Der Erfindung liegt daher die Aufgabe
zugrunde, die oben genannten, aus dem Stand der Technik bekannten
Nachteile oder Fehler auszuräumen
und eine Zündkerze
mit kompaktem Aufbau zur Verfügung
zu stellen, bei der die Entladespannung wirksam reduziert werden
kann.
Um die obige Aufgabe zu lösen, führten die Erfinder
verschiedene Untersuchungen und Versuche durch, bei denen sie die
Mittelelektrode mit einem konischen Abschnitt und einem säulenförmigen Abschnitt
versahen und bei denen sie den Durchmesser des säulenförmigen Abschnitts und den Verjüngungswinkel
des konischen Abschnitts änderten.
Auf Basis dieser Untersuchungen und
Versuchen können
die obige und weitere Aufgaben erfindungsgemäß durch eine Zündkerze
gelöst
werden, die Folgendes umfasst: eine Metallhaupthalterung mit zylinderförmigem Aufbau;
einen Isolator, der sich innerhalb der zylinderförmigen Metallhaupthalterung befindet
und einen innen hohlen Aufbau hat; eine Mittelelektrode, die so
in den innen hohlen Abschnitt des Isolators eingepasst ist, dass
ein vorderer Endabschnitt der Mittelelektrode über das eine Ende des Isolators
hinaus nach außen
ragt; und eine Masseelektrode, die an der Metallhaupthalterung angebracht
ist und deren einer Endabschnitt dem vorderen Endabschnitt der Mittelelektrode
mit einem Funkenspalt dazwischen gegenüberliegt, wobei der vordere
Endabschnitt der Mittelelektrode einen konischen Abschnitt mit einer
sich verjüngenden
Oberfläche
und einen an einem Kopfabschnitt des konischen Abschnitts ausgebildeten
säulenförmigen Abschnitt umfasst,
der säulenförmige Abschnitt
einen Durchmesser in einem Bereich von 0,4 mm bis 0,8 mm hat, was
einer Querschnittsfläche
in einem Bereich von 0,12 mm2 bis 0,51 mm2 entspricht, und die sich verjüngende Oberfläche des
konischen Abschnitts einen Verjüngungswinkel
von weniger als 80° hat.
Der zwischen dem säulenförmigen Abschnitt und
dem Körperabschnitt
der Mittelelektrode liegende konische Abschnitt hat also eine sich
linear verjüngende
Oberfläche,
die sich leicht bilden lässt.
Da der säulenförmige Abschnitt der Mittelelektrode
einen Durchmesser im Bereich von 0,4 mm bis 0,8 mm hat, was einer
Querschnittsfläche
im Bereich von 0,12 mm2 bis 0,51 mm2 entspricht, und die sich verjüngende Oberfläche des
konischen Abschnitts einen Verjüngungswinkel
von weniger als 80° hat,
lässt sich
die Entladespannung der Zündkerze
reduzieren und lässt
sich die elektrische Feldstärke
konzentrieren und geeignet aufrechterhalten.
Erfindungsgemäß kann also eine Zündkerze mit
kompaktem Aufbau zur Verfügung
gestellt werden.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist es wünschenswert,
dass der Verjüngungswinkel
weniger als 60° und
mehr als 20° beträgt.
Falls der Verjüngungswinkel weniger als 20° beträgt, lässt sich
die Entladespannung nur begrenzt reduzieren, wobei in diesem Fall
selbst bei einer weiteren Verringerung des Verjüngungswinkels die Entladespannung
nicht erfolgreich reduziert werden kann. Bei einem zu geringen Verjüngungswinkel
leidet außerdem
leicht die Festigkeit des vorderen Endabschnitts der Mittelelektrode.
Gemäß einer weiteren Abwandlung
ist es wünschenswert,
dass der säulenförmige Abschnitt eine
Axiallänge
in einem Bereich von 0,3 mm bis 1,0 mm hat.
Und zwar verkürzt sich bei einer Axiallänge des
säulenförmigen Abschnitts
von weniger als 0,3 mm die nutzbare Lebensdauer der Zündkerze
durch schnellen Verbrauch, während
sich der säulenförmige Abschnitt
bei mehr als 1,0 mm aufgrund der schlechteren Wärmeabstrahlung leicht verbraucht.
