Titel

Zündkerze Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zündkerze für Brennkraftmaschinen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 . Die Druckschrift US 2010/0244651 A1 beschreibt eine vorbekannte Zündkerze, bei der die Masseelektrode in Form einer Brücke beidseitig auf die Stirnseite des Gehäuses aufgeschweißt wird. Aufgrund der beiden sich gegenüber liegenden Anschweißpunkte ist diese Masseelektrode großen Wärmespannungen ausgesetzt, die insbesondere durch die unterschiedlichen

Wärmeausdehnungskoeffizienten des Elektrodenmaterials und des

Gehäusewerkstoffs hervorgerufen werden. Darüber hinaus ist bei der brückenförmigen Masseelektrode keine nachträgliche Einstellung des Spaltes zwischen Mittelelektrode und Masseelektrode durch Verbiegen der

Masseelektrode möglich.

Druckschrift DE 101 55 404 A1 zeigt eine Zündkerze gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 . Hier ist das Gehäuse mit dem Gewinde gegenüber dem brennraumseitigen Ende der Mittelelektrode sehr weit zurückgesetzt.

Infolgedessen umfasst die Masseelektrode einen sehr langen, sich parallel zur Zündkerzenmittelachse erstreckenden Anteil. Diese vorbekannte Bauart weist zwei entscheidende Nachteile auf: Die relativ große und lange Masseelektrode stellt eine relativ große Oberfläche zur Aufnahme der Wärme im Brennraum dar. Gegenüber dieser sehr großen, Wärme aufnehmenden Oberfläche weist die vorbekannte Masseelektrode nur einen sehr geringen Querschnitt am

Verbindungspunkt zwischen Masseelektrode und Gehäuse auf. Lediglich diese sehr geringe Querschnittsfläche kann zur Wärmeableitung aus der Masseelektrode in das Gehäuse genutzt werden. Dieses ungünstige Verhältnis zwischen Wärme aufnehmender Oberfläche und Wärme abführendem

Querschnitt führt zu einer erheblichen thermischen Belastung dieser

vorbekannten Masseelektrode und somit zu verstärkter Oxidation und kürzerer Lebensdauer. Darüber hinaus weist diese vorbekannte Bauart erhebliche Nachteile beim Einstellen des Spaltes zwischen Mittelelektrode und

Masseelektrode auf. Zum Einstellen dieses Spaltes muss die Masseelektrode nach dem Verbinden mit dem Gehäuse zur Mittelelektrode hin gebogen werden. Die vorbekannte Masseelektrode weist einen sehr langen Bestandteil, parallel zur Zündkerzenmittelachse, auf. Beim Biegen des der Mittelelektrode

gegenüberliegenden Anteils der Masseelektrode wirkt ein ungünstiges

Biegemoment auf den zur Mittelachse parallelen Anteil der Masseelektrode. So ist in der vorbekannten Anordnung eine Einstellung des Spaltes nicht optimal möglich.

Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 beschreibt eine Zündkerze mit einer Masseelektrode, die möglichst wenig Wärme über ihre Oberfläche aufnimmt und somit eine geringere Oxidation und eine verlängerte

Lebensdauer aufweist. Darüber hinaus weist die erfindungsgemäße Zündkerze eine geringe Länge, eine hohe Steifigkeit sowie die Möglichkeit, den

Elektrodenabstand zwischen Mittel- und Masseelektrode einfach einzustellen, auf. Die erfindungsgemäßen Zündkerzen werden zur Verwendung in stationären Gasmotoren mit Vorkammern vorgeschlagen, die hohe Brennraumdrücke und

Temperaturen aufweisen. Darüber hinaus ist jedoch auch jegliche weitere Verwendung, beispielsweise in Kraftfahrzeugen, sinnvoll. Die Vorteile werden erreicht mittels einer Zündkerze, umfassend ein Gehäuse als Massekontakt zu einer Brennkraftmaschine, die eine im Gehäuse entlang einer Mittelachse der Zündkerze angeordnete Mittelelektrode, einen Isolator zwischen Mittelelektrode und Gehäuse, und eine zweischenklige Massenelektrode, umfasst, deren Schenkel in einer brennraumseitig der Mittelelektrode befindlichen, zur

