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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer Zündkerze nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.
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Eine derartige Zündkerze ist beispielsweise in der
DE 21 06 893 A1 beschrieben. Die Zündkerze weist ein Gehäuse auf, in dem ein Isolator angeordnet ist. In den Isolator ist eine Längsbohrung eingebracht, in der eine Mittelelektrode angeordnet ist. Am Gehäuse sind drei Masseelektroden festgelegt, wobei eine der Masseelektroden als Dachelektrode und die beiden anderen Masseelektroden als seitlich angestellte Elektroden ausgebildet sind. Durch Anlegen einer Zündspannung bildet sich zwischen der Mittelelektrode und einer der Masseelektroden eine Funkenstrecke aus. Die Funkenstrecke zwischen der Dachelektrode und der Mittelelektrode verläuft entlang einer Längsachse der Längsbohrung des Isolators (Luftfunkenstrecke). Zwischen den seitlich angestellten Elektroden und der Mittelelektrode bildet sich eine Gleitfunkenstrecke aus, die über die dem Brennraum zugewandte Stirnseite des Isolators verläuft. Die Mittelelektrode ist passgenau in der Längsbohrung des Isolators angeordnet oder weist nur einen sehr geringen Abstand zum Isolator auf.
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Derartige Zündkerzen, bei denen sich aufgrund der Elektrodengeometrie sowohl eine Luftfunkenstrecke als auch eine Gleitfunkenstrecke (beziehungsweise eine Gleitluftfunkenstrecke) ausbilden kann, werden insbesondere in Anwendungen eingesetzt, bei denen eine starke Verrußung des Isolators auftreten kann. Dies ist beispielsweise beim Einsatz in Schichtlademotoren der Fall. Durch die Funkenentladung über die Gleitfunkenstrecke wird der Ruß auf der Oberfläche des Isolators zumindest teilweise verbrannt.
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Auf der Oberfläche des Isolators bilden sich bei Anlegen der Zündspannung hohe elektrische Feldstärken ausbilden. Hierbei ist nachteilig, dass aufgrund dieser hohen elektrischen Feldstärken bei einer verrußten Oberfläche des Isolators bewegliche Ladungsträger gebildet werden, durch die eine sogenannte Gleitentladung, nämlich eine Entladung zwischen Gehäuse und Isolator, begünstigt wird. Eine derartige Gleitentladung kann nicht das Luft-Kraftstoff-Gemisch im Brennraum entzünden und führt daher zu Zündaussetzern. Bei sehr starker Verrußung kann es auch zum kompletten Nebenschluss kommen, das heißt zu einer leitfähigen Verbindung zwischen Mittelelektrode und Gehäuse, durch die die Ausbildung von Funkenstrecken zwischen den Elektroden verhindert wird.
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Zündkerze mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass auf der Außenfläche des Isolators bei Anlegen einer Zündspannung vergleichsweise geringe elektrische Feldstärken vorliegen, wodurch die Gefahr von Gleitentladungen vermindert wird. Hierzu ist vorgesehen, dass die Mittelelektrode in einem ersten Abschnitt einen radialen Abstand zur Längsbohrung des Isolators von weniger als 0,15 mm aufweist, und dass die Mittelelektrode in einem zweiten Abschnitt einen radialen Abstand zur Längsbohrung des Isolators von mindestens 0,15 mm aufweist.
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Durch den Spalt zwischen dem zweiten Abschnitt der Mittelelektrode und dem Isolator verringert sich die Feldstärke im Bereich der Oberfläche des Isolators und damit die Neigung zu Gleitentladungen.
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Zündkerzen mit einer als Dachelektrode ausgebildeten ersten Masseelektrode und (mindestens) einer zweiten Masseelektrode, die seitlich neben der Mittelelektrode angestellt ist, bilden sowohl Luftfunkenstrecken zur Dachelektrode als auch Gleitfunkenstrecken beziehungsweise Luftgleitfunkenstrecken zu den seitlich angestellten Masseelektroden aus. Durch die Luftgleitfunkenstrecken werden Ablagerungen auf dem Isolator weggebrannt, über die ansonsten unerwünschte Kriechströme oder auch Entladungen fließen könnten. Derartige Zündkerzen werden bevorzugt bei Motorkonzepten eingesetzt, bei denen Ablagerungen, insbesondere Verrußungen, vermehrt auftreten. Ein Beispiel hierfür ist der Schichtlademotor, bei dem im Schichtbetrieb durch die späte Einspritzung des Kraftstoffs noch flüssiger Kraftstoff im Brennraum vorhanden sein kann, der bei Verbrennung zu verstärkter Rußbildung führt.