Der Abstand zwischen der Spitze des
säulenförmigen Abschnitts
der Mittelelektrode und dem vorragenden Ende des Isolators kann
in einem Bereich von 1,0 mm bis 6,0 mm eingestellt werden.
Darüber hinaus werden der säulenförmige Abschnitt
und der konische Abschnitt der Mittelelektrode mit Laser verschweißt.
Außerdem kann die Zündkerze
mit einer an einem Außenabschnitt
der Metallhaupthalterung ausgebildeten Befestigungsschraube versehen
sein, deren Durchmesser kleiner als M10 ist.
Die Masseelektrode hat einen Einzelpol.
Der säulenförmige Abschnitt kann aus einer Iridiumlegierung
bestehen.
Der konische Abschnitt hat eine Außenform, die
vorgegeben wird durch einen Kreis, der von einer Schnittlinie der
Umfangsfläche
des säulenförmigen Abschnitts
oder der sich durch Verlängerung
der Umfangsfläche
zum konischen Abschnitt hin ergebenden Fläche und der konischen Oberfläche des
konischen Abschnitts gebildet wird; einen Kreis auf der Unterseite
des konischen Abschnitts; und eine Fläche, die nicht über die
diese beiden Kreise verbindende konische Fläche hinausgeht.
Wie oben erläutert wurde, kann also erfindungsgemäß eine Zündkerze
mit kompakten Aufbau zur Verfügung
gestellt werden, mit der sich die Entladespannung geeignet reduzieren
lässt.
Die Eigenschaften und weitere kennzeichnende
Merkmale der Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung
verdeutlicht, in der auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen
wird. Es zeigen:
1A im
Längsschnitt
eine Zündkerze
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung und 1B vergrößert im
Schnitt den einen Endabschnitt der Zündkerze von 1A;
2A und 2B einen Spitzenabschnitt der
Mittelelektrode der Zündkerze
von 1, der mit Laser
geschweißt
wurde;
3 eine
grafische Darstellung mit dem Zusammenhang zwischen einem Durchmesser ϕ1
eines säulenförmigen Abschnitts,
einem Verjüngungswinkels θ1 und einer
Entladespannung;
4 eine
grafische Darstellung mit dem Zusammenhang zwischen einem Verjüngungswinkel θ1 eines
konischen Abschnitts und einer Entladespannung;
5A und 5B eine Darstellung der
sich bei Analyse des elektrischen Felds ergebenden Äquipotenziallinienverteilung;
6 eine
grafische Darstellung mit dem Zusammenhang zwischen einem Verjüngungswinkel θ1 und einer
sich bei Analyse des elektrischen Felds ergebenden elektrischen
Feldstärke;
7A den
wesentlichen Abschnitt einer Zündkerze
mit einpoliger Masseelektrode und 7B den
wesentlichen Abschnitt einer Zündkerze mit
dreipoliger Masseelektrode;
8 eine
grafische Darstellung mit dem Zusammenhang zwischen dem Verjüngungswinkel θ1 eines
konischen Abschnitts und einer Entladespannung für die die einpolige und dreipolige
Masseelektrode aufweisenden Zündkerzen.
Unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
wird im Folgenden ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Zündkerze
beschrieben.
Wie sich aus 1A und 1B ergibt,
enthält
die Zündkerze
eine Metallhaupthalterung 10, die aus Kohlenstoffstahl
besteht und durch Kaltschmieden oder spanabhebende Bearbeitung in
eine Zylinder- oder Röhrenform
gebracht wurde. In 1B ist die
eine Endseite 12 der Metallhaupthalterung 10 dargestellt.
Die Metallhaupthalterung 10 hat eine Außenfläche, an der ein Schraubgewinde
ausgebildet ist, damit sie in einen Motor, beispielsweise einem Verbrennungsmotor,
eingebaut werden kann. Es ist günstig,
wenn das Schraubgewinde einen Durchmesser von weniger als M10 hat.
Innerhalb des zylinderförmigen Aufbaus
der Metallhaupthalterung 10 ist ein Isolator oder Isolierbauteil 20 angeordnet
und wird in diesem gehalten, wobei der Isolator 20 aus
einem elektrisch isolierenden Material wie Aluminiumoxid besteht.
