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Die Erfindung betrifft eine Zündelektrode, insbesondere für Zündkerzen.
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Zündelektroden für Zündkerzen werden in Verbrennungsmotoren zum Zünden eines Treibstoff-Luft-Gemischs verwendet. Da in den Treibstoffen auch chemische Elemente vorkommen, die chemisch aggressive Verbindungen bilden, gleichzeitig bei der Verbrennung hohe Temperaturschwankungen auftreten und durch die entstehenden Funken eine Funkenerosion der Zündelektroden auftritt, sind die Zündelektroden extremen Bedingen ausgesetzt. Gleichzeitig besteht der Wunsch nach möglichst lang haltenden Zündkerzen, die möglichst selten gewechselt werden müssen.
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Zu diesem Zweck ist beispielsweise aus der
EP 2 504 897 A2 eine Zündkerze bekannt, die eine Zündelektrode aus einer Platinbasislegierung aufweist. Das Edelmetall Platin ist relativ inert und kann so besser in der chemisch aggressiven Umgebung bestehen. Nachteilig ist daran, dass auch diese Zündelektroden durch Funkenerosion und durch chemische Korrosion mit der Zeit zerstört werden und daher regelmäßig gewechselt werden müssen.
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Um die hohen Kosten zu vermeiden, die durch die Edelmetalle verursacht werden, wird mit der
EP 0 424 098 A2 vorgeschlagen eine Zündelektrode aus hochreinem Chrom in Form eines Einkristalls oder mehrerer aggregierter Einkristalle zu fertigen.
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Auch diese Zündelektroden haben den Nachteil, dass sie durch Funkenerosion und chemische Korrosion beeinträchtigt werden und so deren Haltbarkeit im Vergleich zum Lebenszyklus eines Verbrennungsmotors kurz ist.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht also darin, die Nachteile des Stands der Technik zu überwinden. Insbesondere soll eine besonders stabile und langlebige Zündelektrode für Zündkerzen bereitgestellt werden. Dadurch soll erreicht werden, dass die Zündkerzen möglichst selten oder vorzugsweise gar nicht mehr gewechselt werden müssen.
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Die Aufgaben der Erfindung werden gelöst durch eine Zündelektrode mit einer Funken-Oberfläche, wobei die Funken-Oberfläche zum Erzeugen eines Funkens aus der Funken-Oberfläche vorgesehen ist, wobei die Zündelektrode im Wesentlichen durch einen Einkristall eines Edelmetalls oder einer Edelmetallbasislegierung oder einer Nickelbasislegierung gebildet ist und der Einkristall die Funken-Oberfläche beinhaltet.
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Die Funken-Oberfläche ist erfindungsgemäß die Oberfläche der Zündelektrode, die dazu vorgesehen ist im eingebauten Zustand den geringsten beziehungsweise optimalen Abstand zur Gegenelektrode zu haben. Dadurch springen die Zündfunken von der Funken-Oberfläche in die Gegenelektrode über. Die Funken-Oberfläche ist also eine Oberfläche der Zündelektrode, die dazu vorgesehen ist, das auf ihr der Anfangspunkt (beziehungsweise der Startpunkt) eines Zündfunkens entsteht beziehungsweise der durch Anlegen einer ausreichenden elektrischen Spannung Zündfunken erzeugt wird.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass die Zündelektrode zumindest im Wesentlichen, bevorzugt zu mindestens 90%, besonders bevorzugt zu mindestens 95% aus Platin, Paladium, Gold, Silber, Rhodium, Iridium, Rhenium, Ruthenium oder einer Legierung daraus oder einer Basislegierung mit einer Basis eines dieser Elemente besteht.
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Diese Edelmetalle sind besonders gut geeignet, besonders langlebige und gegen chemische Einflüsse und gegen Funkenerosion resistente Zündelektroden aufzubauen.
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Unter einer Basislegierung ist vorliegend eine Legierung zu verstehen, in der die Basis die Hauptkomponente ist.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass die Funken-Oberfläche zumindest bereichsweise eben ist, vorzugsweise im Wesentlichen eben ist, besonders bevorzugt eben ist.