Mittelachse senkrechten Schenkelebene zueinander abgewinkelt sind, wobei die beiden Enden der Masseelektrode an jeweils einer Verbindungsstelle mit dem Gehäuse verbunden sind, wobei ein erster Abstand zwischen einem

brennraumseitigen Ende des Gehäuses und der Schenkelebene kleiner oder gleich einem zweiten Abstand zwischen einer der Verbindungsstellen und der Mittelachse ist, und/oder die Masseelektrode zur Mittelachse hin verjüngt ausgebildet ist. Maßgeblich für die Oberfläche der Masseelektrode ist der Umfang der Masseelektrode. Infolgedessen wird auch definiert, dass sich der Umfang der Masseelektrode zur Mittelachse hin verjüngt. Die Verbindungsstellen zwischen Masseelektrode und Gehäuse sind bevorzugt als

Schweißverbindungen ausgebildet. Die Schenkelebene liegt der Mittelelektrode bzw. dem brennraumseitigen Ende der Mittelelektrode gegenüber. Zwischen der Masseelektrode in der Schenkelebene und der Mittelelektrode erfolgt die Funkenbildung der erfindungsgemäßen Zündkerze. Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, nämlich die Wärmeübertragung vom Brennraum auf die Masseelektrode zu vermindern, wird erfindungsgemäß auf zwei verschiedene Möglichkeiten gelöst. Gemäß der ersten Lösung wird der Abstand vom brennraumseitigen Ende des Gehäuses bis zur Schenkelebene möglichst gering gehalten. Dadurch wird die Gesamtoberfläche der Masseelektrode reduziert und infolgedessen verringert sich die Wärmeaufnahme der Masseelektrode. In der zweiten Lösungsvariante wird berücksichtigt, dass die Masseelektrode in der Schenkelebene der größten Temperatur im Brennraum ausgesetzt ist.

Infolgedessen wird die Masseelektrode hin zur Mittelachse verjüngt ausgebildet. Beiden Lösungsvarianten ist somit gemein, dass sie eine möglichst geringe

Oberfläche der Masseelektrode beschreiben. Gleichzeitig ist jedoch in beiden Lösungsvarianten die Masseelektrode zweischenklig ausgeführt. Die beiden Schenkel sind dabei zueinander abgewinkelt, so dass die beiden

Verbindungsstellen zwischen Masseelektrode und Gehäuse nicht

gegenüberliegen. Infolgedessen kann durch ein einfaches Verbiegen der beiden

Schenkel in Richtung Mittelelektrode der Spalt zwischen Mittelelektrode und Masseelektrode genau eingestellt werden. Die im Rahmen dieser Anmeldung genannten Abstände und Winkel werden insbesondere gemessen, bevor die Masseelektrode zur Feinjustierung des Zündkerzenspaltes verbogen wird, bzw. beziehen sich die Angaben zu Abständen und Winkeln auf eine Projektion der beiden Schenkel in die zur Mittelachse senkrechte Schenkelebene. Der erste Abstand wird gemessen zwischen dem brennraumseitigen Ende des Gehäuses und der Schenkelebene. Die Masseelektrode weist in der Schenkelebene eine gewisse Dicke auf, entsprechend wird in der Mitte der Masseelektrode gemessen. Der zweite Abstand wird gemessen von der Mittelachse zur

Verbindungsstelle. Auch die Verbindungsstelle weist eine gewisse Dicke auf und zur Bestimmung des zweiten Abstandes wird in der Mitte der Verbindungsstelle gemessen.

Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.