Der Isolator 20 hat einen innen hohlen Aufbau mit einem
in seiner Axialrichtung verlaufenden Loch, in das eine Mittelelektrode 30 eingepasst
ist, so dass sie gegenüber
der Metallhaupthalterung elektrisch isoliert ist. Das andere Ende
der Metallhaupthalterung 10 ist mit einem nicht gezeigten
Anschluss versehen, der elektrisch mit der Mittelelektrode 30 verbunden
ist.
Die Mittelelektrode 30 hat
eine in Axialrichtung der Zündkerze
bzw. in Axialrichtung der Metallhaupthalterung 10 verlaufende
Stabform und einen vorderen Spitzen- bzw. Endabschnitt, der aus
dem Endabschnitt 12 der Metallhaupthalterung 10 und dem
Endabschnitt 21 des Isolators 20 herausragt. Der
vordere Endabschnitt der Mittelelektrode 30 hat einen Aufbau,
der einen konischen Abschnitt 31 und einen am Kopfende
des konischen Abschnitts 31 ausgebildeten säulenförmigen Abschnitt 32 umfasst. Der
säulenförmige Abschnitt 32 hat
einen etwas geringeren Durchmesser als der Kopfabschnitt des konischen
Abschnitts 31.
Der konische Abschnitt 31 hat
einen sich verjüngenden
Aufbau, der mit einem konstanten Verjüngungswinkel 81 schön zum vorderen
Endabschnitt der Mittelelektrode 30 läuft, während der säulenförmige Abschnitt 32 einen
Durchmesser ϕ1 und eine in Axialrichtung der Zündkerze
verlaufende Axiallänge L1
hat.
Falls der konische Abschnitt 31 und
der säulenförmige Abschnitt 32 aus
voneinander unabhängigen
Teilen bestehen, kann ein Aufbau angewandt werden, bei dem der säulenförmige, aus
einer Platin- oder Iridiumlegierung bestehende Abschnitt 32 durch beispielsweise
Verschweißen
am vorderen Endabschnitt des durch Pressen oder spanabhebende Bearbeitung
aus einer Nickellegierung oder dergleichen gebildeten konischen
Abschnitts 31 befestigt wird. In diesem Ausführungsbeispiel
wurden der konische Abschnitt 31 und der säulenförmige Abschnitt 32 miteinander
mit Laser verschweißt.
Anstelle dessen können
die Abschnitte 31 und 32 aber auch in einem Stück durch
Pressen oder spanabhebende Bearbeitung ausgebildet werden.
In dem dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiel
sind der konische Abschnitt 31 und der säulenförmige Abschnitt 32 als
unabhängige Körper oder
Bauteile ausgebildet und ist der aus einer Iridiumlegierung bestehende
säulenförmige Abschnitt 32 durch
Laserverschweißung
an dem aus einer Nickellegierung bestehenden konischen Abschnitt 31 befestigt.
Die 2A und 2B zeigen den genauen Aufbau
des vorderen End abschnitts der Mittelelektrode 30, der
den oben angegeben Aufbau hat.
Wie in 2A gezeigt
ist, hat der vordere Endabschnitt der Mittelelektrode 30 an
dem Grenzabschnitt des konischen Abschnitts 31 und des
säulenförmigen Abschnitts 32 einen
aufgeschmolzenen Abschnitt 33, an dem die beiden Abschnitte 31 und 32 aufgeschmolzen
sind und sich vermischt haben. Der konische Abschnitt 31 und
der säulenförmige Abschnitt 32 des
vorderen Endabschnitts der Mittelelektrode 30 sind also
miteinander über
einen solchen aufgeschmolzenen Abschnitt 33 verbunden.
Bei diesem Aufbau ist die Länge L1 des
säulenförmigen Abschnitts 32 wie
folgt definiert.
Und zwar ist die Länge L1,
wie in 2B dargestellt
ist, unter der Annahme, dass ein sich überschneidender Abschnitt einer
Verlängerung
der Außenfläche des
säulenförmigen Abschnitts 32 zum aufgeschmolzenen
Abschnitt 33 und einer Verlängerung der sich verjüngenden
Außenfläche des
konischen Abschnitts 31 zu dem aufgeschmolzenen Abschnitt 33 eine
gedachte Fläche
K bilden, als Abstand zwischen dem Kopfabschnitt des säulenförmigen Abschnitts 32 und
dieser gedachten Fläche
K definiert.
