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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Masseelektrode, ein Verfahren zu deren Herstellung sowie eine Zündkerze mit einer solchen Masseelektrode.
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Die Lebensdauer von Zündkerzen wird maßgeblich durch die Beständigkeit ihrer Zündkerzenelektroden bestimmt. Durch die Temperaturbeaufschlagung während des Betriebs der Zündkerze wird die mechanische Belastbarkeit der Elektroden reduziert. Gerade Masseelektroden sind hierfür besonders anfällig. Sie werden oftmals aus einem Kupferkern gebildet, der mit dem eigentlichen Elektrodenmaterial, einer meist Nickel enthaltenden Legierung, ummantelt ist. Die Masseelektrode ist dabei mit der Oberfläche eines Gehäuses verschweißt. Der Kupferkern hat die Aufgabe die Temperatur von der Elektrodenspitze auf das Gehäuse abzuleiten. Im Anschweißbereich der Masseelektrode liegen damit ein mechanisch hoch belasteter Bereich und ein Temperaturübergangsbereich Kupferkern-Gehäuse räumlich dicht beisammen. Dies führt bei steigenden Temperaturen zu einer sinkenden Dehngrenze, wodurch es durch Materialermüdung bei Verwendung einer gebogenen Masseelektrode zu einem Einsinken bzw. Abknicken der Masseelektrode im Anschweißbereich kommen kann.
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Offenbarung der Erfindung
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In der erfindungsgemäßen Masseelektrode mit den Merkmalen des Anspruches 1 werden hingegen der Bereich der maximalen mechanischen Belastung und der Temperaturübergangsbereich räumlich entzerrt. Dies wird dadurch erzielt, dass der Kupferkern der Masseelektrode nicht am Elektrodenfuß endet, sondern einen ersten Abschnitt umfasst, der vom Elektrodenfuß hervorsteht. Erfindungsgemäß wird dabei unter einem Elektrodenfuß der Bereich der Masseelektrode verstanden, der in einer Zündkerze auf dem Gehäuse derselben angeordnet und daran befestigt wird. Dadurch dass der Kupferkern im Gegensatz zum übrigen Elektrodenmaterial nicht plan mit dem Elektrodenfuß abschließt, sondern von diesem hervorsteht, also an der vom Brennraum abgewandten Seite der Masseelektrode aus dieser herausragt, kann beim Verbau der Masseelektrode am Gehäuse eine Temperaturübertragung dezentralisiert werden. Der Temperaturübergangsbereich liegt damit nicht nur am Übergang Elektrodenfuß-Oberfläche des Gehäuses, wo üblicherweise die Masseelektrode angeschweißt ist, sondern erstreckt sich in das Innere des Gehäuses hinein. Hierdurch findet ein effektiverer Wärmeabtransport statt, insbesondere weg vom mechanisch hoch belasteten Befestigungsbereich der Masseelektrode am Gehäuse. Ein Einsinken der Masseelektrode im Befestigungsbereich, das durch Kriechphänomene ausgelöst werden kann, wird deutlich reduziert. Dadurch werden die mechanische Belastbarkeit und damit die Robustheit der erfindungsgemäßen Masseelektrode unter Temperatureinfluss signifikant verbessert.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Durch eine Länge des ersten Abschnitts des Kupferkerns von 0,5 bis 4,6 mm, vorzugsweise von 0,7 bis 1,6 mm, kann eine besonders gute Wärmeableitung in das umgebende Gehäuse erfolgen. Sofern der Isolator von einem Gehäuse umgeben ist, sind Längen von 0,7 bis 1,6 mm aus dem weiteren Grund bevorzugt, dass der Kontaktbereich erster Abschnitt des Kupferkerns-Gehäuse vor Temperaturbeaufschlagung besser geschützt werden soll.
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Für eine besonders gute Wärmeleitung und damit eine besonders starke Dezentralisierung des Wärmeübergangsbereiches ist es von Vorteil, wenn ein Querschnitt des ersten Abschnitts des Kupferkerns und ein Querschnitt eines zweiten Abschnitts des Kupferkerns am Elektrodenfuß der Masseelektrode deckungsgleich sind. Der zweite Abschnitt des Kupferkerns ist dabei derjenige, der sich vom Elektrodenfuß in das Innere der Masseelektrode in Richtung deren Spitze erstreckt. Der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt des Kupferkerns liegen aus demselben Grund ferner vorteilhaft deckungsgleich aufeinander.