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In der Regel sind derartige Zündkerzen so ausgelegt, dass die Mehrzahl der Entladungen zur Dachelektrode erfolgen, wobei die Luftfunkenstrecke zwischen Dachelektrode und Mittelelektrode zu der optimalen Entzündung des Luft-Kraftstoff-Gemischs führt, da die Entflammung (Flammkern) an einem definierten Ort erfolgt, wodurch ein gleichmäßiges Durchbrennen des Luft-Kraftstoff-Gemischs gewährleistet ist. Dies ist besonders wichtig bei Schichtlademotoren.
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Die zur Erzeugung einer optimalen Luftfunkenstrecke notwendige Spannung ist jedoch vergleichsweise hoch, so dass auch seitlich an der Außenfläche des Isolators hohe Feldstärken vorliegen, durch die auf einer verunreinigten (beispielsweise verrußten) Oberfläche des Isolators freie Ladungsträger erzeugt werden. Durch ein zwischen dem zweiten Abschnitt der Mittelelektrode und dem Isolator vorgesehener Spalt wird die Feldkonfiguration derart verändert, dass die elektrische Feldstärke auf der Außenseite des Isolators vermindert wird. Damit verringert sich die Zahl der beweglichen Ladungsträger und damit auch die Wahrscheinlichkeit einer Gleitentladung entlang des Isolators hin zum Gehäuse.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der in dem unabhängigen Anspruch angegebenen Zündkerze möglich.
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Vorteilhaft weist der überwiegende Teil des zweiten Abschnitts der Mittelelektrode einen radialen Abstand zur Längsbohrung des Isolators von mindestens 0,3 mm auf, um die Erzeugung von Ladungsträgern auf der Außenfläche des Isolators besonders wirkungsvoll zu vermeiden. Der zweite Abschnitt kann zylindrisch geformt sein, mit einem beispielsweise konischen Übergangsbereich zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt der Mittelelektrode. Der Übergangsbereich zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt kann auch als Absatz ausgebildet sein, dessen Fläche in einer Ebene senkrecht zur Längsachse des Isolators liegt. Alternativ kann der zweite Abschnitt unterteilt sein in verschiedene sich in Richtung der ersten Masseelektrode verjüngende Bereiche mit abnehmendem Durchmesser, wobei eine Mittelelektrode mit einem derartig sich verjüngenden Endabschnitt vorteilhaft eine Edelmetallspitze aufweist.
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Vorteilhaft liegt die axiale Ausdehnung h (also die Ausdehnung in einer Richtung parallel zur Längsachse des Isolators) eines innerhalb des Isolators angeordneten Bereichs des zweiten Abschnitts der Mittelelektrode im Bereich von 0,3 mm bis 2,0 mm, insbesondere im Bereich von 0,5 mm bis 1,4 mm, bevorzugt bei 0,7 mm. Ebenso vorteilhaft ist die axiale Ausdehnung h größer ist als ein Abstand f, wobei der Abstand f der axiale Abstand zwischen der Stirnseite des Isolators und der der ersten Masseelektrode abgewandten Seite des Endabschnitts der zweiten Masseelektrode ist.