Darüber hinaus ist die Form des
konischen Abschnitts 31 wie folgt vorgegeben.
Der konische Abschnitt hat eine Außenform, die
vorgegeben ist durch einen Kreis, der von einer Schnittlinie der
Umfangsfläche
des säulenförmigen Abschnitts
oder der sich durch Verlängerung
der Umfangsfläche
zum konischen Abschnitt hin ergebenden Fläche und der konischen Oberfläche des
konischen Abschnitts gebildet wird; einen Kreis auf der Unterseite
des konischen Abschnitts; und eine Fläche, die nicht über die
diese beiden Kreise verbindende konische Fläche hinausgeht.
Bei diesem Ausführungsbeispiel mit dem geschmolzenen
Abschnitt 33 ist der erstgenannte der beiden obigen Kreise
ein Kreis, der von der Schnittlinie der Verlängerung der Umfangsfläche des
säulenförmigen Abschnitts
32 zum konischen Abschnitt 31 und der konischen Oberfläche des
konischen Abschnitts 31 gebildet wird.
Dabei beträgt in diesem Ausführungsbeispiel der
Durchmesser ϕ1 des säulenförmigen Abschnitts 32 nicht
mehr als 0,4 mm und weniger als 0,8 mm und der Verjüngungswinkel θ1 des konischen
Abschnitts 31 weniger als 80°. Es ist zu beachten, dass der
hier verwendete Begriff "Verjüngungswinkel" einen Winkel darstellt,
wie er der durch die Japanische Industrie-Norm JIS 80612 vorgegeben
wird. Außerdem
ist es vorzuziehen, dass der Verjüngungswinkel θ1 eine Obergrenze
von weniger als 60° und
eine Untergrenze von mehr als 20° hat.
Des Weiteren ist es vorzuziehen,
dass die Länge
L1 des säulenförmigen Abschnitts 32 nicht mehr
als 0,3 mm und weniger als 1,0 mm beträgt und die Länge L2 des
vorderen Endabschnitts der Mittelelektrode 30 zwischen
dem Endabschnitt 21 des Isolators 20 und dem vorderen
Endabschnitt der Mittelelektrode 30 (Spitze des säulenförmigen Abschnitts 32)
in einem Bereich von 1,0 mm bis 6,0 mm liegt.
Die Zündkerze dieses Ausführungsbeispiels hat
außerdem
eine Masseelektrode 40, die dem vorderen Ende der Mittel elektrode 30 bzw.
der Spitze des säulenförmigen Abschnitts 32 gegenüberliegt.
Das eine Ende der Masseelektrode 40 ist beispielsweise
durch Schweißen
an dem einen Ende der Metallhaupthalterung 10 befestigt,
während
das andere Ende in seinem Mittelabschnitt gebogen ist, so dass es
der Spitze des säulenförmigen Abschnitts 32 mit
einem dazwischen definierten Funkenspalt 50 gegenüberliegt.
Durch Anlegen einer Spannung zwischen der Mittelelektrode 30 und
der Masseelektrode 40 wird in diesem Funkenspalt 50 ein
Entladungsfunken erzeugt.
Bei der erfindungsgemäßen Zündkerze
setzt sich der vordere Endabschnitt der Mittelelektrode 30 also
aus dem konischen Abschnitt 31 und dem an dem Kopfende
des konischen Abschnitts 31 ausgebildeten säulenförmigen Abschnitt 32 zusammen.
Bei diesem Aufbau bildet die sich verjüngende Oberfläche, die
zwischen dem Körperabschnitt
größeren Durchmessers
der Mittelelektrode 30 und dem Fußabschnitt des säulenförmigen Abschnitts 32 kleinen Durchmessers
ausgebildet ist, eine konische Fläche mit sich linear verjüngender
Form. Diese sich verjüngende
Oberfläche
lässt sich
im Vergleich zu der herkömmlichen
vertieften und sich verjüngenden
Oberfläche,
die bei der Diskussion des Stands der Technik erwähnt wurde,
leichter bearbeiten.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der
Erfindung sind der Durchmesser ϕ1 des säulenförmigen Abschnitts, seine Axiallänge L1,
der Verjüngungswinkels θ1 des konischen
Abschnitts 31 und die Länge
L2 des vorderen Endabschnitts der Mittelelektrode 30 zudem auf bevorzugte
Werte oder Bereiche begrenzt, die durch Versuche ermittelt wurden,
wie sie in den 3 bis 5 dargestellt sind. Allerdings
ist zu beachten, dass die Erfindung natürlich nicht unbedingt auf diese
beschriebenen Werte beschränkt
ist.