Insbesondere ist bevorzugt vorgesehen, dass in der Schenkelebene der Umfang der Masseelektrode zur Mittelachse hin verjüngt ausgebildet ist. Insbesondere in der Schenkelebene ist die Temperaturbelastung der Masseelektrode am größten. Infolgedessen erreicht man eine sehr effiziente Reduzierung der

Temperaturaufnahme der Masseelektrode durch eine Verjüngung in diesem

Bereich.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Masseelektrode als Draht ausgebildet ist, dessen Durchmesser zur Mittelachse hin verjüngt ausgebildet ist. Insbesondere liegt der Durchmesser dieses Drahtes an der dünnsten Stelle zwischen 1 mm und 5 mm, insbesondere zwischen 1 mm und 3 mm. Besonders bevorzugt kommt ein Draht mit einer Dicke von 2 mm zum Einsatz. Alternativ dazu ist vorgesehen, dass die Masseelektrode als Blech ausgebildet ist, dessen senkrecht zur Mittelachse gemessene Breite zur Mittelachse hin verjüngt ausgebildet ist. Die Breite des Blechs liegt an der schmälsten Stelle zwischen 1 mm und 6 mm, insbesondere zwischen 2 mm und 5 mm, insbesondere zwischen 2,5 mm und 3,5 mm. Besonders bevorzugt wird ein Blech mit einer Stärke von 2,8 mm verwendet. Des Weiteren kann auch ein Blech mit einer konstanten Breite oder ein Draht mit einer konstanten Dicke verwendet werden. In diesem Fall liegt bevorzugt die konstante Dicke bzw. die konstante Breite in den oben genannten

Wertebereichen. Darüber hinaus ist bevorzugt vorgesehen, dass der Umfang der Masseelektrode zur Mittelachse hin um zumindest 3%, insbesondere zumindest 5%,

insbesondere zumindest 7%, verjüngt ausgebildet ist. Eine Verjüngung um 5% bedeutet beispielsweise, dass die Masseelektrode an einer Stelle eine Breite von 5 mm und eine Stärke von 1 mm (der Umfang liegt somit bei 12mm) aufweist und an einer, der Mittelachse näher liegenden Stelle, eine Breite von 4,7 mm bei gleicher Stärke aufweist. An der Biegestelle zwischen den beiden Schenkeln der zweischenkligen Masseelektrode, welche bevorzugt direkt über der

Mittelelektrode angeordnet ist, kann die Breite wieder etwas zunehmen.

In besonders bevorzugter Ausführung ist vorgesehen, dass die beiden Schenkel in der Schenkelebene in einem Winkel von 20° bis 179°, insbesondere 30° bis

179°, insbesondere 30° bis 170°, insbesondere 60° bis 150°, und bevorzugt ca. 90°, zueinander stehen. Durch diese Winkelbereiche ist sichergestellt, dass die beiden Verbindungsstellen zwischen Masseelektrode und Gehäuse sich nicht direkt gegenüber liegen und somit stets ein Verbiegen der Masseelektrode in Richtung Mittelelektrode zur Einstellung des Zündkerzenspaltes möglich ist.

Zusätzlich können einzelne oder mehrere Durchbrüche in beliebiger Form in der Masseelektrode vorgesehen sein, um insbesondere die Gasströmung im bzw. aus dem Kerzengehäuse-Atmungsraum beeinflussen zu können.

Darüber hinaus ist bevorzugt vorgesehen, dass die beiden Schenkel der

Masseelektrode zusammen einstückig gefertigt sind.

Darüber hinaus umfasst die Masseelektrode bevorzugt einen sich in Richtung der Mittelachse erstreckenden Fortsatz zwischen dem Gehäuse und der

Schenkelebene. Dieser Fortsatz wird am einen Ende am Gehäuse angeschweißt und an dem anderen Ende des Fortsatzes befindet sich eine weitere

Schweißverbindung zu den Schenkeln der Masseelektrode. Alternativ zu diesem Fortsatz, können die beiden Enden der Masseelektrode zum Gehäuse hin umgebogen sein.