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Die Zündkerze weist zwischen der Mittelelektrode und der ersten Masseelektrode einen Elektrodenabstand r und zwischen der Mittelelektrode und der zweiten Masseelektrode einen Elektrodenabstand s auf. Bei Anlegen einer Spannung kann sich eine Funkenstrecke sowohl zwischen der ersten Masseelektrode und der Mittelelektrode als auch zwischen der zweiten Masseelektrode und der Mittelelektrode ausbilden. Vorteilhaft sind die Elektrodenabstände so ausgestaltet, dass bei einem nicht oder nur wenig verrußten Isolator sich die überwiegende Zahl der Funkenstrecken zwischen der ersten Masseelektrode und der Mittelelektrode ausbilden, da diese Funkenstrecke zu einer optimalen Entzündung des Luft-Kraftstoffgemischs führt, und dass bei einem stärker verrußten Isolator der Anteil der Funkenentladungen zwischen der zweiten Masseelektrode und der Mittelelektrode soweit ansteigt, dass durch die Funkenentladungen die Verrußung des Isolators zumindest teilweise weggebrannt wird. Hierzu haben sich Zündkerzen als geeignet erwiesen, bei denen der Quotient s/r im Bereich von 1 bis 2,5, insbesondere im Bereich von 1,3 bis 1,8, liegt, und/oder bei denen die Differenz s – r im Bereich von 0 mm bis 1 mm, insbesondere im Bereich von 0,4 bis 0,8 mm, liegt. Unter dem Abstand der ersten Masseelektrode zur Mittelelektrode wird hier und im folgenden der axiale Abstand der ersten Masseelektrode zur Stirnseite der Mittelelektrode verstanden. Die zweite Masseelektrode weist einen der Mittelelektrode zugewandten Endabschnitt auf. Unter dem Abstand der zweiten Masseelektrode zur Mittelelektrode ist der kürzeste radiale Abstand des Endabschnitts der zweiten Masseelektrode zu dem Bereich der Mittelelektrode, der (bezüglich der Längsachse des Isolators) auf Höhe des Endabschnitts der zweiten Masseelektrode liegt, zu verstehen.
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Die im Brennraum aufgrund der Verbrennung des Luft-Kraftstoffgemischs entstehenden Wärme führt zu einer starken Erwärmung des brennraumseitigen Endabschnitts der Zündkerze. Um eine Überhitzung der Zündkerze zu vermeiden, ist die Zündkerze vorteilhaft so gestaltet, dass die Wärme vom brennraumseitigen Endabschnitt der Zündkerze hin zum anschlussseitigen Ende der Zündkerze abgeführt wird. Weist der Isolator einen nur sehr geringen Abstand zum ersten Abschnitt der Mittelelektrode auf, so erfolgt ein Großteil des Wärmeflusses aus dem Isolator über die Mittelelektrode. Zwischen dem zweiten Abschnitt der Mittelelektrode und dem Isolator ist jedoch ein zum Brennraum hin offener Spalt vorgesehen, der den Wärmefluss stark einschränkt.
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Der Isolator weist also einen vorderen Abschnitt auf, in dem die Wärmeableitung über die Mittelelektrode gegenüber den anderen Abschnitten des Isolators stark vermindert ist. Dieser vordere Abschnitt ist der Bereich des Isolators, der bezüglich der Längsachse des Isolators auf Höhe des zweiten Abschnitts der Mittelelektrode angeordnet ist und damit einen Abstand von mindestens 0,15 mm zur Mittelelektrode aufweist. Bei diesem Abstand von 0,15 mm oder mehr verringert sich der Wärmefluss vom Isolator zur Mittelelektrode deutlich. Die Mittelelektrode verjüngt sich vom ersten zum zweiten Abschnitt, und der Übergang vom ersten zum zweiten Abschnitt liegt bei rotationssymmetrischem Aufbau in einer zur Längsachse des Isolators senkrechten Ebene, in der die Mittelelektrode einen radialen Abstand von 0,15 mm zum Isolator hat. Der vordere Abschnitt des Isolators erstreckt sich nun beginnend von dieser zur Längsachse des Isolators senkrechten Ebene bis zur der der ersten Masseelektrode zugewandten Stirnseite des Isolators. Der vordere Abschnitt weist ein Volumen V, eine Außenfläche A und eine Ringfläche R auf. Die Außenfläche A setzt sich aus der äußeren und inneren Mantelfläche und der Stirnseite des Isolators zusammen, wobei der Übergang zwischen den Mantelflächen und der Stirnseite beispielsweise durch abgerundete Kanten oder durch konisch zulaufende Bereiche gestaltet werden kann und natürlich ebenso zur Außenfläche A beiträgt. Die Ringfläche R ist die Fläche innerhalb des Isolators, der auf der oben erwähnten zur Längsachse des Isolators senkrechten Ebene zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt der Mittelelekrode liegt, und durch die der vordere Bereich des Isolators begrenzt ist.