Die grafische Darstellung von 3 zeigt den Zusammenhang
zwischen dem Durchmesser ϕ1 des säulenförmigen Abschnitts 32,
der Entladespannung und dem Verjüngungswinkel θ1 des konischen Abschnitts 31,
wobei der hier verwendete Begriff "Entladespannung" für
die Spannung zu Beginn der Funkenerzeugung in dem Funkenspalt 50 zwischen der
Mittelelektrode 30 und der Masseelektrode 40 steht.
Für
den Versuch von 3 wurden
Zündkerzen
mit Mittelelektroden angefertigt, bei denen die Verjüngungswinkel θ1 der konischen
Abschnitte 60°, 105° und 180° betrugen,
bei denen säulenförmige Abschnitte 32 mit
unterschiedlichen Durchmessern Anwendung fanden und bei denen die
Entladespannungen gemessen wurden. Bei diesem Versuch wurde ein
säulenförmiger Abschnitt 32 mit
0,8 mm großer
Länge L1
verwendet. Wie sich aus der grafischen Darstellung von 3 ergibt, zeigt der Zusammenhang
zwischen dem Durchmesser des säulenförmigen Abschnitts 32 und
der Entladespannung für
die Verjüngungswinkel θ1 von 105° und 180° im Großen und
Ganzen das gleiche Ergebnis.
Für
den Verjüngungswinkel θ1 von 60° wurde dagegen
bei einem Durchmesser θ1
des säulenförmigen Abschnitt
32 im Bereich von 0,4 mm bis 0,8 mm ein Spannungsabfall der Entladespannung
von bis zu etwa 10% beobachtet. In diesem Fall konnte also eine
durch die Verkleinerung des Verjüngungswinkel θ1 hervorgerufene
und erzielbare vorteilhafte Wirkung nachgewiesen werden.
Bei einem Durchmesser θ1 außerhalb
des Bereichs von 0,4 mm bis 0,8 mm ließ sich dagegen eine nur geringe
vorteilhafte Wirkung nachweisen.
Diese durch den Verjüngungswinkel θ1 des konischen
Abschnitts 31 bedingte vorteilhafte Wirkung konnte für einen
Durchmesser θ1
des säulenförmigen Abschnitts 32 im
Bereich von 0,4 mm bis 0,8 mm gleichmäßig in einem Längenbereich
des säulenförmigen Abschnitts 32 von
0,3 mm bis 1,0 mm nachgewiesen werden. Dieser Bereich der Länge L1 wird
im Hinblick auf den Verbrauch der Mittelelektrode als praxisgerecht
angesehen.
Und zwar wird der säulenförmige Abschnitt 32 bei
einer Länge
L1 von weniger als 0,3 mm leicht aufgebraucht, was die nutzbare
Lebensdauer der Mittelelektrode 30 nachteilig beeinflusst,
während
der säulenförmige Abschnitt 32 bei
einer Länge
L2 von mehr als 1,0 mm eine nachteilige Wärmeabstrahlung zeigt, die zu
einem schnellen Verbrauch der Mittelelektrode 30 führt.
Die grafische Darstellung von 4 zeigt als nächstes den
Zusammenhang zwischen der Entladespannung und dem Verjüngungswinkel 81 des
konischen Abschnitts 31, der durch einen Versuch ermittelt
wurde, bei dem ein säulenförmiger Abschnitt 32 mit
einem Durchmesser θ1
von 0,6 mm und einer Länge
L1 von 0,8 mm verwendet wurde.
Wie sich aus der grafischen Darstellung
von 4 ergibt, ließ sich für den Fall,
dass der Verjüngungswinkel 81 des
konischen Abschnitts 31 auf 80° verringert wurde, kaum eine
Reduzierung der Entladespannung beobachten, aber dafür um so
deutlicher im Fall eines Verjüngungswinkels θ1 von weniger
als 80°.
