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Die Erfindung betrifft eine Zündkerze, bei der ein Isolator
dadurch in einem Metallgehäuse gehalten wird, daß sein
abgestufter Abschnitt auf einem Absatzabschnitt des Metallgehäuses
aufsitzt.
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In einer Zündkerze für eine Verbrennungskraftmaschine ist ein
Isolator bis jetzt im allgemeinen aus Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;)
hergestellt worden, welches eine niedrige Wärmeleitfähigkeit
aufweist.
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Durch die hohen Geschwindigkeits- und hohen
Leistungsanforderungen der Verbrennungskraftmaschinen kommt es öfter vor, daß
ein vorderes Ende des Isolators einer höheren
Umgebungstemperatur ausgesetzt ist, was zu Frühzündungen führen kann. Um die
Zündkerze vor Frühzündungen zu schützen, ist vorgeschlagen
worden, daß der Isolator bei einer einstückigen Art von
Zündkerze einstückig aus Aluminiumnitrid (AlN) hergestellt werden
kann, welches eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist, damit
die Hitze weg von dem vorderen Ende der Zündkerze geleitet
wird, um eine Frühzündung in einem ausgedehnten Bereich von
Fahrbedingungen der Verbrennungskraftmaschine zu verhindern.
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Bei der einstückigen Art von Zündkerze kann ein Mangel an
Haltespannung des Isolators dazu führen, daß ein
Funkenüberschlag quer zu dem Isolator durchschlägt, wodurch eine
Fehlzündung verursacht wird, wenn an der Zündkerze eine hohe Spannung
angelegt wird. Da Aluminiumnitrid (AlN) im Vergleich zu
Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;) eine Hochspannung schlechter aushält, ist die
Wahrscheinlichkeit, daß dies auftritt, größer, wenn der
Isolator aus Aluminiumnitrid (AlN) hergestellt wird. Es ist häufig
der Fall, daß der Funkenüberschlag quer zu dem Abschnitt des
Isolators durchschlägt, der sich im wesentlichen nahe bei dem
Absatzabschnitt des Isolators befindet, da der abgestufte
Abschnitt des Isolators auf dem Absatzabschnitt aufsitzt.
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Die vorläufige japanische Patentanmeldung Nr. 2-183985, die am
6. Januar 1989 eingereicht worden ist, und ihre entsprechende
EP-A-0,349,183 offenbaren eine Zündkerze zum Erzeugen eines
Zündfunkens an einem vorderen Ende und mit einem Metallgehäuse
mit einem Absatzabschnitt im dem Metallgehäuse, und einem
rohrförmigen Isolator mit einem abgestuften Abschnitt, der auf
dem Absatzabschnitt in dem Metallgehäuse aufliegt, und einer
Mittelelektrode, die in dem Isolator angeordnet ist, wobei der
Isolator eine hintere Hälfte, die aus Aluminiumoxid
hergestellt ist, und eine vordere Hälfte aufweist, die aus
Aluminiumnitrid hergestellt ist, wobei die hintere Hälfte einen
zentralen Vorsprung aufweist, die vordere Hälfte eine Aussparung
aufweist, wobei sich der Vorsprung in der Aussparung befindet
und einstückig damit durch eine Glasdichtungsmasse gasdicht
verbunden ist.
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Bei diesem zweiteiligen Isolator schlägt der Funkenüberschlag
häufig quer zu der vorderen Hälfte des Isolators durch, weil
der Abschnitt des Isolators, der nahe bei dem Absatzabschnitt
des Metallgehäuses liegt, vollständig aus Aluminiumnitrid
hergestellt ist.
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Deshalb ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Zündkerze mit
einem relativ einfachen Aufbau vorzusehen, die effektiv
verhindern kann, daß ein Funkenüberschlag quer zu dem Isolator
durchschlägt.