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Aus Gründen des guten Wärmeableitvermögens von der Elektrodenspitze zum Elektrodenfuß wird ein um einen zweiten Abschnitt des Kupferkerns angeordneter Mantel aus Nickel oder einer Nickellegierung gebildet. Nickelhaltige Materialien zeichnen sich zudem durch eine gute Oxidationsstabilität aus.
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Ferner erfindungsgemäß wird auch eine Zündkerze beschrieben, die eine Masseelektrode, eine Mittelelektrode und ein Gehäuse umfasst. Der Vollständigkeit halber sei angeführt, dass die erfindungsgemäße Zündkerze auch mehrere Masseelektroden umfassen kann. Das Gehäuse ist für eine Befestigung der Zündkerze in einem Zylinderkopf ausgelegt. Die Masseelektrode ist am Gehäuse angeordnet und weist einen Kupferkern mit einem ersten Abschnitt auf. Der erste Abschnitt des Kupferkerns ragt mindestens teilweise in einen Abschnitt des Gehäuses hinein. Mit anderen Worten ist in der erfindungsgemäßen Zündkerze eine Masseelektrode am Gehäuse der Zündkerze befestigt, beispielsweise wie herkömmlich mit dem Gehäuse verschweißt. Die Masseelektrode endet aber nicht plan auf der Gehäuseoberfläche: der erste Abschnitt des Kupferkerns der Masseelektrode steht vom auf der Gehäuseoberfläche befestigten Elektrodenfuß hervor und ist in das Gehäuseinnere eingeführt. Der Kupferkern, der die Aufgabe hat, Wärme von der Elektrodenspitze abzuleiten und einer Überhitzung und damit einer Verformung von Elektrodenmaterial vorzubeugen, kann somit die Wärme auf eine größere Gehäusefläche verteilen und näher an einen üblicherweise wassergekühlten Zylinderkopf heranführen. Der Wärmeabtransport wird damit gesteigert und eine Wärmeleitung von der thermisch hoch beanspruchten Elektrodenspitze über die Befestigungsstelle der Masseelektrode auf der Gehäuseoberfläche hinweg in das Innere des Gehäuses gefördert. Der Bereich der maximalen mechanischen Belastung, also der Befestigungsbereich der Masseelektrode am Gehäuse, und der Wärmeübergangsbereich Kupferkern-Gehäuse werden räumlich getrennt. Dadurch wird die mechanische Belastbarkeit der Zündkerze gesteigert und ein Elektrodenabstand zwischen der Masseelektrode und der Mittelelektrode dauerhaft konstant gehalten. Die Lebensdauer der erfindungsgemäßen Zündkerze wird somit erhöht.
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Die für die erfindungsgemäße Masseelektrode beschriebenen Vorteile, vorteilhaften Effekte und Weiterbildungen finden auch Anwendung auf die erfindungsgemäße Zündkerze. Ferner kann die erfindungsgemäße Masseelektrode zur Herstellung der erfindungsgemäßen Zündkerze verwendet werden.
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Zur Vereinfachung der Befestigung der Zündkerze in einem Zylinderkopf ist am Gehäuse ein Gewinde angeordnet. Ein Gewinde umfasst dabei einen Gewindeansatz und mehrere Gewindegänge. Der Gewindeansatz ist zumeist plan und weist noch keinen Gewindegang auf. Vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Zündkerze dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abschnitt des Kupferkerns und ein Abschnitt des Gewindes in Radialrichtung der Zündkerze mindestens teilweise überlappen. Durch die große Oberfläche des Gewindes kann eine besonders effektive Wärmeableitung vom Kupferkern erfolgen. Zudem wird so der erste Abschnitt des Kupferkerns näher an einen üblicherweise wassergekühlten Zylinderkopf herangeführt, was den Wärmeabtransport verbessert.