Besonders bevorzugt werden die beiden Schenkel der Masseelektrode im Herstellungsprozess zueinander gebogen und dann die beiden Enden auf die Stirnseite des Gehäuses aufgeschweißt. Die sehr kurze Ausführung der

Masseelektrode führt zu einer Reduzierung des Wärmeeintrags. Gegenüber einer Standard-Masseelektrode verringert sich die Spitzentemperatur bei der erfindungsgemäßen Elektrode um ca. 17%. Die zweischenklige Ausführung sowie die zweifache Befestigung an der Gehäusestirnseite erhöhen die

Steifigkeit der erfindungsgemäßen Masseelektrode. Dadurch wird ein Verbiegen der Masseelektrode beim Betrieb durch Gasströmungen und Temperaturspannungen weitgehend unterdrückt. Gegenüber einer Standard- Masseelektrode erhöht sich so die Steifigkeit um ca. 300%.

Als Masseelektrode-Werkstoff kommt bevorzugt eine niedriglegierte Ni-Legierung zum Einsatz. Der Elektrodenabstand zwischen Mittel- und Masseelektrode kann so durch plastische Verformung der Elektrode einfach hergestellt werden. Die eingesetzte niedriglegierte Ni-Legierung kann aufgrund ihrer Duktilität bei Raumtemperatur rissfrei plastisch verformt werden. Bevorzugt wird eine

Edelmetall-Verschweißfläche auf die Masseelektrode aufgebracht. Prinzipiell eignen sich auch hochlegierte Ni-Legierungen (Cr-Anteil > 10%) für die erfindungsgemäße Masseelektrode. Allerdings erfolgt dann das Einstellen des Elektrodenabstands mit größerem Aufwand, da diese hochlegierten Ni- Legierungen eine geringere Duktilität aufweisen. Zur Einstellung des Elektrodenabstandes zwischen der Edelmetall-

Verschweißfläche an der Masseelektrode und der Mittelelektrode erfolgt ein Nachdrücken auf die Schenkel der Masseelektrode mit einem Stempel. Dazu wird vorteilhafterweise beim Anschweißen der Masseelektrode auf das Gehäuse ein größerer Elektrodenabstand gewählt, der dann durch Nachdrücken auf den gewünschten Abstand reduziert wird.

Die erfindungsgemäße zweischenklige Masseelektrode wird bevorzugt durch Biegen von Draht oder durch Ausstanzen aus einem Blechband hergestellt. Die Masseelektrode kann vor dem Aufschweißen plan sein oder durch eine beliebige Form in oder gegen die Richtung der Zündkerzensymmetrieachse vorgeformt werden. Die beiden Enden der Masseelektrode werden auf die Stirnseite des Kerzengehäuses geschweißt, wobei Widerstands- oder Laserschweißverfahren zum Einsatz kommen. An den Schenkeln wird vorteilhafterweise gegenüber der Mittelelektrode eine Edelmetall-Verschleißfläche in beliebiger Form zur

Standzeiterhöhung aufgebracht. Die Befestigung der Edelmetall-Verschleißfläche kann mittels Widerstands- oder Laserschweißen bevorzugt erfolgen.

Zeichnung Nachfolgend werden fünf Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung zeigt: Figur 1 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Zündkerze gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,

Figur 2 eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße Zündkerze gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,

Figur 3 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Zündkerze gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel,

Figur 4 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Zündkerze gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel,

Figur 5 eine Seitenansicht auf eine erfindungsgemäße Zündkerze

gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel, und

Figur 6 eine Seitenansicht auf eine erfindungsgemäße Zündkerze

gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel.

Ausführungsformen der Erfindung

Anhand der Figuren 1 und 2 wird ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Zündkerze 1 beschrieben.

Die Zündkerze 1 umfasst ein Gehäuse 2 als Massekontakt zu einer

Brennkraftmaschine. Das Gehäuse 2 weist ein Gewinde zum Einschrauben der Zündkerze 1 in die Brennkraftmaschine auf. Im Gehäuse 2 ist entlang einer Mittelachse 8 der Zündkerze 1 eine Mittelelektrode 3 angeordnet. Zwischen der Mittelelektrode 3 und dem Gehäuse 2 befindet sich ein Isolator 4.