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Um eine Überhitzung des vorderen Bereichs des Isolators zu vermeiden, weist der vordere Abschnitt eine Geometrie auf, bei der der Quotient der Außenfläche A und der Ringfläche R kleiner als 4,0, insbesondere kleiner als 3,1 ist. Da die Wärmeaufnahme des vorderen Abschnitts des Isolators über die Außenfläche A erfolgt und eine größere Außenfläche A eine größere Wärmeaufnahme bedeutet, und da die Wärme über die Ringfläche R zum anschlussseitigen Ende der Zündkerze fließt und über eine größere Ringfläche R die Wärme besser abgeführt wird, wird vorteilhaft eine Geometrie gewählt, bei der die Außenfläche A vergleichsweise klein und die Ringfläche R vergleichsweise groß ist. Eine besonders gute Wärmeableitung und eine ausgezeichnete Vermeidung von Gleitfunken konnte mit Zündkerzen erreicht werden, deren vorderer Abschnitt ein Verhältnis A/R im Bereich von 2,0 bis 2,9, insbesondere von 2,5, aufweist.
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Bei einem Kaltstart des Motors lagert sich besonders viel Ruß auf dem Isolator ab, solange der Isolator noch kalt ist. Um die Rußablagerungen bei Kaltstarts zu vermindern, ist daher vorteilhaft eine Geometrie des vorderen Abschnitts des Isolators vorgesehen, bei der der Isolator in der Startphase schnell aufgeheizt wird. Hier ist vorteilhaft vorgesehen, dass der Quotient V/A des Volumens V und der Außenfläche A des vorderen Abschnitts kleiner als 0,33 mm ist, insbesondere im Bereich von 0,20 mm bis 0,32 mm liegt. Die Aufheizung des vorderen Abschnitts des Isolators bei Kaltstarts erfolgt umso schneller, je kleiner das aufzuheizende Volumen V und je größer die wärmeaufnehmende Außenfläche A ist. Ein besonders gutes Aufheizverhalten bei gleichzeitig geringem Verschleiß auf der Stirnseite der Keramik durch Funkeneingrabungen wurde bei einer Zündkerze mit einem Verhältnis V/A im Bereich von 0,23 mm bis 0,28 mm, insbesondere bei 0,25 mm erzielt.
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Zur Vermeidung von Funkeneingrabungen weist der Isolator an der Innenkante seiner Stirnseite vorteilhaft einen konischen Bereich auf, also ein Fase, die am brennraumseitigen Ende des Isolators an der Innenseite der Längsbohrung eingebracht ist. Besonders wirkungsvoll werden Funkeneingrabungen verhindert, wenn der konische Bereich einen Winkel zur Längsachse des Isolators von 20 bis 40 Grad, insbesondere 30 Grad, aufweist, und wenn der konische Bereich in radialer Richtung eine Ausdehnung m von 0,2 mm bis 0,4 mm, insbesondere 0,3 mm, und in axialer Richtung eine Ausdehnung n von 0,4 mm bis 0,8 mm, insbesondere 0,6 mm, aufweist.
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Vorteilhaft ist die dem Brennraum abgewandte Kante des Endabschnitts der zweiten Masseelektrode weitgehend bündig zur Stirnseite des Isolators angeordnet. Durch eine derartige Anordnung, bei der der Endabschnitt der zweiten Masseelektrode nicht direkt der äußeren Mantelfläche des Isolators gegenübersteht, wird wirkungsvoll die Ausbildung von Rußbrücken zwischen Masseelektrode und Isolator verhindert. Besonders vorteilhaft ist die Außenkante der Stirnseite des Isolators mit einem Radius von ungefähr 0,3 mm abgerundet, da durch diesen Radius der Abstand zwischen der anschlussseitigen Kante des Endabschnitts der zweiten Masseelektrode zum Isolator vergrößert wird, und da bei dieser Geometrie durch das Einbringen der Abrundung der Außenkante des Isolators die Neigung zur Gleitfunkenentladung nicht oder zumindest nicht wesentlich vermindert wird.