Und zwar wird die Entladespannung bei einem Verjüngungswinkel θ1 von weniger
als 80° im Vergleich
zu einem Verjüngungswinkel θ1 von mehr als
80° um bis
zu 1 kV reduziert, was eine deutliche Reduzierung der Entladespannung
darstellt. Bei einem Verjüngungswinkel
von weniger als 20° konnte keine
weitere Reduzierung der Entladespannung festgestellt werden.
Die vorteilhafte Wirkung durch die
Verringerung des Verjüngungswinkels θ1 des konischen
Abschnitts 31 auf weniger als 80° konnte gleichmäßig für einen
Durchmesser ϕ1 des säulenförmigen Abschnitt 32 im
Bereich von 0,4 mm bis 0,8 mm und für den Bereich seiner Länge L1 von
0,3 mm bis 1,0 mm nachgewiesen werden.
Außerdem bestätigte sich, dass sich die in den 3 und 4 gezeigten, durch die Reduzierung der
Entladespannung bedingten vorteilhaften Wirkungen besonders wirksam
in einem Bereich der Länge
L2 des vorderen Endabschnitts der Mittelelektrode 30 von
1,0 mm bis 6,0 mm erzielen lassen. Allerdings ist die Länge L2 bei
der Erfindung nicht auf diesen anhand von Versuchen ermittelten
Bereich beschränkt.
Darüber hinaus wurde ein Versuch
durchgeführt,
um festzustellen, ob die Reduzierung der Entladespannung durch eine
Erhöhung
der elektrischen Feldstärke
an dem vorderen Endabschnitt der Mittelelektrode 30 hervorgerufen
wird und um den Zusammenhang zwischen dem Verjüngungswinkel θ1 des konischen
Abschnitts 31 und der auf einer Feldanalyse basierenden,
mit Hilfe der Finite-Element-Methode (FEM) ermittelten Feldstärke zu untersuchen.
5 zeigt
in einer grafischen Darstellung ein Beispiel für das Ergebnis dieser Feldanalyse,
in der die auf der Feldanalyse basierende Äquipotenziallinienverteilung
für den
Zeitpunkt gezeigt ist, an dem an die Mittelelektrode 30 eine
30 kV Spannung (0 kV an die Masseelektrode 40) angelegt
wurde. 5A stellt dabei
den Fall eines Verjüngungswinkels θ1 von 105° und 5B den Fall eines Verjüngungswinkels θ1 von 40° dar.
Wenn sich der Abstand oder die Strecke
zwischen den nebeneinander liegenden Äquipotenziallinien verengt,
heißt
dies in dieser Äquipotenziallinienverteilung,
dass sich die Feldstärke
entsprechend konzentriert. Wie sich aus 5 ergibt, ist die Kurve der Äquipotenziallinien
an dem vorderen Endabschnitt der Mittelelektrode 30 spitz
zulaufend und nimmt die Feldstärke
lokal zu, wenn der Verjüngungswinkel θ1 sich von
105° auf
40° verengt.
Da die Form des konischen Abschnitts 31 bei dem
Verjüngungswinkel θ1 von 40° verglichen
mit der Form des Verjüngungswinkels θ1 von 105° spitz zuläuft, ist
der Abstand der Äquipotenziallinien
eng. Durch diesen Effekt verengen sich auch die Äquipotenziallinien an dem vorderen
Endabschnitt der Mittelelektrode 30 bzw. an der Spitze
des säulenförmigen Abschnitts 32 und
nimmt somit die Feldstärke
zu.
6 zeigt
in einer grafischen Darstellung den Zusammenhang zwischen dem Verjüngungswinkel θ1 und der
auf der Feldanalyse basierenden Feldstärke bei Veränderung des Verjüngungswinkels.
Bei dieser Feldanalyse wurde ein säulenförmiger Abschnitt 32 mit
einem Durchmesser ϕ1 von 0,6 mm und einer Länge L1 von
0,8 mm verwendet.
Wie sich aus 6 ergibt, erhöht sich für einen Verjüngungswinkel θ1 von weniger
als 80° die Höhe der sich
an der Spitze des säulenförmigen Abschnitts 32 der Mittelelektrode 30 konzentrierenden Feldstärke im Vergleich
zu einem Verjüngungswinkel θ1 von mehr
als 80° um
etwa 10%.