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Durch die ebene Funken-Oberfläche wird zum Einen erreicht, dass sich die entstehenden Funken nicht auf wenige Stellen der der Funken-Oberfläche beschränken und diese Stellen so übermäßig beanspruchen und zum Anderen, dass die Oberflächenatome in der ebenen Oberfläche stärker beziehungsweise gleichmäßiger stark gebunden sind, als in einer unebenen Oberfläche.
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Auch kann erfindungsgemäß besonders bevorzugt vorgesehen sein, dass die Funken-Oberfläche eine kristallografisch orientierte Oberfläche des Einkristalls ist, bevorzugt eine in der kristallografischen 111-Richtung des Einkristalls orientierte Oberfläche.
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Durch die Verwendung einer orientierten einkristallinen Oberfläche als Funken-Oberfläche kann eine Anisotropie der physikalischen Eigenschaften des Einkristalls dazu genutzt werden, besonders nützliche Eigenschaften der Funken-Oberfläche bereitzustellen, wie beispielsweise eine besonders stabile Oberfläche, eine geringe Elektronenaustrittsarbeit, eine besonders starke Bindung der Oberflächenatome in der Funken-Oberfläche, eine starke chemische Beständigkeit der Funken-Oberfläche oder eine besonders gute katalytische Wirkung der Oberfläche.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass die Funken-Oberfläche des Einkristalls derart kristallografisch orientiert ist, dass die Oberflächenatome der Funken-Oberfläche möglichst stark gebunden sind, vorzugsweise die kristallographische Orientierung der Funken-Oberfläche einer Oberfläche des Einkristalls entspricht, wenn diese facettiert gewachsen ist.
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Ferner kann erfindungsgemäß bevorzugt vorgesehen sein, dass der Einkristall senkrecht zur Funken-Oberfläche zumindest 0,1 mm lang ist, bevorzugt zumindest 0,5 mm lang ist.
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Diese Größen sind für Zündkerzen besonders gut einsetzbar und auch noch gut handhabbar. Zudem ist die Länge zur schnellen Ableitung der Wärmeenergie durch den Einkristall ausreichend.
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Es kann erfindungsgemäß auch vorgesehen sein, dass die Gegenelektrode zumindest im Bereich der Funken-Oberfläche der Gegenelektrode wie die Zündelektrode aufgebaut ist.
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Dadurch wird erreicht, dass auch die Gegenelektrode über die gleichen positiven Eigenschaften verfügt wie die Zündelektrode. So kann eine besonders langlebige Zündkerze aufgebaut werden.
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Die der Erfindung zugrunde liegenden Aufgaben werden auch gelöst durch eine Zündkerze aufweisend eine solche Zündelektrode und eine Gegenelektrode, wobei die Gegenelektrode zumindest bereichsweise gegenüber der Funken-Oberfläche der Zündelektrode angeordnet ist und von der Funken-Oberfläche mit einem Zwischenraum beabstandet ist, so dass bei Anlegen einer ausreichenden Spannung zwischen der Zündelektrode und der Gegenelektrode ein Zündfunke zwischen der Funken-Oberfläche und der Gegenelektrode entsteht.
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Eine solche Zündkerze ist besonders lange haltbar und muss daher weniger oft oder gar nicht mehr gewechselt werden.
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Bei solchen Zündkerzen kann erfindungsgemäß auch vorgesehen sein, dass die Gegenelektrode eine Masseelektrode ist und/oder die Zündelektrode eine Mittelelektrode ist, die mit einem Isolator, vorzugsweise mit einem keramischen Werkstoff, gegen die Gegenelektrode beziehungsweise Masseelektrode isoliert ist und mit der Gegenelektrode beziehungsweise Masseelektrode mechanisch verbunden ist.
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Ferner kann bei solchen erfindungsgemäßen Zündkerzen auch vorgesehen sein, dass die Zündelektrode an der, der Funken-Oberfläche gegenüber liegenden Seite mit der Gegenelektrode über den Isolator mit der Masseelektrode mechanisch verbunden ist.