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Zeichnung
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die 1 zeigt als erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung eine erfindungsgemäße Zündkerze im Teilschnitt, die 2 zeigt eine Detailansicht des brennraumseitigen Endabschnitt des ersten Ausführungsbeispiels, die 3 zeigt eine Aufsicht auf den brennraumseitigen Endabschnitt gemäß 2, die 4 zeigt eine weitere Detailansicht des brennraumseitigen Endabschnitt des ersten Ausführungsbeispiels, 5 zeigt die elektrische Feldstärke auf der Außenfläche eines Isolators als Funktion der Spaltbreite i zwischen Isolator und Mittelelektrode, und 6 zeigt den brennraumseitigen Endabschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Zündkerze.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Die 1 bis 4 zeigen als erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Zündkerze 10 mit einem brennraumseitigen Ende 11 und einem anschlussseitigen Ende 12 auf. Die Zündkerze 10 umfasst ein metallisches Gehäuse 21, das mit einem Gewinde 22 und mit einem Sechskant 23 versehen ist. Die Zündkerze 10 wird mittels eines an dem Sechskant 23 angreifenden Werkzeug in ein Gegengewinde in einem Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors eingeschraubt, so dass die Zündkerze 10 mit ihrem brennraumseitigen Ende 11 in einen Brennraum 29 eines Zylinders des Verbrennungsmotors ragt.
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Im Gehäuse 21 ist ein keramischer Isolator 31 gasdicht festgelegt. Der Isolator 31 weist eine Längsbohrung 32 mit einer Symmetrieachse auf, die die Längsachse 33 des Isolators 31 und damit der Zündkerze 10 bildet. In der Längsbohrung 32 des Isolators 31 sind anschlussseitig ein Anschlussbolzen 24 und brennraumseitig eine Mittelelektrode 51 eingebracht. Anschlussbolzen 24 und Mittelelektrode 51 sind durch ein ebenfalls in der Längsbohrung 32 des Isolators 31 angeordnetes Widerstandselement 25 elektrisch verbunden, das bei Anlegen einer Hochspannung an den Anschlussbolzen 24 strombegrenzend wirkt. Das Widerstandselement 25 umfasst ein Widerstandspanat und zwei Kontaktpanate, wobei das Widerstandspanat durch jeweils ein Kontaktpanat mit dem Anschlussbolzen 24 und mit der Mittelelektrode 51 elektrisch verbunden ist.
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Der Isolator 31 ragt am brennraumseitigen Ende 11 der Zündkerze 10 aus dem Gehäuse 21 heraus und weist eine dem Brennraum 29 zugewandte Stirnseite 36 auf. Die Mittelelektrode 51 erstreckt sich über die Stirnseite 36 des Isolators 31 hinaus in den Brennraum 29.
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Am Gehäuse 21 sind eine erste Masseelektrode 61, eine zweite Masseelektrode 71 und eine dritte Masseelektrode 72 festgelegt. Die erste Masseelektrode 61 ist als Dachelektrode ausgebildet, die sich ausgehend vom Gehäuse 21 zunächst in eine Richtung parallel zur Längsachse 33 der Zündkerze 10 erstreckt und die eine Biegung um 90 Grad hin zur Mittelelektrode 51 aufweist, so dass sich die erste Masseelektrode 61 bis über die Mittelelektrode 51, also bis in den Bereich der Längsachse 33 der Zündkerze 10 erstreckt. Die zweite und die dritte Masseelektrode 71, 72 weisen ähnlich wie die erste Masseelektrode 61 eine Biegung hin zur Mittelelektrode 51 auf, wobei die zweite und die dritte Masseelektrode 71, 72 seitlich angestellte Elektroden sind, deren Endabschnitt 73 seitlich neben der Mittelelektrode 51 angeordnet ist, so dass der Endabschnitt 73 der Mantelfläche des aus dem Isolator 31 herausragenden Teils der Mittelelektrode 51 gegenüberliegend angeordnet ist.