Aus der obigen Tatsache kann geschlossen werden,
dass sich das elektrische Feld, indem der Verjüngungswinkel θ1 auf weniger
als 80° eingestellt wird,
auch bei gesenkter Entladespannung am vorderen Endabschnitt der
Mittelelektrode 30 konzentriert, wodurch zwischen der Mittelelektrode 30 und der
Masseelektrode 40 eine geeignete Funkenentladung hervorgerufen
und realisiert wird.
Wie sich aus der Darstellung und
der Beschreibung der auf den Versuchsergebnissen basierenden 3 bis 6 ergibt, lässt sich also die elektrische
Feldstärke
konzentrieren und dadurch die Entladespannung der Zündkerze
reduzieren, wenn der säulenförmige Abschnitt 32 der
Mittelelektrode 30 so gestaltet wird, dass er einen Durchmesser θ1 im Bereich
von 0,4 mm bis 0,8 mm hat, und ihr konischer Abschnitt 31 so
gestaltet wird, dass er einen Verjüngungswinkel θ1 von weniger
als 80° hat.
Wie sich aus den 4 und 6 ergibt,
lässt sich
bei einer Obergrenze des Verjüngungswinkels θ1 von weniger
als 60° eine
stärkere
Konzentration der Feldstärke
am vorderen Endabschnitt der Mittelelektrode und somit auch eine
deutlichere Reduzierung der Entladespannung realisieren, was praxisgerecht
und vorteilhaft ist.
Dass die Untergrenze des Verjüngungswinkels θ1 vorzugsweise
mehr als 20° betragen
sollte, liegt daran, dass die Entladespannung bei einem Verjüngungswinkel θ1 von weniger
als 20° nicht
weiter reduziert werden kann, dass sich wie in 4 gezeigt bei einer weiteren Verringerung
des Verjüngungswinkels
nicht die durch eine entsprechende Reduzierung der Entladespannung
bedingte Wirkung erzielen lässt
und dass sich außerdem
bei einem noch kleineren Verjüngungswinkel
die Feldstärke
am vorderen Endabschnitt der Mittelelektrode 30 abschwächt.
Darüber hinaus ist es allgemein
bekannt, dass sich die Feldstärke
erhöht
und die Entladespannung sinkt, wenn der vordere Endabschnitt der
Mittelelektrode spitz zuläuft.
Wie in den grafischen Darstellungen der 5 und 6 gezeigt
ist, lassen sie jedoch bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
im Wesentlichen die gleichen Wirkungen wie bei einem Aufbau erzielen,
bei dem der vordere Kantenabschnitt spitz zuläuft, wenn der Verjüngungswinkel θ1 des konischen
Abschnitts 31 spitz zuläuft,
der nicht mit dem Entladungsfunken in Kontakt kommt, ohne dass die Spitze
des säulenförmigen Abschnitts 32 der
Mittelelektrode 30 spitz zuläuft.
Im Allgemeinen rundet sich der Kantenabschnitt
des vorderen Endes der Mittelelektrode 30 auch bei wiederholter
Benutzung der Zündkerze
allmählich
ab. Bei der Erfindung kann die Feldstärke in diesem Fall dennoch
geeignet konzentriert werden. Daher lässt sich die Reduzierung der
Entladespannung für
eine lange Zeitdauer aufrechterhalten und ist die Erfindung besonders
gut bei einer Zündkerze anwendbar,
deren Befestigungsschraubabschnitt 11 einen Durchmesser
von weniger als M10 hat.
Gemäß dem oben beschrieben Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist es also möglich,
durch geeignete Reduzierung der Entladespannung eine kompakten Zündkerze
zur Verfügung
zu stellen.
Die Erfinder untersuchten außerdem,
ob der Zusammenhang zwischen dem Verjüngungswinkel θ1 des konischen Abschnitts 31 der
Mittelelektrode und der Entladespannung durch die Form der Masseelektrode
beeinflusst wird.
In einem Versuch wurde daher eine
Zündkerze
mit einer einpoligen Masseelektrode 40 wie in 7A, die wie die in 1 gezeigte Zündkerze
nur eine Elektrode hatte, mit einer Zündkerze mit einer dreipoligen
Masseelektrode wie in 7B verglichen,
die aus drei Elektrodenstücken 40, 40a, 40b bestand.