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Gemäß der Erfindung ist eine Zündkerze vorgesehen zum Erzeugen
eines Zündfunkens an einem vorderen Ende und mit einem
Metallgehäuse mit einem Absatzabschnitt in dem Metallgehäuse und
einem rohrförmigen Isolator mit einem abgestuften Abschnitt,
der auf dem Absatzabschnitt in dem Metallgehäuse aufliegt, und
einer Mittelelektrode, die in dem Isolator angeordnet ist,
wobei der Isolator eine hintere Hälfte, die aus Aluminiumoxid
hergestellt ist, und eine vordere Hälfte aufweist, die aus
Aluminiumnitrid besteht, wobei die hintere Hälfte einen
zentralen Vorsprung aufweist, die vordere Hälfte eine Aussparung
aufweist, wobei sich der Vorsprung in der Aussparung befindet
und einstückig damit durch eine Glasdichtungsmasse oder einen
hitzebeständigen Klebstoff luftdicht verbunden ist, und sich
das vordere Ende des Vorsprungs über den Absatzabschnitt des
Metallgehäuses hinaus erstreckt.
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Der Aufbau ist derart, daß ein Funkenüberschlag effektiver
daran gehindert wird, quer zu dem Isolator durchzuschlagen,
indem die Dicke des Vorsprungs der hinteren Hälfte erhöht
wird, die einer Hochspannung besser standhalten kann.
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Der Vorsprung der hinteren Hälfte ist durch eine
Glasdichtungsmasse oder einen hitzebeständigen Klebstoff gasdicht mit der
Aussparung verbunden, so daß es möglich ist, einen
Spannungsverlust durch eine Verbindungsfläche zwischen dem Vorsprung
und dem Gehäuse zu vermeiden.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beschreibung, die
nur beispielhalber gegeben ist, und unter Bezugnahme auf die
Zeichnungen besser verständlich, in denen:
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Fig. 1 eine Längsansicht einer Zündkerze ist, wobei ein Teil
des oberen Teils im Schnitt dargestellt ist;
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Fig. 2 eine Längsansicht einer Zündkerze gemäß einem
Ausführungsbeispiei der Erfindung ist, wobei ein Teil des oberen
Teils im Schnitt dargestellt ist;
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Fig. 3 eine Längsansicht einer Zündkerze ist, die für die
Durchführung eines Dauerversuchs verwendet wird, wobei ein
Teil des oberen Teils im Schnitt gezeigt ist; und
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Fig. 4a - 4f Querschnittansichten von verschiedenen Zündkerzen
in Längsrichtung sind, die Beispiele zeigen, bei denen sich
ein Zündfunke quer zu dem Isolator entlädt.
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Wie in den Figuren 1 und 2 zu sehen ist, die im wesentlichen
eine Zündkerze 100 zeigen, weist die Zündkerze 100 ein
zylinderförmiges Metallgehäuse 2 auf, wobei an einem vorderen Ende
davon eine L-förmige Masseelektrode 1 befestigt und mit Hilfe
eines Schweißvorgangs angebracht ist. In dem Metallgehäuse 2
befindet sich ein rohrförmiger Isolator 3, und ein Innenraum
davon dient als eine axiale Bohrung 31. Konzentrisch in der
Bohrung 31 ist eine Mittelelektrode 4 angeordnet.
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Die Außenfläche des Metallgehäuses 2 weist einen Sechskantkopf
21 mit einem vergrößerten Durchmesser, einen Zylinderabschnitt
22 und einen mit einem Gewinde versehenen Abschnitt 23 auf,
der an einem Zylinderblock einer Verbrennungskraftmaschine
angebracht werden soll. Der Innendurchmesser sowohl des
Sechskantkopfes 21 als auch des Zylinderabschnitts 22 ist größer,
wohingegen ein Innendurchmesser des mit einem Gewinde
versehenen Abschnitts 23 kleiner ist. Eine Innenwand des Bereichs des
Metallgehäuses 2, die sich innerhalb des mit dem Gewinde
versehenen Abschnitts 23 befindet, weist einen Absatzabschnitt 24
auf, auf dem ein abgestufter Abschnitt 3a über eine Dichtung
25 aufliegt. Der abgestufte Abschnitt 3a liegt über eine
Dichtung 25 auf. Der abgestufte Abschnitt 3a ist auf dem Isolator
3 vorgesehen, um den Isolator 3 in dem Metallgehäuse 2 zu
lagern. Der Absatzabschnitt 24 umfaßt einen oberen Absatz und
einen unteren Absatz, wie bei (a), (b) in Fig. 1 angegeben
ist.