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Für eine besonders gute Wärmeableitung und Dezentralisierung des Wärmeübergangsbereichs überlappen mindestens der erste Abschnitt des Kupferkerns und ein Gewindeansatz des Gewindes in Radialrichtung der Zündkerze. Hierdurch wird zudem der Sitz des ersten Abschnitts des Kupferkerns im Gehäuse verbessert.
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Weiter vorteilhaft erstreckt sich der erste Abschnitt des Kupferkerns vorzugsweise maximal bis zum zweiten Gewindegang des Gewindes, so dass der erste Abschnitt des Kupferkerns und der Bereich des Gewindes, der sich bis zu dessen zweitem Gewindegang erstreckt in Radialrichtung der Zündkerze überlappen.
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Der erste Abschnitt des Kupferkerns kann auf unterschiedliche Art und Weise in das Gehäuse eingebracht sein. Vorteilhaft ist hierzu im Gehäuse eine Vertiefung zur Aufnahme des ersten Abschnitts des Kupferkerns vorgesehen. Somit kann ein definierter „Überlappungsbereich erster Abschnitt des Kupferkerns-Gehäuse“ erzeugt werden.
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Weiter erfindungsgemäß wird auch ein Verfahren zur Herstellung einer Zündkerze mit einer Mittelelektrode, einer Masseelektrode und einem Gehäuse beschrieben. Das Gehäuse ist hierbei für eine Befestigung der Zündkerze in einem Zylinderkopf ausgelegt. Die Masseelektrode weist einen Kupferkern mit einem ersten Abschnitt auf, wobei der erste Abschnitt des Kupferkerns von einem Elektrodenfuß der Masseelektrode hervorsteht. Das Verfahren ist durch den Schritt des Einbringens des ersten Abschnitts des Kupferkerns in einen Abschnitt des Gehäuses gekennzeichnet. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird auf einfache und damit auch kostengünstige Weise eine hoch stabile, mechanisch stark belastbare Zündkerze mit hoher Wärmeableitfähigkeit bereitgestellt. Das Herstellen einer Masseelektrode mit einem am Elektrodenfuß überstehenden ersten Abschnitt ihres Kupferkerns und Anordnen des ersten Abschnitts in einem vorgesehenen Bereich des Gehäuses ist zudem ohne hohen technischen Aufwand durch Kombination von Standardprozessen ausführbar.
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Die für die erfindungsgemäße Masseelektrode und die erfindungsgemäße Zündkerze beschriebenen Vorteile, vorteilhaften Effekte und Weiterbildungen finden auch Anwendung auf das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Zündkerze. Ferner kann das erfindungsgemäße Verfahren auch zur Herstellung der vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Zündkerze verwendet werden.
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Zur Vereinfachung der Befestigung der Zündkerze in einem Zylinderkopf ist am Gehäuse ein Gewinde angeordnet. Vorteilhaft ist das Verfahren sodann durch den Schritt des Einbringens des ersten Abschnitts des Kupferkerns in einen Abschnitt des Gehäuses gekennzeichnet, so dass sich der erste Abschnitt des Kupferkerns und ein Abschnitt des Gewindes in Radialrichtung der Zündkerze überlappen. Besonders vorteilhaft wird der erste Abschnitt des Kupferkerns so in den Abschnitt des Gehäuses eingebracht, dass sich mindestens der erste Abschnitt des Kupferkerns und ein Gewindeansatz des Gewindes in Radialrichtung der Zündkerze überlappen. Weiter vorteilhaft erstreckt sich der erste Abschnitt des Kupferkerns maximal soweit in das Gehäuse, dass er in Radialrichtung der Zündkerze mit dem Gewinde bis zur Höhe seines zweiten Gewindegangs überlappt. Hierdurch wird unter Erhalt einer größtmöglichen mechanischen Stabilität der Zündkerze ein maximal großer Wärmeübergangsbereich gebildet, der den Bereich der maximalen mechanischen Belastung, also den Bereich in dem die Masseelektrode mit der Gehäuseoberfläche verbunden ist, vom Wärmeübergangsbereich trennt.
