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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zündkerze mit einer verbesserten Verbindung zwischen einem Isolator und einem metallischen Gehäuse der Zündkerze. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung einen Isolator, insbesondere einen keramischen Isolator, mit verbesserten Eigenschaften.
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Zündkerzen sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Üblicherweise erfolgt eine Verbindung zwischen einem metallischen Gehäuse der Zündkerze und einem Isolator durch ein Umbördeln eines Brennraum-abgewandten Endes des Gehäuses an einer vorstehenden, umlaufenden Schulter des Isolators. Hierbei erfolgt auch eine Verspannung zwischen dem Isolator und dem Gehäuse. Aus verschiedensten Gründen wird in jüngster Zeit ein Brennraumdruck in Brennräumen von Brennkraftmaschinen ständig erhöht, was zu höheren pulsierenden axialen Kräften auf die Zündkerze und insbesondere auf den Isolator der Zündkerze führt. Weiterhin erhöht sich auch eine Temperaturbelastung des Gehäuses der Zündkerze ständig. Aufgrund dieser äußeren Einflüsse kann es nun dazu kommen, dass das Brennraum-seitige Ende des Gehäuses, welches den Isolator an der umlaufenden, vorstehenden Schulter verspannt und fixiert, teilweise oder vollständig aufgebogen wird. Hierzu kann es bis zu einem vollständigen Ausstoßen des Isolators vom Gehäuse kommen. Auch ohne ein vollständiges Ausstoßen des Isolators vom Gehäuse der Zündkerze kann es zu Warmdichtheitsproblemen kommen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Zündkerze mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine verbesserte Warmdichtheit zwischen einem Gehäuse und einem Isolator der Zündkerze vorhanden ist. Insbesondere kann ein Aufbiegen eines Brennraum-abgewandten Endes des Gehäuses aufgrund von äußeren Einflüssen auf den Isolator, insbesondere von axialen Druckbelastungen des Isolators, vermieden werden. Dadurch können längere Standzeiten des Isolators realisiert werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Zündkerze einen Isolator mit einer am Außenumfang des Isolators vorgesehenen, umlaufenden Vertiefung aufweist. Ferner weist die Zündkerze ein metallisches Gehäuse auf, welches an einem Brennraum-abgewandten Endbereich des Gehäuses in die Vertiefung vorsteht. Dadurch wird eine Fixierung und Verspannung des Gehäuses am Isolator erreicht. Durch das Vorsehen der Vertiefung kann der Brennraum-abgewandte Endbereich des Gehäuses in die Vertiefung vorstehen. Dadurch kann der Brennraum-abgewandte Endbereich des Gehäuses länger als üblich ausgebildet werden, so dass eine höhere mechanische Festigkeit der Verbindung zwischen Isolator und Gehäuse erreicht wird und auch eine Vorspannung des Gehäuses am Isolator erhöht werden kann. Dadurch kann die Verbindung zwischen Gehäuse und Isolator auch höheren Brennraumdrücken standhalten. Weiterhin wirkt sich die Erfindung positiv auf eine Warmdichtheit der Zündkerze im Bereich zwischen Isolator und Gehäuse aus. Auch können erfindungsgemäß höhere Einspannkräfte zwischen Gehäuse und Isolator realisiert werden, so dass insbesondere ein teilweises oder vollständiges Aufbiegen bei axialer Belastung und/oder bei hohen Lastwechselzahlen verhindert werden kann.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Vorzugsweise umfasst der Isolator einen umlaufenden, radial nach außen vorstehenden Bereich und die Vertiefung ist zwischen dem vorstehenden Bereich und einem Brennraum-abgewandten Ende des Isolators angeordnet. Besonders bevorzugt ist die Vertiefung dabei unmittelbar angrenzend am vorstehenden Bereich vorgesehen. Dadurch kann der Brennraum-abgewandte Endbereich des Gehäuses noch länger ausgestaltet werden, so dass eine weiter verbesserte, höhere mechanische Festigkeit und Vorspannung des Gehäuses am Isolator ermöglicht wird.
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Weiter bevorzugt ist ein Abstand zwischen dem Endbereich des Gehäuses und dem Boden der Vertiefung vorgesehen. Dadurch wird vermieden, dass ein Kontakt zwischen der Spitze des Endbereichs des Gehäuses und dem Isolator auftritt, welcher eine Beschädigung des Isolators durch ein Anritzen der Oberfläche des Isolators oder das Einbringen von unerwünschten Spannungen, vermieden werden kann. Der Abstand zwischen dem Endbereich des Gehäuses und dem Boden des Isolators beträgt dabei zwischen 5 und 40 μm und besonders bevorzugt zwischen 5 und 30 μm. Hierdurch können insbesondere Toleranzen, welche beispielsweise durch den Fixiervorgang mittels Bördeln des Gehäuses am Isolator auftreten können, ausgeglichen werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist am Endbereich des Gehäuses ein Zusatzelement, insbesondere ein Dichtelement, zwischen dem Gehäuse und dem Isolator angeordnet. Hierdurch kann eine verbesserte Warmdichtheit der Zündkerze in diesem Bereich erhalten werden.