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Aufgrund der Geometrie der Masseelektroden 61, 71, 72 können sich bei Anlegen einer Hochspannung an den Anschlussbolzen 24 zwei unterschiedliche Arten von Funkenstrecken ausbilden, und zwar zum einen zwischen der ersten Massenelektrode 61 und der Mittelelektrode 51 eine Luftfunkenstrecke, die im wesentlichen parallel zur Längsachse 33 des Isolators 31 verläuft, und zum anderen eine Luftgleitfunkenstrecke, die von der zweiten oder der dritten Masseelektrode 71, 72 zur Außenkante des Isolator 31 (Luftfunken), über die Stirnseite 36 des Isolators 31 (Gleitfunken) und von der Innenkante des Isolators 31 zur Mittelelektrode 51 (Luftfunken) verläuft. Ein entlang der Luftfunkenstrecke verlaufender Zündfunken bewirkt eine optimale Entzündung des Luft-Kraftstoffgemischs, während durch einen über den Isolator 31 gleitenden Zündfunken Ablagerungen auf dem Isolator 31, insbesondere Rußablagerungen, weggebrannt werden.
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Die äußere Mantelfläche des Isolators 31 ist brennraumseitig zylinderförmig und geht in anschlussseitiger Richtung in einen konisch geformten Bereich über. Die Längsbohrung 32 des Isolators 31 weist im Bereich der Mittelelektrode 51 einen überwiegend konstanten Durchmesser auf. Die Außenkante der Stirnseite 36 des Isolators 31 ist abgerundet 37 mit einem Radius von 0,3 mm gestaltet. An der Innenkante der Stirnseite 36 des Isolators 31 ist eine Fase, also ein konischer Bereich 38, vorgesehen.
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Die Mittelelektrode 51 weist einen zylindrischen ersten Abschnitt 52 auf, in dem der Spaltabstand zwischen Mittelelektrode 51 und Isolator 31 bei 0,035 mm liegt. An den ersten Abschnitt 52 schließt sich brennraumseitig ein zweiter Abschnitt 53 mit einem geringeren Durchmesser an. Der Übergang zwischen dem ersten Abschnitt 52 und dem zweiten Abschnitt 53 wird durch einen kurzen konischen Abschnitt (alternativ durch einen Absatz) gebildet. Der zweite Abschnitt 53 weist (bis auf einen Teilbereich des kurzen konischen Abschnitts) einen Abstand von mindestens 0,35 mm zur Innenwand (Längsbohrung 32) des Isolators 31 auf. Aufgrund der sich konisch aufweitenden Innenkante 38 der Stirnseite 36 des Isolators 31 beträgt der Abstand zwischen Mittelelektrode 51 und Isolator 31 auf Höhe der Stirnseite 36 des Isolators 0,65 mm.