Die in 7B gezeigte
dreipolige Masseelektrode hat einen Aufbau mit einem Hauptelektrodenstück 40 und
zwei Nebenelektrodenstücken 40a und 40b.
Die Nebenelektrodenstücke 40a und 40b sind
Masseelektroden fürs
Oberflächenkriechen,
um eine sogenannte Kohlenstoffverkrustung zu verhindern.
Jedes dieser Nebenelektrodenstücke 40a und 40b ist
an dem einen Ende durch Verschweißen oder dergleichen an der
Metallhaupthalterung 10 befestigt, während das andere Ende an seinem
Mittelabschnitt gebogen ist, so dass sein gebogenes vorderes Ende
der Seitenfläche
der Spitze des säulenförmigen Abschnitts 32 der
Mittelelektrode 30 gegenüberliegt.
8 zeigt
in einer grafischen Darstellung das Ergebnis der Untersuchung bzw.
des Versuches, ob oder in welcher Weise der Zusammenhang zwischen
dem Verjüngungswinkel θ1 des konischen
Abschnitts und der Entladespannung bei Zündkerzen mit einpoliger und
dreipoliger Masseelektrode durch die Form der Masseelektrode beeinflusst
wird.
In dem der grafischen Darstellung
von 8 zugrunde liegenden
Versuch wurde eine Zündkerze mit
einem säulenförmigen Abschnitt 32 der
Mittelelektrode verwendet, der einen Durchmesser ϕ1 von 0,6
mm und eine Länge
L1 von 0,8 mm hatte. Wie die grafische Darstellung von 8 zeigt, ergab der Aufbau
der einpoligen Masseelektrode ähnliche
Wirkungen wie der Aufbau von 4.
Bei der Zündkerze mit einpoliger Masseelektrode
lässt sich
also kaum eine Reduzierung der Entladespannung beobachten, wenn
der Verjüngungswinkel 81 des
konischen Abschnitts 31 auf 80° verringert wird, jedoch um
so mehr, wenn der Verjüngungswinkel θ1 weniger
als 80° beträgt. So sinkt
die Entladespannung bei einem Verjüngungswinkel von weniger als
80° im Vergleich
zu einem Verjüngungswinkel von
mehr als 80° um
bis zu 1 kV.
Bei der Zündkerze mit der dreipoligen
Masseelektrode ließ sich
dagegen auch bei einem Verjüngungswinkel
von weniger als 80° keine
so starke Reduzierung der Entladespannung wie bei der einpoligen
Masseelektrode feststellen. Das liegt wohl daran, dass sich bei
der Masseelektrode mit den drei Elektrodenstücken die Nebenmasseelektrodenstücke 40a und 40b für das Oberflächenkriechen
wie in 7B gezeigt an
Abschnitten nahe dem vorderen Endabschnitt der Mittelelektrode 30 befinden.
Wenn sich der Abstand zwischen dem Nebenmasseelektrodenstück 40a (40b)
und der Mittelelektrode 30 verengt, verengt sich auch der
Abstand zwischen den Äquipotenziallinien
und erhöht
sich daher die Feldstärke
an dem vorderen Endabschnitt der Mittelelektrode 30. Aus
diesem Grund ist die Entladespannung am Hauptmasseelektrodenstück 40 bei
dem Aufbau der dreipoligen Masseelektrode geringer als bei dem Aufbau
der einpoligen Masseelektrode.
Wie in 8 gezeigt
ist, ergibt sich bei der dreipoligen Masseelektrode dementsprechend
auch bei einem Verjüngungswinkel θ1 von mehr
als 80° eine
geringere Entladespannung, wie dies auch bei der Zündkerze
mit der einpoligen Masseelektrode und einem Verjüngungswinkel von weniger als
60° der
Fall ist.
Wie oben beschrieben wurde, ist daher
erfindungsgemäß davon
auszugehen, dass bei dem Aufbau der Zündkerze mit der dreipoligen
Masseelektrode die Entladespannung auch bei Verringerung des Verjüngungswinkels
nicht weiter reduziert werden kann. Bei dem Zündkerzenaufbau mit der einpoligen Masseelektrode
kann also eine stärkere,
die Entladespannung reduzierende Wirkung erzielt werden als bei
dem Zündkerzenaufbau
mit der dreipoligen Masseelektrode.