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Der Isolator 3 weist einen konisch zulaufenden
Schenkelabschnitt 32, einen Abschnitt 33 mit vergrößertem Durchmesser
und einen Kopf 35 auf, dessen Außenfläche eine Riefelung 34
aufweist. Zwischen dem Abschnitt 33 mit dem vergrößerten
Durchmesser und dem Schenkelabschnitt 32 befindet sich ein
mittlerer Abschnitt 36, der diametral etwas größer als der
Schenkelabschnitt 32 ist. Der Isolator 3 weist eine hintere Hälfte 6,
die aus Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;) hergestellt ist, und eine
vordere Hälfte 5 auf, die aus Aluminiumnitrid (AlN) hergestellt
ist, um so einen Isolator der zweiteiligen Art zu bilden. Die
vordere Hälfte 5 umfaßt den mittleren Abschnitt 36. Hinten an
der vorderen Hälfte 5 befindet sich eine zylinderförmige
Aussparung 51, die sich in den Schenkelabschnitt 32 derart hinein
erstreckt, daß der hintere Abschnitt der vorderen Hälfte 5 ein
Gehäuse 51a um die Aussparung 51 herum bildet.
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Die hintere Hälfte 6 umfaßt den Abschnitt 33 mit dem
vergrößerten Durchmesser, dessen vorderes Ende einstückig einen
Vorsprung 61 aufweist. Der Vorsprung 61 ist mit Hilfe eines
hitzebeständigen Klebstoffs (ein Silikonharz) oder einer
Glasdichtungsmasse 7 gasdicht mit dem Gehäuse 51a verbunden.
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In diesem Fall befindet sich ein Überlappungsabschnitt (Op)
des Vorsprungs 61 und des Gehäuses 51a zumindest teilweise in
einer koplanaren Beziehung zu den oberen und unteren Absätzen
(a), (b), wie aus den Fig. 1 und 2 ersichtlich wird.
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Unterdessen wird die Mittelelektrode 4 in die axiale Bohrung
31 eingeführt, deren Innenwand einen Kantenabschnitt 31a
aufweist. Die Mittelelektrode weist einen Flanschkopf 48 auf, der
auf dem Kantenabschnitt 31a aufliegt, um die hintere Hälfte 6
in einen dichten Eingriff mit einer Innenwand des Gehäuses 51a
zu bringen. An dem hinteren Ende der Mittelelektrode 4 ist ein
Anschluß 83 und eine Mittelachse 8 mit Hilfe eines
monolithischen Widerstands 82 angebracht, der zwischen den leitenden
Glasschmelzen 81a, 81b angeordnet ist.
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Mittlerweile ist ein vorderes Ende der Zündkerze 100 bei
Benutzung in einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine
hineingesteckt worden. Wenn eine Hochspannung quer über die
Elektroden angelegt wird, ist es sehr wahrscheinlich, daß ein
Funkenüberschlag zwischen der Mittelelektrode 4 und dem
Metallgehäuse 2 quer zu dem Abschnitt des Isolators, an dem der
Absatzabschnitt direkt auf den Isolator trifft, vielleicht von
den oberen und unteren Absätzen (a), (b) oder von den Ecken
des Absatzabschnitts 24 her auftritt, wenn der Isolator wenig
Widerstand gegenüber der Hochspannung aufweist. Um das
Auftreten eines derartigen Funkenüberschlags zu verhindern, ist der
aus Al&sub2;O&sub3; hergestellte Vorsprung 61, der eine bessere
Widerstandseigenschaft gegenüber Hochspannung aufweist, von einer
derartigen Länge, daß er sich über die koplanare Linie hinaus
erstreckt, die der untere Absatz (b) bildet, d.h. (d) liegt in
Fig. 1 unterhalb von (b). Um den Vorsprung 61 herum befindet
sich das Gehäuse 51a, welches aus Aluminiumnitrid (AlN)
hergestellt ist, das eine bessere Wärmeleitfähigkeit aufweist als
Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;), aus dem die hintere Hälfte 6
hergestellt ist.