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Die Vertiefung weist weiter bevorzugt eine Stufe mit einer Anlagefläche auf, wobei das Dichtelement auf der Anlagefläche angeordnet ist. Dadurch wird eine bessere Dichtheit durch Vorsehen der Anlagefläche erhalten, so dass die Warmdichtheit noch weiter gesteigert werden kann. Das Dichtelement ist vorzugsweise ein Metallring mit einem trapezförmigen, insbesondere Parallelogramm-artigen, Querschnitt. Alternativ umfasst das Dichtelement einen ersten und zweiten Ring, welche ein Dichtheitspaket auf Pulverbasis, beispielsweise Talkum, umschließen. Die beiden Ringe sind dabei in Axialrichtung vor und hinter dem Dichtheitspaket angeordnet.
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Weiter bevorzugt ist eine Bördelverbindung zwischen dem Endbereich des Gehäuses und dem Isolator vorgesehen. Diese Verbindungsart kann einfach und kostengünstig hergestellt werden und hat sich seit langen Jahren bewährt.
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Vorzugsweise ist die Ausnehmung am Isolator zwischen dem vorstehenden Bereich und einem Zylinderbereich des Isolators angeordnet.
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Der Endbereich des Gehäuses weist vorzugsweise eine Eintauchtiefe in die Vertiefung im Isolator in einem Bereich von 0,05 bis 2 mm, insbesondere 0,3 bis 1,3 mm, und weiter insbesondere ungefähr 0,6 mm, ausgehend von einem Zylinderbereich des Isolators, auf.
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Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung einen Isolator, insbesondere einen keramischen Isolator, welcher an einem Außenumfang eine umlaufende Vertiefung aufweist. Die Vertiefung ist eingerichtet, einen Endbereich des Gehäuses aufzunehmen.
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Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine Brennkraftmaschine, umfassend eine erfindungsgemäße Zündkerze.
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Zeichnung
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind dabei mit den jeweils gleichen Bezugszeichen bezeichnet. In der Zeichnung ist:
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1 eine schematische, teilweise geschnittene Ansicht einer Zündkerze gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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2 eine schematische, vergrößerte Teilansicht der Zündkerze von 1,
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3 eine vergrößerte Detailansicht von 2,
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4 eine schematische Teilschnittansicht einer Zündkerze gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
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5 eine schematische Teilschnittansicht einer Zündkerze gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung und
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6 eine schematische Teilschnittansicht einer Zündkerze gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 eine Zündkerze 1 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst die Zündkerze 1 einen Isolator 2 und ein metallisches Gehäuse 3. Das Gehäuse 3 umfasst in bekannter Weise ein Gewinde 31, mit welchem die Zündkerze in eine entsprechende Gewindeöffnung eingeschraubt werden kann. Die Zündkerze umfasst ferner eine Mittelelektrode 8 und eine Masseelektrode 9.
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Weiterhin ist zwischen dem Isolator 2 und dem Gehäuse 3 eine Bördelverbindung 7 vorgesehen. Die Bördelverbindung 7 ist erfindungsgemäß nur zwischen einem Brennraum-abgewandten Endbereich 30 des Gehäuses 3 und dem Isolator 2 vorgesehen. Der Isolator 2 umfasst dabei eine Vertiefung 20.
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Die Vertiefung 20 ist im Detail aus den 2 und 3 ersichtlich. Der Brennraum-abgewandte Endbereich 30 des Gehäuses 3 ragt dabei in die Vertiefung 20 hinein. Hierbei ist die Länge des Brennraum-abgewandten Endbereichs 30 derart gewählt, dass im gebördelten Zustand ein Abstand 10 zwischen der Spitze des Brennraum-abgewandten Endbereichs 30 und einem Boden der Vertiefung 20 vorhanden ist. Der Abstand beträgt vorzugsweise ungefähr 30 μm.
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In 3 ist eine Eintauchtiefe mit dem Bezugszeichen 11 bezeichnet. Die Eintauchtiefe beträgt vorzugsweise ungefähr 0,6 mm.