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Die der Erfindung zugrundeliegenden Aufgaben werden auch gelöst durch die Verwendung eines Einkristalls aus einem Edelmetall oder einer Edelmetallbasislegierung oder einer Nickelbasislegierung als Zündelektrode, insbesondere in einer Zündkerze.
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Ebenso werden die der Erfindung zugrundeliegenden Aufgaben gelöst durch die Verwendung eines kristallographisch orientierten Einkristalls aus einem Edelmetall oder einer Edelmetalllegierung oder einer Nickelbasislegierung als Zündelektrode, insbesondere in einer Zündkerze.
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Dabei kann es erfindungsgemäß ausreichen, dass die Funken-Oberfläche des Einkristalls kristallographisch orientiert ist. Zu den Vorteilen der Orientierung und den Vorteilen bestimmter Orientierungen des Einkristalls sei auf das bisher geschrieben verwiesen.
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Eine weitere Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgaben ist ein Verfahren zur Herstellung einer Zündkerze, bei dem eine Zündelektrode mit einem Einkristall aus einem Edelmetall oder einer Edelmetallbasislegierung oder einer Nickelbasislegierung hergestellt wird und die Zündelektrode mit einer zumindest bereichsweise ebenen Funken-Oberfläche des Einkristalls gefertigt wird, die gegenüber und beabstandet zu einer Gegenelektrode angeordnet wird.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass die Funken-Oberfläche kristallographisch orientiert wird, vorzugsweise derart orientiert wird, dass die Oberflächenatome der Funken-Oberfläche möglichst stark gebunden sind.
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Die Funken-Oberfläche wird orientiert, indem der Einkristall, der die Funkenoberfläche umfasst, in einer bestimmten kristallographischen Orientierung bezogen auf die Gegenelektrode in die Zündkerze eingebaut wird.
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Durch die Verwendung einer orientierten einkristallinen Oberfläche als Funken-Oberfläche kann, wie zuvor beschrieben, die Anisotropie der physikalischen Eigenschaften des Einkristalls dazu genutzt werden, besonders nützliche Eigenschaften der Funken-Oberfläche bereitzustellen.
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Erfindungsgemäße Verfahren können ferner vorsehen, dass der Einkristall als Bulk hergestellt wird, bevor er zur Herstellung der Zündelektrode verwendet wird, wobei vorzugsweise der Bulk-Einkristall durch Zonenschmelzen gezüchtet wird und/oder bevorzugt der Bulk-Einkristall nach der Züchtung zu einem Draht gezogen wird.
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Die Fertigung als Bulk erreicht, dass aus einem Einkristall-Bulk eine Vielzahl von Zündelektroden gefertigt werden kann.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass der Einkristall, mit dem die Zündelektrode aufgebaut wird, aus dem Bulk-Einkristall geschnitten wird.
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Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass es durch die Verwendung eines Einkristalls aus einem Edelmetall, einer Edelmetall-Basislegierung oder einer Nickel-Basislegierung als Zündelektrode gelingt, eine gegenüber der aggressiven Umgebung in einem Verbrennungsmotor stabile Zündelektrode bereitzustellen, die eine verbesserte Haltbarkeit aufweist. Die verbesserte Haltbarkeit der Zündelektrode fußt unter anderem auf der einkristallinen Oberfläche der Zündelektrode, durch die ein Austritt von Atomen durch Funkenerosion erschwert wird, da keine Korngrenzen vorliegen, die die Kristallstruktur schwächen würden. Des Weiteren wird durch die Verwendung von Edelmetallen sichergestellt, dass die Zündelektroden weniger stark an der Oberfläche chemisch angegriffen werden. Ferner kann bei der Verwendung eines solchen Einkristalls, der aus einem sogenanntem Bulk-Einkristall hergestellt ist, die Wärme von der Funken-Oberfläche besser durch die Zündelektrode abgeleitet werden, da keine Phononen-Streuung an den Korngrenzen eines polykristallinen Materials auftritt und somit die Wärme schneller durch den Einkristall abgeleitet werden kann. Dadurch wird eine effektivere Kühlung der Funken-Oberfläche realisiert und so kann die Funken-Oberfläche bei einer niedrigeren Temperatur gehalten werden, als dies bei polykristallinen Zündelektroden der Fall ist.