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Zur Vereinfachung des Einbringens des ersten Abschnitts des Kupferkerns in das Gehäuse umfasst das Verfahren vorteilhaft den Schritt des Vorsehens einer Vertiefung im Gehäuse zum Aufnehmen des ersten Abschnitts des Kupferkerns.
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Zur Verhinderung der Bildung von Luftspalten, die eine Wärmeleitung reduzieren, wird der ersten Abschnitt des Kupferkerns mit dem vorgesehenen Abschnitt des Gehäuses vorzugsweise stoffschlüssig, beispielsweise durch Schweißen, verbunden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. Hierbei beziffern gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile. In der Zeichnung ist:
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1 eine Schnittansicht eines Ausschnitts einer Zündkerze gemäß dem Stand der Technik,
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2 eine Wärmebildaufnahme der Zündkerze aus 1,
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3 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Masseelektrode,
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4 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Zündkerze, und
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5 eine Wärmebildaufnahme der Zündkerze aus 4.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt schematisch einen Ausschnitt einer herkömmlichen Zündkerze 1. Die Zündkerze 1 umfasst eine Masseelektrode 2 und eine Mittelelektrode 3. Bei der Masseelektrode 2 handelt es sich um eine gebogene Masseelektrode. Eine Elektrodenspitze der Masseelektrode 2 ist dabei einer Mittelelektrode 3 gegenüberliegend angeordnet. Die Masseelektrode 2 ist an einem Gehäuse 4 der Zündkerze 1 befestigt. Ein Elektrodenfuß 7 ist hierzu auf einer Oberfläche 6 des Gehäuses 4 angeschweißt.
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Die Masseelektrode 2 umfasst einen Kupferkern 5 im Inneren der Elektrode, der von Elektrodenmaterial 8 ummantelt ist. Am Elektrodenfuß 7 schließen sowohl der Kupferkern 5 als auch das Elektrodenmaterial 8 bündig ab.
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In einem Anschweißbereich 9 der Masseelektrode 2 an der Gehäuseoberfläche 6 tritt unter Temperatureinwirkung folgendes Phänomen auf: Der Anschweißbereich 9, der das konstruktiv bedingte Biegemoment überträgt, ist gleichzeitig der Wärmeübertragungsbereich vom Kupferkern 5 auf das Gehäuse 4. Hierdurch wird das Material im Anschweißbereich 9 stark belastet, so dass es zu Kriechphänomenen kommt, die ein Einsinken der Masseelektrode 2 bewirken. Hierdurch wird der Elektrodenabstand zwischen der Masseelektrode 2 und der Mittelelektrode 3 verringert. Die Robustheit der Zündkerze 1 unter hohen Temperaturbelastungen ist somit gering.
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2 zeigt eine Wärmebildaufnahme der Zündkerze 1 aus 1, genauer gesagt eine Wärmebildaufnahme des Anschweißbereichs 9 bei Betrieb der Zündkerze 1. Hier ist zu sehen, dass bei einer angenommenen Wärmeaufnahme im Anschweißbereich 9 ein Temperaturmaximum von 467°C im Kupferkern 5 und ein Temperaturmaximum von 421°C im Randbereich 8b des Elektrodenmaterials 8 herrschen. Zwischen den beiden Extrembereichen sind Bereiche 8a des Elektrodenmaterials mit zwischen den Temperaturmaxima liegenden Temperaturen. Der Kupferkern 5 strahlt seine Wärme damit auf den Anschweißbereich 9 ab. Mechanischen Belastungen im Anschweißbereich 9 kann die Masseelektrode 2 daher ab einer bestimmten Temperatur nicht mehr standhalten.
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3 ist eine schematische Darstellung eines Schnitts durch eine erfindungsgemäße Masseelektrode 10. Die Masseelektrode 10 ist eine gebogene Masseelektrode, die einen Kupferkern 5 mit einem ersten Abschnitt 11 und einem zweiten Abschnitt 12 umfasst. Der erste Abschnitt 11 steht dabei von einem Elektrodenfuß 7 hervor. Der zweite Abschnitt 12 befindet sich im Inneren der Masseelektrode 10 und ist von einem Elektrodenmaterial 8 umgeben, das in Kombination mit einer Mittelelektrode der Erzeugung eines Zündfunkens dient. Das Elektrodenmaterial 8 ist vorzugsweise aus einer Nickel haltigen Legierung.