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In 4 sind verschiedene Abmessungen des brennraumseitigen Endes 11 der Zündkerze 10 dargestellt, die im folgenden erläutert werden. Mit a ist der Durchmesser des zweiten Abschnitts 53 der Mittelelektrode 51 gekennzeichnet, b bezeichnet den Durchmesser des ersten Abschnitts 52 der Mittelelektrode, c bezeichnet den Durchmesser der Längsbohrung 32, also den Innendurchmesser des Isolators 31, d bezeichnet den Außendurchmesser des zylindrisch geformten brennraumseitigen Endabschnitts des Isolators 31, e bezeichnet die axiale Länge (also die Länge in Richtung der Längsachse 33 des Isolators 31) des über die Stirnseite 36 des Isolators 31 überstehenden Teils der Mittelelektrode 51 (also den Überstand der Mittelelekrode 51 bezüglich der Längsachse der Zündkerze 10), f bezeichnet den axialen Abstand zwischen der dem Brennraum 29 abgewandten Seite des Endabschnitts 73 der zweiten oder dritten Masseelektrode 71, 72 zu der Stirnseite 36 des Isolators 31, g bezeichnet den axialen Abstand zwischen der dem Brennraum 29 zugewandten Seite des Endabschnitts 73 der zweiten oder dritten Masseelektrode 71, 72 zu der Stirnseite 36 des Isolators 31, h bezeichnet den axialen Abstand des Bereichs der Mittelelektrode 51, der einen Abstand von mindestens 0,15 mm zur Längsbohrung 32 des Isolators 31 aufweist, zu der Stirnseite 36 des Isolators 31, i bezeichnet den kleinsten Abstand des innerhalb des Isolators 31 angeordneten zylindrischen Bereichs des zweiten Abschnitts 53 der Mittelelektrode 51 zur Längsbohrung 32 des Isolators 31, j bezeichnet den Abstand zwischen dem ersten Abschnitt 52 der Mittelelektrode 51 zur Längsbohrung 32 des Isolators 31, k bezeichnet den radialen Abstand zwischen dem Endabschnitt 73 der zweiten oder dritten Masseelektrode 71, 72 und der Außenfläche des Isolators 31 auf Höhe des jeweiligen Endabschnitts 73, m bezeichnet die radiale Ausdehnung des konischen Bereichs 38 des Isolators 31, also die halbe Differenz zwischen dem Durchmesser der Innenkante der Stirnseite 36 des Isolators 31 und dem Innendurchmesser des zylindrischen Bereichs des Isolators 31 (auf Höhe des ersten Abschnitts 52 der Mittelelektrode 51), n bezeichnet die axiale Ausdehnung des konischen Bereichs 38 des Isolators 31, also die Entfernung des Bereichs, in dem die Längsbohrung 32 des Isolators 31 von einer zylindrischen in eine konische Form übergeht, zu der Ebene, in der die Stirnseite 36 des Isolators 31 liegt, r bezeichnet den Abstand zwischen der ersten Masseelektrode 61 und der Stirnseite 56 der Mittelelektrode 51 und s bezeichnet den Abstand zwischen dem Endabschnitt 73 der zweiten oder dritten Masseelektrode 71, 72 zur Mantelfläche des zylindrischen Bereichs des zweiten Abschnitts 53 der Mittelelektrode 51.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß den 1 bis 4 weist folgende Abmessungen auf:
a: 2,1 mm
b: 2,73 mm
c: 2,8 mm
d: 4,5 mm
e: 1,5 mm
f: |f| ≤ 0,25 mm, insbesondere f = 0 mm
g: 1,05 mm
h: 0,7 mm
i: 0,35 mm
j: 0,035 mm
k: 0,35 mm
m: 0,3 mm
n: 0,6 mm
r: 0,9 mm
s: 1,5 mm
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Damit liegt die Außenfläche A des vorderen Abschnitts 35 des Isolators 31 bei ungefähr 24,1 mm2, das Volumen V des vorderen Abschnitts 35 beträgt ungefähr 6,1 mm3, und die Ringfläche R beträgt ungefähr 9,7 mm2. Das Verhältnis V/A ergibt sich damit zu ungefähr 0,25 mm, das Verhältnis A/R liegt bei ungefähr 2,5.