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Durch diesen Aufbau wird die Hitze, die sich an dem vorderen
Ende von 4A der Zündkerze 100 entwickelt, auf günstigere Art
und Weise an das Metallgehäuse 2 abgegeben, und zwar über die
vordere Hälfte 5, die Dichtung 25, den abgestuften Abschnitt
31a und den Absatzabschnitt 24, als wenn der Isolator ganz aus
Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;) hergestellt sein würde. Der Isolator
kann einer Hochspannung besser standhalten, als wenn der
Isolator vollständig aus Aluminiumnitrid (AlN) hergestellt sein
würde, weil sich der Vorsprung über den Absatzabschnitt 24
hinaus erstreckt, an dem die Wahrscheinlichkeit besteht, daß
ein Funkenüberschlag auftreten kann. Selbst wenn die Dicke des
Gehäuses verringert wird, ist es möglich, einen Schutz vor
einem Funkenüberschlag vorzusehen, indem der Durchmesser des
Vorsprungs 61 vergrößert wird.
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Der Klebstoff 7, der an der Verbindungsfläche zwischen dem
Vorsprung 61 und dem Gehäuse 51a verwendet wird, ist eine
Glasdichtungsmasse oder ein Kunstharz, welches ebenfalls der
Hochspannung standhält. Die Glasdichtungsmasse ist sehr fein
und weist ein gutes Benetzungsverhältnis bezüglich des
Vorsprungs 61 und des Gehäuses 51a auf. Der
Wärmeausdehnungskoeffizient der Glasdichtungsmasse liegt vorzugsweise bei 5 - 8
x 10&supmin;&sup6; K&supmin;¹, was zwischen dem von Aluminiumnitrid (AlN) und dem
von Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;) liegt.
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Wenn eine Glasdichtungsmasse verwendet wird, die einen hohen
Schmelzpunkt aufweist, wird der Vorsprung 61 im allgemeinen
mit Hilfe der Glasdichtungsmasse mit dem Gehäuse 51a
zusammengefügt, bevor die leitenden Glasschmelzen 81a, 81b, der
monolithische Widerstand 82 und der Anschluß 83 in den Isolator 3
thermisch eingekapselt werden (System mit vorheriger
Verbindung). Wenn das System mit vorheriger Verbindung verwendet
wird, ist es notwendig, eine hitzebeständige
Glasdichtungsmasse zu verwenden, so daß diese nicht geschmolzen wird, wenn die
leitenden Glasdichtungen 81a, 81b, der monolithische
Widerstand 82 und der Anschluß 83 thermisch eingekapselt werden
oder einem Warmpreßvorgang unterzogen werden.
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Wenn die Glasdichtungsmasse verwendet wird, die einen
mittleren Schmelzpunkt aufweist, wird der Vorsprung 61 im
allgemeinen mit Hilfe der Glasdichtungsmasse mit dem Gehäuse 51a
verbunden, und gleichzeitig werden die leitenden Glasdichtungen
81a, 81b, der monolithische Widerstand 82 und der Anschluß 83
in dem Isolator 3 thermisch eingekapselt (System mit
gleichzeitiger Verbindung). Wenn das System mit gleichzeitiger
Verbindung verwendet wird, ist es notwendig, eine hitzebeständige
Glasdichtungsmasse zu verwenden, die einen Erweichungspunkt
ähnlich dem der Glasdichtungen aufweist.