An dem Gehäuse 2 ist eine Masseelektrode 5 angeordnet. Diese Masseelektrode 5 umfasst einen Fortsatz 14, der sich parallel zur Mittelachse 8 erstreckt. Von diesem Fortsatz 14 erstreckt sich die Masseelektrode 5 in der sogenannten Schenkelebene E gegenüber der Mittelelektrode 3 und senkrecht zur Mittelachse 8. Die Masseelektrode 5 ist an zwei Verbindungsstellen 1 1 , 12 (siehe Figur 2) mit dem Gehäuse 2 verbunden. Ein erster Abstand 6 wird gemessen zwischen dem brennraumseitigen Ende des Gehäuses 2 und der Schenkelebene E. Wie Figur 1 zeigt, weist die

Masseelektrode 5 in der Schenkelebene E eine gewisse Dicke auf, entsprechend wird in der Mitte der Masseelektrode 5 gemessen. Ein zweiter Abstand 7 wird gemessen von der Mittelachse 8 zur Verbindungsstelle 1 1 , 12 bzw. bis zum Fortsatz 14. Der Fortsatz 14 weist ebenfalls eine gewisse Dicke auf und zur Bestimmung des zweiten Abstandes 7 wird in der Mitte des Fortsatzes 14 gemessen.

Die Zündkerze ist so gebaut, dass der erste Abstand 6 kleiner dem zweiten Abstand 7 ist. Insbesondere ist der erste Abstand 6 um zumindest 10%, insbesondere um zumindest 20%, kleiner als der zweite Abstand 7. Dadurch wird sichergestellt, dass die Länge der Masseelektrode 5 und infolgedessen auch die Oberfläche der Masseelektrode 5 möglichst gering ausfällt, so dass ein möglichst geringer Wärmeübertrag vom Brennraum auf die Masseelektrode 5 stattfindet.

Figur 2 zeigt eine brennraumseitige Draufsicht auf die Zündkerze 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Wie hier zu sehen ist, umfasst die Masseelektrode 5 in der Schenkelebene E einen ersten Schenkel 9 und einen zweiten Schenkel 10.

Die Masseelektrode 5 ist hergestellt aus einem ausgestanzten Blech. Die beiden Schenkel 9, 10 weisen einen Winkel von 90° zueinander auf. Der erste

Schenkel 1 bzw. ein Fortsatz 14 am ersten Schenkel 1 ist mittels der ersten Schweißverbindung (Verbindungsstelle) 1 1 mit dem Gehäuse 2 verbunden. Der zweite Schenkel 10 bzw. ein Fortsatz 14 am zweiten Schenkel 10 ist über die zweite Schweißverbindung 12 (Verbindungsstelle) mit dem Gehäuse 2 verbunden.

Bevorzugt laufen die beiden Schenkel 9, 10 direkt über der Mittelelektrode 3 bzw. an der Mittelachse 8 zusammen. Die beiden Schenkel 9, 10 im ersten

Ausführungsbeispiel weisen eine einheitliche Breite b, gemessen senkrecht zur Mittelachse 8, auf.

Anhand Figur 3 wird ein zweites Ausführungsbeispiel der Zündkerze 1

beschrieben. Gleiche bzw. funktional gleiche Bauteile sind in allen

Ausführungsbeispielen mit denselben Bezugszeichen versehen. Wie in Figur 3 dargestellt, verringert sich die Breite der beiden Schenkel 9, 10 zur Mittelachse 7 bzw. zur Mittelelektrode 3 hin. Eingezeichnet ist die geringste Breite b.