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Mit der Erfindung wird ferner der Effekt genutzt, dass die physikalischen Eigenschaften eines Einkristalls von dessen Orientierung abhängen, also in manchen physikalischen Eigenschaften der Einkristall anisotrop ist. Zentraler Vorteil ist dabei, dass die Beständigkeit der einkristallinen Oberfläche gegenüber Funkenerosion bei geeigneter kristallographischer Orientierung erhöht ist. Daher wird erfindungsgemäß eine, insbesondere orientierte, einkristalline Oberfläche als Funken-Oberfläche der Zündelektrode genutzt.
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Zudem ist die Elektronenaustrittsarbeit bei einer einkristallinen Oberfläche homogen, so dass bei der Funkenentstehung eine größere Oberfläche genutzt wird. Dadurch ist die Funkenerosion der einkristallinen Funken-Oberfläche geringer, da der Funkenaustritt auf einer größeren Fläche stattfindet und leichter an unterschiedlichen Orten der Funken-Oberfläche auftreten kann.
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Die Herstellung der Einkristalle kann durch verschiedene Verfahren wie Zonenschmelzverfahren, Micro-Pulling-Down Verfahren, oder Laser-Heated-Pedestral Growth erfolgen. Selbstverständlich sind auch andere aufwendigere Verfahren denkbar, wie beispielsweise ein Top-Seeded-Solution-Growth, ein Czochalski-Verfahren oder eine einfache gerichtete Erstarrung.
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Nach der Herstellung des Bulk-Einkristalls kann dieser durch Walzen, Schmieden und Ziehen zu Drähten umgeformt werden. Dabei kann durch die Einstellung einer geeigneten, erhöhten Temperatur bei der Umformung sichergestellt werden, dass die Kristallstruktur des Einkristalls sich bei der Umformung nicht zu stark verschlechtert.
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Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der Bulk-Einkristall gleich als Draht der passenden Breite gezüchtet wird, um eine Beeinträchtigung der Kristallstruktur durch eine anschließende Verarbeitung zu vermeiden.
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Der Einkristall kann sowohl vor der Trennung in kleinere Einheiten als Bulk-Einkristall als auch nach der Trennung in Zündelektrode(n) durch eine Temperaturbehandlung bearbeitet werden. Diese Temperaturbehandlung dient dem Ausgleichen von Versetzungen und Spannungen in dem Kristall.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von einer schematisch dargestellten Figur erläutert, ohne jedoch dabei die Erfindung zu beschränken.
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Die 1 zeigt eine schematische Querschnitt-Darstellung eines oberen Teils einer erfindungsgemäßen Zündkerze 1 mit einer erfindungsgemäßen Zündelektrode 2. Die Zündelektrode 2 weist einen Edelmetall-Einkristall 2 mit einer Funken-Oberfläche 3 auf. Der Edelmetall-Einkristall 2 wurde mit gerichteter Erstarrung erzeugt und mit der passenden Geometrie aus einem größeren Bulk-Einkristall geschnitten. Die Zündelektrode 2 ist zylindrisch geformt. Die Zündelektrode 2 hat eine Höhe von 1 mm und einen Durchmesser von 0,6 mm. Wenn die Zündelektrode 2 eine nicht zylindrische Geometrie hat, kann ein ähnlicher Querschnitt im Bereich von 0,3 mm bis 1,5 mm gewählt werden.
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Gegenüber der Zündelektrode 2 ist eine Gegenelektrode 4 angeordnet. Der Abstand der Gegenelektrode 4 zur Zündelektrode 2 ist im Bereich der Funken-Oberfläche 3 am geringsten. Dadurch wird sichergestellt, dass die Zündfunken der Zündkerze 1 aus der Funken-Oberfläche 3 gezogen werden. Die Funken-Oberfläche 3 ist in 1 nur als waagerechte Linie zu erkennen, da die Funken-Oberfläche 3 in 1 geschnitten dargestellt ist.