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Nach der Fixierung des Gehäuses 3 am Isolator 2 ergibt sich somit ein erster Kontaktbereich 4 zwischen dem Brennraum-abgewandten Endbereich 30 und einer zur Vertiefung 20 führenden Schulter 25 des Isolators. Ein zweiter Kontaktbereich 5 ist zwischen einem umlaufenden, radial nach außen vorstehenden Bereich 21 des Isolators und einem inneren Umfangsbereich 32 des Gehäuses 3 gebildet (vgl. 3).
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Die Fixierung des Brennraum-abgewandten Endbereichs 30 am Isolator 2 erfolgt mittels Bördeln.
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Durch das Vorsehen der Vertiefung 20 kann nun der Brennraum-abgewandte Endbereich 30 des Gehäuses 3 länger ausgeführt werden, so dass der gebördelte Endbereich 30 in die Vertiefung 20 vorsteht. Dadurch kann eine Steifigkeit und Festigkeit des Brennraum-abgewandten Endbereichs 30 nach dem Verfahrensschritt des Bördelns wesentlich vergrößert werden. Hierdurch können insbesondere größere in Axialrichtung X-X der Zündkerze wirkende Kräfte, beispielsweise aufgrund von hohen Brennraumdrücken und/oder starken Lastwechseln im Brennraum, aufgenommen werden. Dadurch wird erfindungsgemäß insbesondere verhindert, dass der Isolator 2 durch die hohen Drücke im Brennraum aus dem Gehäuse 3 in Axialrichtung X-X herausgedrückt wird.
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Die Vertiefung 20 am Außenumfang des Isolators 2 ist dabei derart gewählt, dass die Vertiefung 20 an den in Axialrichtung X-X gerichteten Seiten jeweils sich verjüngende, insbesondere konische, Flächen aufweist. Darüber hinaus sind die Übergänge zwischen den Flächen und dem Boden der Vertiefung sowie den angrenzenden Bereichen des Isolators abgerundet ausgeführt.
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Somit kann erfindungsgemäß eine höhere mechanische Festigkeit zwischen Isolator 2 und Gehäuse 3 sowie eine verbesserte Vorspannung zwischen Gehäuse 3 und Isolator 2 erreicht werden.
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4 zeigt eine Zündkerze 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist beim zweiten Ausführungsbeispiel zwischen dem Isolator 2 und dem Gehäuse 3 noch ein Zusatzelement angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Zusatzelement ein Dichtelement 6, welches als im Schnitt Parallelogramm-artiger Metallring 60 ausgebildet ist. Durch diese Maßnahme kann insbesondere eine Warmdichtheit der Zündkerze weiter verbessert werden. Der verlängerte Brennraum-abgewandte Endbereich 30 des Gehäuses 3 kontaktiert dabei das Dichtelement 6 (vergleiche 4). Zwischen der Spitze des Brennraum-abgewandten Endbereichs 30 und einem Boden der Vertiefung 20 ist wiederum ein Abstand 10 vorgesehen.
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5 zeigt eine Zündkerze 1 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im Unterschied zum zweiten Ausführungsbeispiel ist beim dritten Ausführungsbeispiel das Dichtelement 6 unterschiedlich aufgebaut. Das Dichtelement 5 des dritten Ausführungsbeispiels umfasst einen ersten Ring 61, einen zweiten Ring 62 und ein zwischen den beiden Ringen 61, 62 angeordnetes Dichtheitspaket auf Basis eines Pulvers. Als Pulver kann beispielsweise ein keramisches Pulver verwendet werden. Die Vertiefung 20 dieses Ausführungsbeispiels umfasst dabei eine Stufe 23 mit einer Anlagefläche 24, an welcher das Dichtelement 6 anliegt. Im Unterschied zum zweiten Ausführungsbeispiel ist die Anlagefläche 24 beim dritten Ausführungsbeispiel in Axialrichtung deutlich länger ausgeführt. Hierdurch wird eine größere Dichtfläche zwischen dem Isolator 2 und dem Gehäuse 3 ermöglicht.
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6 zeigt eine Zündkerze 1 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das vierte Ausführungsbeispiel umfasst ebenfalls ein Dichtelement 6 wie im dritten Ausführungsbeispiel, umfassend einen ersten Ring 61, einen zweiten Ring 62 und ein dazwischen angeordnetes Pulver 63. Beim dritten Ausführungsbeispiel ist allerdings die Vertiefung 20 in Axialrichtung X-X deutlich verlängert als im Vergleich zu dem in 5 gezeigten dritten Ausführungsbeispiel. Hierdurch kann insbesondere die Herstellung der Vertiefung 20 vereinfacht werden. Wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen mit Dichtelement 6 kontaktiert der Brennraum-abgewandte Endbereich 30 wieder das Dichtelement 6. Dadurch ist der erste Kontaktbereich 4 zwischen dem Gehäuse 3 und dem Dichtelement 6 gebildet.