Anhand der ersten beiden Ausführungsbeispiele sind die beiden wesentlichen Erfindungsgedanken gut zu erläutern. Wesentlicher Gedanke bei der Erfindung ist, dass eine möglichst geringe Oberfläche der Masseelektrode zu einer möglichst geringen Temperaturaufnahme der Masseelektrode 5 führt, wodurch die Oxidation der Masseelektrode 5 vermieden wird und somit die Laufzeit verlängert wird. Im ersten Ausführungsbeispiel ist der erste Abstand 6 gegenüber dem zweiten Abstand 7 relativ klein ausgebildet. Im zweiten Ausführungsbeispiel wird die Masseelektrode 5, insbesondere im Bereich der größten Hitze, nämlich bei der Mittelachse 8, verschmälert, wodurch sich ebenfalls die Oberfläche der Mittelelektrode 5 verringert. Gleichzeitig muss jedoch die erfindungsgemäße

Zündkerze 1 ein Einstellen des Elektrodenspaltes ermöglichen. Deshalb wird in beiden Ausführungsbeispielen eine abgewinkelte, zweischenklige

Masseelektrode 5 verwendet. Diese abgewinkelte Masseelektrode 5 lässt sich sehr gut in Richtung der Mittelachse 8 verbiegen.

Figur 4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Zündkerze 1 . Gleiche bzw. funktional gleiche Bauteile sind in allen Ausführungsbeispielen mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Gemäß Figur 4 beträgt im dritten Ausführungsbeispiel der Winkel zwischen den beiden Schenkeln 9, 10 ca. 1 15°. Darüber hinaus ist in jedem der Schenkel 9, 10 jeweils ein Durchbruch 13 in Form einer zylindrischen Ausnehmung ausgebildet. Dieser Durchbruch 13 dient hier zum Beeinflussen der Gasströmung in den Kerzengehäuse- Atmungsraum. Figur 5 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel der Zündkerze 1. Gleiche bzw. funktional gleiche Bauteile sind in allen Ausführungsbeispielen mit denselben Bezugszeichen versehen. In dem vierten Ausführungsbeispiel ist die

Masseelektrode 1 vollständig einteilig ausgeführt, so dass keine Fortsätze 14 wie im ersten Ausführungsbeispiel mehr verwendet werden müssen. Hierzu werden die Enden der Masseelektrode 5 an einer Biegestelle 15 um 90° umgebogen.

Diese Enden werden sodann mit dem Gehäuse 2 an den Schweißverbindungsstellen 1 1 , 12 verschweißt. Der erste Abstand 6 ist hier wiederum kleiner gewählt als der zweite Abstand 7, wie im ersten

Ausführungsbeispiel.

Figur 6 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel der Zündkerze 1. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind in allen Ausführungsbeispielen mit denselben Bezugszeichen versehen.

In Figur 6 ist das brennraumseitige Ende der Zündkerze 1 vergrößert dargestellt. In Figur 6 reicht das Gehäuse 2 brennraumseitig über die Mittelelektrode 3 hinaus. Das brennraumseitige Ende des Gehäuses 2 ist in Figur 6 aufgebrochen dargestellt, so dass die Mittelelektrode 3 sichtbar ist. Die Masseelektrode 5 ist im fünften Ausführungsbeispiel als ein ebenes Bauteil ausgebildet. Dadurch, dass das Gehäuse 2 brennraumseitig über die Mittelelektrode 3 hinausragt, kann diese ebene Masseelektrode 5 direkt auf die Enden des Gehäuses 2

aufgeschweißt werden. Dargestellt ist die zweite Verbindungsstelle 12 zwischen Gehäuse 2 und Masseelektrode 5. Die erste Verbindungsstelle 1 1 ist der Übersichtlichkeit halber ausgeblendet. Der erste Abstand 6 reduziert sich in diesem Ausführungsbeispiel auf die halbe Dicke der Masseelektrode 5, gemessen parallel zur Mittelachse 8.

In allen Ausführungsbeispielen können die verschiedenen Formen der

Masseelektrode 5 gemäß den Figuren 2 bis 4 angewandt werden.