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Wenn die Glasdichtungsmasse verwendet wird, die einen
niedrigen Schmelzpunkt aufweist, wird der Vorsprung 61 mit dem
Gehäuse 51a mit Hilfe der Glasdichtungsmasse zusammengefügt,
nachdem die leitenden Glasdichtungen 81a, 81b, der monolithische
Widerstand 82 und der Anschluß 83 in dem Isolator 3 thermisch
eingekapselt worden sind (System mit nachheriger Verbindung).
Das System mit nachheriger Verbindung ermöglicht die
Verwendung von kostengünstigen Kunstharzen, wenn der
Verbindungsabschnitt in einer Umgebung mit einer ausreichend niedrigen
Temperatur verwendet wird. Der Klebstoff muß einen hohen
Spannungswiderstand und hohe Isoliereigenschaften aufweisen.
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Ein Zündfunken-Dauerversuch wurde bei voller Last und 5000
U/min über einen Zeitraum von 100 Stunden mit der Zündkerze,
die in einem Vierzylindermotor mit einem Hubraum von 2000 cm³
angebracht war, dem Verbindungssystem, dem Klebstoff und den
Zündkerzenabmessungen durchgeführt. Die Ergebnisse des
Experiments sind in der Tabelle gezeigt. Die Figuren 4a - 4f zeigen
Vergleichs-Zündkerzen als Beispiele dafür, wie ein
Funkenüberschlag quer zu dem Isolator auftritt.
TABELLE
zweiteilig oder einstückig
Verbindungssystem
Klebstoff
Abmessungen (mm)
Ergebnis
zweiteilig AlN+Al&sub2;O&sub3;
einstückig AlN
Systemmit vorheriger Verbindung
System mit gleichzeitiger Verbindung
System mit nachheriger Verbindung
Glasdichtungmasse mit hohem Schmelzpunkt
Glasdichtungmasse mit mittlerem Schmelzpunkt
Glasdichtungmasse mit niedrigem Schmelzpunkt
hitzebeständiger Kunstoff
hitzebeständiger Kunstoff (härtet bei aus)
kein Klebstoff wurde verwendet
in Fig. 3 gezeigt
gut
Zündfunke tritt auf bei
Zündfunke kreicht durch den Verbindungsabschnitt zwischen dem Vorsprung und der aussparung
* Das sternchen gibt an, daß (d) hinter (b) angeordnet ist.
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Gemäß den Teststücken (A) und (B) der Erfindung wird der
Vorsprung 61 tief in die Aussparung 51 eingepaßt, wie mit einem
Abstand zwischen (c) und (d) in Fig. 1 gezeigt ist. In diesem
Fall wird der Überlappungsabschnitt des Vorsprungs 61 und des
Gehäuses 51a einer Umgebung mit einer hohen Temperatur
ausgesetzt, wobei eine Glasdichtungsmasse mit einem hohen oder
mittleren Erweichungspunkt als ein Klebstoff verwendet wird.
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Im Falle der Teststücke (C), (D) und (F) der Erfindung wird
der Vorsprung 61 nicht so tief in die Aussparung 51 eingepaßt,
der Überlappungsabschnitt des Vorsprungs 61 mit dem Gehäuse
51a wird keiner so hohen Umgebungstemperatur ausgesetzt, und
eine Glasdichtungsmasse oder ein Kunststoff mit einem
niedrigen Erweichungspunkt werden als Klebstoff verwendet.
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Im Falle des Teststücks (E) nach der Erfindung wird der
Vorsprung 61 nicht so tief in die Aussparung 51 eingepaßt und das
System mit gleichzeitiger Verbindung wird angewandt. Man hat
bei allen Teststücken (A) bis (E) herausgefunden, daß während
des 100-Stunden-Experiments kein Funkenüberschlag quer zu dem
Isolator durchschlägt.
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Im Falle des Vergleichs-Teststücks (G), bei dem der Isolator
einstückig aus Aluminiumnitrid hergestellt ist, wie in Fig. 4a
gezeigt ist, hat man herausgefunden, daß ein Funkenüberschlag
ein paar Stunden, nachdem das Experiment begonnen hat, quer zu
dem Isolator durchschlägt.