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In 5 ist die Abhängigkeit einer Feldstärke E (in kV/mm) im Bereich der Außenfläche des Isolators 31 als Funktion des Abstandes i (in mm), also der Spaltbreite zwischen Mittelelektrode 51 und Isolator 31, dargestellt. Die mit dem Bezugszeichen 101 gekennzeichnete Kurve bezieht sich auf eine Zündkerze mit d = 4,3 mm, c = 2,4 mm und k = 0,5 mm, wobei bei der Variation der Spaltweite i zwischen Isolator 31 und Mittelelektrode 51 der Innendurchmesser c des Isolators konstant gehalten wurde, so dass b = c – 2i. Die mit dem Bezugszeichen 102 gekennzeichnete Kurve bezieht sich auf eine Zündkerze mit d = 4,5 mm, c = 2,8 mm und k = 0,35 mm, wobei wie bei Kurve 101 der Innendurchmesser c des Isolators konstant gehalten wurde. Die Feldstärke E gibt die Feldstärke auf der Außenfläche des Isolators 31 wieder. Bei hohen Feldstärken E werden auf der Oberfläche des Isolators 31 Ladungsträger erzeugt, die zu unerwünschten Gleitentladungen führen können. Durch die Vergrößerung des Spaltes zwischen dem vorderen Abschnitt 35 des Isolators 31 und dem zweiten Abschnitt 53 der Mittelelektrode wird die Feldstärke auf der Außenfläche des Isolators 31 deutlich vermindert. Bei einem Abstand i = 0,15 wird die Feldstärke gegenüber einer Konfiguration mit nur sehr kleinem Spalt bereits auf einen Wert vermindert, bei dem deutlich weniger Ladungsträger auf der Außenfläche des Isolators 31 entstehen. Bei dem beim ersten Ausführungsbeispiel vorliegenden Abstand i = 0,35 mm ist die Feldstärke E gegenüber einer Konfiguration mit i < 0,15 mm bereits ungefähr halbiert.
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In 6 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, dass sich vom ersten Ausführungsbeispiel im wesentlichen durch die Gestaltung der Mittelelektrode 51 und der zweiten und dritten Masseelektrode 71, 72 unterscheidet. Einander entsprechende Elemente sind beim zweiten Ausführungsbeispiel mit denselben Bezugszeichen wie beim ersten Ausführungsbeispiel gemäß den 1 bis 4 gekennzeichnet.
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Die Mittelelektrode 51 der Zündkerze 10 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel weist einen zweiten Abschnitt 53 auf, der einen zylindrischen ersten Bereich 81, einen konisch zulaufenden zweiten Bereich 82 und einen als Edelmetallspitze 83 ausgebildeten dritten Bereich aufweist. Der erste Bereich 81 des zweiten Abschnitts 53 schließt sich an den ersten Abschnitt 52 der Mittelelektrode 51 an, wobei der Übergang zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt 52, 53 ähnlich wie beim ersten Ausführungsbeispiel durch einen kurzen konischen Abschnitt gebildet ist. Der erste Bereich 81 des zweiten Abschnitts 53 der Mittelelektrode 51 geht in den zweiten Bereich 82 über, an den sich die Edelmetallspitze 83 mit der der ersten Masseelektrode 61 zugewandten Stirnseite 56 anschließt, die einen Durchmesser von 0,6 mm aufweist.
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Die Abmessungen des zweiten Ausführungsbeispiels unterscheiden sich von den Abmessungen des ersten Ausführungsbeispiels in folgenden Werten:
f: 0,55 mm
g: 0,50 mm
h: 1,3 mm
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Unter dem Durchmesser a des zweiten Abschnitts 52 der Mittelelektrode 51 wird der Durchmesser des ersten Bereichs 81 des zweiten Abschnitts 52 verstanden; der erste Bereich 81 bildet den Großteil des innerhalb des Isolators 31 angeordneten Teil des zweiten Abschnitts 52 der Mittelelektrode 51. Der Abstand s bezeichnet den Abstand zwischen dem Endabschnitt 73 der zweiten oder dritten Masseelektrode 71, 72 zur Mantelfläche des ersten Bereichs 81 des zweiten Abschnitts 53 der Mittelelektrode 51, in dem auch die sich zwischen der Mittelelektrode 51 und der zweiten beziehungsweise dritten Masseelektrode 71, 72 ausbildende Luftgleitfunkenstrecke endet. Der Abstand r bezeichnet die Entfernung zwischen der ersten Masseelektrode 61 und der Stirnseite 56 der Edelmetallspitze 83 der Mittelelektrode 51. Für die Außenfläche A des vorderen Abschnitts 35 des Isolators 31 ergibt sich ein Wert von ungefähr 37,9 mm2, das Volumen V des vorderen Abschnitts 35 beträgt ungefähr 11,9 mm3, und die Ringfläche R beträgt wie beim ersten Ausführungsbeispiel ungefähr 9,7 mm2. Das Verhältnis V/A ergibt sich damit zu ungefähr 0,31 mm, das Verhältnis A/R liegt bei ungefähr 3,9.