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Der erste Abschnitt 11 des Kupferkerns hat vorteilhafterweise eine Länge von 0,5 bis 4,6 mm, vorzugsweise von 0,7 bis 1,6 mm.
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4 ist eine Schnittansicht durch eine erfindungsgemäße Zündkerze 100. Diese umfasst eine Masseelektrode 10, beispielsweise wie diejenige aus 4 und eine Mittelelektrode 3. Die Zündkerze 100 umfasst ferner ein Gehäuse 4, das für eine Befestigung der Zündkerze in einem Zylinderkopf mit einem Gewinde 13 versehen ist. Die Masseelektrode 10 ist so am Gehäuse 4 angeordnet dass ein erster Abschnitt 11 ihres Kupferkerns 5 in das Gehäuse 4, hineinragt. Somit überlappen der erste Abschnitt 11 des Kupferkerns 5 und ein Abschnitt des Gewindes 13 in Radialrichtung R der Zündkerze 100 und bilden einen Überlappungsbereich 17.
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Vorteilhafterweise erstreckt sich der erste Abschnitt 11 des Kupferkerns soweit in das Gehäuse 4, dass der erste Abschnitt 11 des Kupferkerns und mindestens ein Gewindeansatz 16 des Gewindes 13 in Radialrichtung R der Zündkerze 100 überlappen. Der erste Abschnitt 11 des Kupferkerns erstreckt sich im Gehäuse ferner vorteilhaft über den ersten Gewindegang 14 hinweg bis maximal zum zweiten Gewindegang 15. Damit ergibt sich ein Überlappungsbereich 17, der sich insbesondere vom Gewindeansatz 16 bis maximal zum zweiten Gewindegang 15 erstreckt. Vorteilhafterweise ist der erste Abschnitt 11 des Kupferkerns mit dem entsprechenden Abschnitt des Gehäuses 4 stoffschlüssig, beispielsweise mittels einer Schweißverbindung, verbunden, so dass kein Luftspalt zwischen dem ersten Abschnitt 11 des Kupferkerns und dem umliegenden Abschnitt des Gehäuses 4 vorhanden ist.
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Durch das Vorsehen und Einbringen des ersten Abschnitts 11 des Kupferkerns in das Gehäuse 4 wird ein Wärmeübergangsbereich vom Anschweißbereich 9 auf das Gehäuse 4 vergrößert und ein Wärmeübertragungsbereich dezentralisiert. In einem Befestigungsbereich, also z.B. einem Anschweißbereich 9 der Masseelektrode 10 auf der Oberfläche des Gehäuses 4, tritt damit eine niedrigere Temperatur am innen liegenden Kupferkern 5 und dem Elektrodenmaterial 8 an dieser Stelle auf. Der Anschweißbereich 9 ist damit besser vor mechanischen Belastungen unter Temperatureinfluss geschützt und ein Bereich hoher mechanischer Beanspruchung ist von einem Bereich hoher Wärmedifferenzen getrennt.
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5 zeigt eine Wärmebildaufnahme der Zündkerze 100 aus 4, genauer gesagt eine Wärmebildaufnahme des Anschweißbereichs 9 während des Betriebs der Zündkerze 100. Hier ist zu sehen, dass bei gleichen Randbedingungen wie in 3 die maximale Temperatur im ersten Abschnitt 11 des Kupferkerns 5 auf 381°C (–18%) und die maximale Temperatur im Randbereich 8b des Elektrodenmaterials auf 372°C (–11%) sinken. Der Kupferkern 5 strahlt seine Wärme damit nicht nur ausschließlich auf den Anschweißbereich 9 sondern insbesondere in das Innere des Gehäuses 4 und das Gewinde 13 ab. Der Wärmeübertragungsbereich ist dezentralisiert und räumlich vom Anschweißbereich 9 getrennt. Mechanischen Belastungen im Anschweißbereich 9 führen damit kaum zu Beeinträchtigungen der Stabilität der Zündkerze 100.