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Im Falle des Vergleichs-Teststücks (H), bei dem die hintere
Hälfte und die vordere Hälfte des Isolators jeweils aus
Aluminiumnitrid hergestellt sind, wie in Fig. 4b gezeigt ist, hat
man herausgefunden, daß ein Funkenüberschlag in ein paar
Stunden quer zu dem Isolator durchschlägt, weil der Klebstoff der
hohen Spannung nicht standhalten kann.
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Im Falle des Vergleichs-Teststücks (I), bei dem ein vorderes
Ende des Vorsprungs 61 auf gleicher Höhe mit dem unteren
Absatz (b) liegt, wie in Fig. 4c gezeigt ist, hat man
herausgefunden, daß ein Funkenüberschlag früher als bei dem Teststück
(G) quer zu dem Isolator durchschlägt.
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Im Falle des Vergleichs-Teststücks (J), bei dem der
Überlappungsabschnitt des Vorsprungs 61 und des Gehäuses 51a oberhalb
der Ebene des Abschnitts 3a liegt, wie in Fig. 4d gezeigt ist,
hat man herausgefunden, daß ein Funkenüberschlag in ein paar
Stunden quer zu dem Isolator durchschlägt.
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Im Falle des Vergleichs-Teststücks (K), bei dem die hintere
Hälfte 5 eine Aussparung aufweist und die vordere Hälfte 6
einen Vorsprung aufweist, wie in Fig. 4e gezeigt ist, trifft
der Absatzabschnitt 3a direkt auf die vordere Hälfte 6, so daß
ein Funkenüberschlag quer zu dem Isolator in ein paar Stunden
durchschlägt.
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Im Falle des Vergleichs-Teststücks (L), bei dem der Isolator 3
ähnlich dem Teststück (A) ist, aber bei dem kein Klebstoff
zwischen dem Vorsprung 61 und dem Gehäuse 51a verwendet wird,
wie in Fig. 4f gezeigt ist, hat man herausgefunden, daß ein
Funkenüberschlag quer zu dem Isolator durchschlägt, weil ein
Mangel an Dichtigkeit zwischen dem Vorsprung 61 und dem
Gehäuse 51a herrscht.
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In allen Fällen der Vergleichs-Teststücke (G) bis (K) hat man
herausgefunden, daß ein Funkenüberschlag quer zu dem Isolator
durchschlägt und aufgrund des Mangels an Isolationswiderstand
und Haltespannung eine Fehlzündung verursacht.
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Wie aus der vorhergehenden Beschreibung deutlich wird, ist die
vordere Hälfte 5 aus Aluminiumnitrid hergestellt, das
kostengünstig ist und eine bessere Wärmeleitfähigkeit aufweist,
damit die Hitze schnell an das vordere Ende der Zündkerze
übertragen wird, wohingegen die hintere Hälfte aus
Aluminiumoxid hergestellt ist, das einer hohen Spannung besser
standhalten kann.
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Außerdem wird der hitzebeständige Klebstoff 7, der eine
bessere Isoliereigenschaft aufweist, als Klebstoff zwischen dem
Vorsprung 61 und dem Gehäuse 51a verwendet. Dadurch wird es
möglich, eine wirtschaftliche und zuverlässige Zündkerze
vorzusehen, die verhindern kann, daß ein Funkenüberschlag quer zu
dem Isolator durchschlägt.
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Ein Außengewinde kann auf einer Außenfläche des Vorsprungs 61
ausgebildet sein, und ein Innengewinde kann auf einer
Innenwand des Gehäuses 51a ausgebildet sein, so daß der Vorsprung
61 in das Gehäuse 51a eingeschraubt werden kann, um den
Vorsprung 61 in dem Gehäuse 51a zu integrieren.
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Eine Glasdichtungsmasse kann anstelle des hitzebeständigen
Klebstoffs verwendet werden.