3 beträgt 0,875. Ein Verhältnis des dritten Außendurchmessers D3 zum Nenndurchmesser M beträgt 1/3.
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Anhand des dargestellten Ausführungsbeispiels wurde gezeigt, wie die erfindungsgemäße Zündkerze 1 konstruktiv auszugestalten ist. Durch diese Ausgestaltung ist es insbesondere möglich, dass ein Querschnitt des Widerstandspanates 8 durch Vergrößerung des dritten Durchmessers D3 erreicht wird. Gleichzeitig bleibt durch den zweiten Durchmesser D2 eine sichere Isolatorschicht erhalten. Die so ausgestaltete Zündkerze 1 kann insbesondere für stationäre Otto-Gasmotoren, zum Beispiel zum Antrieb von Generatoren oder Kompressoren, verwendet werden. Dabei werden Laufleistungen größer 2000 Stunden erreicht. Durch die besondere Ausgestaltung des Anschlussbolzens 7 mit dem hinausragenden Anteil 17 und dem bündigen Anschluss 19 ist sowohl die herkömmliche Kontaktierung an der Mantelfläche der Anschlussmutter 18 als auch eine neuartige Kontaktierung über eine stirnseitige Feder auf dem bündigen Anschluss 19 möglich.