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Der Einkristall 2 beziehungsweise die Zündelektrode 2 wird kristallographisch orientiert auf einer Basis 6 der Elektrode befestigt, beispielsweise mit einem gut leitfähigen Kleber oder durch Sintern. Die Elektrodenbasis 6 kann beispielsweise ein zylindrischer Kupferdraht sein. Statt dem Kupfer kann auch ein anderes gut wärmeleitendes Material verwendet werden. Ebenso ist es möglich die Elektrodenbasis 6 aus dem gleichen Edelmetall zu fertigen, wie die Zündelektrode 2, was jedoch zu höheren Materialkosten für die Zündkerze 1 führt.
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Die kristallographische Orientierung der Zündelektrode 2 wird so gewählt, dass die Oberflächenatome der Funken-Oberfläche 3 besonders stark gebunden sind, so dass die Funken-Oberfläche 3 besonders resistent gegen Funkenerosion ist. Ebenso oder alternativ kann die Funken-Oberfläche 3 beziehungsweise der Einkristall 2 so orientiert sein, dass die Elektronenaustrittsarbeit aus der Funken-Oberfläche 3 möglichst gering ist, so dass mit einer niedrigeren Spannung gearbeitet werden kann und so die Erwärmung der Zündelektrode 2 und andere dadurch verursachte schädliche Einflüsse reduziert werden.
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Die Gegenelektrode 4 ist an ein metallisches Gehäuse 8 der Zündkerze 1 angeschlossen, so dass die Gegenelektrode 4 in diesem Ausführungsbeispiel eine Masseelektrode bildet. Das metallische Gehäuse 8 weist ein Gewinde 10 auf, mit dem die Zündkerze 1 in ein Gegengewinde eines Motorblocks geschraubt werden kann. Die Zündkerze 1 kann eine Dichtung (nicht gezeigt) am Ende des Gewindes 10 umfassen, mit der die Zündkerze 1 den Hubraum des jeweiligen Zylinders des Verbrennungsmotors, in den sie eingeschraubt wird, abdichten kann.
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Das metallische Gehäuse 8 ist über eine Isolation 12 mechanisch mit der Elektrodenbasis 6 verbunden und elektrisch von der Elektrodenbasis 6 isoliert.
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Die Zündkerze 1 kann bis auf die Zündelektrode 2 grundsätzlich wie eine Zündkerze bekannter Bauart aufgebaut sein. Beim Übergang auf die Elektrodenbasis 6 muss auf einen ausreichenden elektrischen und besonders auf einen guten Wärmeübergang geachtet werden.
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Als Edelmetalle für die Zündelektrode 2 eignen sich insbesondere Platin, Gold, Silber, Rhenium, Ruthenium, Iridium oder Rhodium sowie Legierungen daraus.
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Ebenso kann eine Edelmetallbasislegierung verwendet werden, wobei die Basis den Hauptbestandteil bildet und vorzugsweise aus einem der genannten Metalle besteht.
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Als kostengünstigere Alternative kann auch eine Nickellegierung verwenden werden, wie beispielsweise Inconel® oder einer anderen Nickel-Legierung die Chrom als Nebenkomponente und die zusätzlich eines oder mehrere der Elemente Eisen, Molybdän, Niob, Kobalt, Mangan, Kupfer, Aluminium, Titan, Silizium, Kohlenstoff, Schwefel, Phosphor oder Bor als Nebenkomponente enthält.
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Die in der voranstehenden Beschreibung, sowie den Ansprüchen, Figuren und Ausführungsbeispielen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln, als auch in jeder beliebigen Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zündkerze
- 2
- Zündelektrode
- 3
- Funken-Oberfläche
- 4
- Gegenelektrode
- 6
- Elektrodenbasis
- 8
- Gehäuse
- 10
- Gewinde
- 12
- Isolation
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2504897 A2 [0003]
- EP 0424098 A2 [0004]
