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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zündkerzenelektrode sowie eine Zündkerze mit verbesserter Wärmeleitfähigkeit und Verfahren zur Herstellung der Zündkerzenelektrode.
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Zündkerzen, die in einer Verbrennungskammer einer Brennkraftmaschine angeordnet sind, unterliegen während des Betriebs hohen Temperaturen. Die Erwärmung der Zündkerzenelektroden der Zündkerzen führt oftmals zu Erosion und Oxidation der Materialien der Zündkerzenelektroden, wodurch sich die Lebensdauer der Zündkerzen signifikant verringert. Um die Lebensdauer der Zündkerzen zu erhöhen, wird versucht, die Wärme von den Zündkerzenelektroden auf umliegende Bauelemente der Zündkerze abzuleiten. Hierzu wird beispielsweise ein Kupferdraht in das Innere der Zündkerzenelektrode eingebracht. Kupfer weist eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf, so dass Wärme von der Oberfläche der Zündkerzenelektrode über den Kupferkern und weiter über das Zündkerzengehäuse beispielsweise auf einen Zylinderkopf, in den die Zündkerze eingeschraubt ist, übertragen wird. Die Wärmeabfuhreigenschaften bzw. Wärmeübertragungseigenschaften der Zündkerzenelektrode werden durch die Wärmeleitfähigkeit, die spezifische Wärmekapazität und somit auch durch das realisierte Volumen des Kupfers begrenzt, so dass Standzeiten von mehr als 60.000 Kilometer und somit eine lange Lebensdauer nahezu nicht erzielt werden können.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Zündkerzenelektrode zeichnet sich hingegen durch eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit und damit durch eine verringerte Neigung zu Funkenerosion und Oxidation aus, wodurch die Lebensdauer der Zündkerzenelektrode erhöht wird.
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Erfindungsgemäße umfasst die Zündkerzenelektrode hierzu einen Elektrodenkern und einen Elektrodenmantel, wobei der Elektrodenmantel den Elektrodenkern mindestens abschnittsweise und vorzugsweise am Umfang des Elektrodenkerns vollständig, umgibt. Der Elektrodenmantel ist aus Nickel oder einer Legierung mit Nickel als Hauptbestandteil in Masse% gebildet, wodurch bereits eine gute Grundstabilität gegenüber Oxidation und Funkenerosion erzielt werden kann.
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Der Elektrodenkern der Zündkerzenelektrode umfasst mindestens ein aus Kohlenstoff bestehendes Material. Materialien aus Kohlenstoff zeichnen sich durch eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu Kupfer und auch zu Nickel bzw. einer Nickellegierung mit Nickel als Hauptbestandteil in Masse% aus. Hierbei kann im Elektrodenkern lediglich ein aus Kohlenstoff bestehendes Material eingesetzt werden oder aber eine beliebige Kombination an aus Kohlenstoff bestehenden Materialien. Je höher der Anteil an aus Kohlenstoff bestehendem Material im Elektrodenkern ist, desto besser sind die Wärmeabfuhreigenschaften der Zündkerzenelektrode. Demnach ist der Anteil an aus Kohlenstoff bestehendem Material im Elektrodenkern möglichst hoch. Vorzugsweise besteht der Elektrodenkern aus aus Kohlenstoff bestehendem Material. Hierdurch wird die Wärmeleitfähigkeit maximiert und die Temperaturen an der Oberfläche der Zündkerzenelektrode während des bestimmungsgemäßen Gebrauchs können stark reduziert werden. Dies senkt die Erosionsneigung und verringert den Verschleiß der Zündkerzenelektrode.
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Die erfindungsgemäße Zündkerzenelektrode zeichnet sich aufgrund dessen, dass sie im Elektrodenkern ein aus Kohlenstoff bestehendes Material umfasst, durch eine hohe Lebensdauer aus.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst der Elektrodenkern eine erste Schicht und eine zweite Schicht, wobei die zweite Schicht zwischen der ersten Schicht und dem Elektrodenmantel angeordnet ist. Der schichtartige Aufbau ermöglicht eine Modulierung der thermischen und auch der mechanischen Eigenschaften der Zündkerzenelektrode. Das aus Kohlenstoff bestehende Material ist in der ersten Schicht, und hierbei mit möglichst großem Volumen, vorhanden, so dass auch gemäß dieser Weiterbildung sehr gute Wärmeabfuhreigenschaften weg von der Oberfläche der Zündkerzenelektrode erzielt werden können.
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Aufgrund der besonders hohen Wärmeleitfähigkeiten ist das aus Kohlenstoff bestehende Material vorzugsweise ausgewählt aus: Graphen, Fulleren, Graphit und Kohlenstoffnanoröhren.
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Unter den vorstehend angeführten aus Kohlenstoff bestehenden Materialien ist Graphen besonders bevorzugt, da Graphen neben sehr guten thermischen Eigenschaften auch über eine hohe mechanische Stabilität verfügt, wodurch die Lebensdauer der Zündkerzenelektrode weiter erhöht werden kann.
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Zur Verbesserung der Stabilität der Zündkerzenelektrode während des Einbaus derselben in einem Zündkerzengehäuse und auch während des bestimmungsgemäßen Gebrauchs, ist weiter vorteilhaft vorgesehen, dass am anschlussseitigen Ende der Zündkerzenelektrode eine metallhaltige Kappe angeordnet ist. Unter dem anschlussseitigen Ende der Zündkerzenelektrode wird dabei das Ende der Zündkerzenelektrode verstanden, das beim Einbau der Zündkerzenelektrode in ein Zündkerzengehäuse in Richtung des elektrischen Anschlusses der Zündkerze ausgerichtet wird. Die metallhaltige Kappe ist im Einzelnen nicht beschränkt, und wird im Lichte einer hohen Erosionsstabilität und Oxidationsstabilität ausgewählt. Zudem sollte das verwendete Metall oder insbesondere die verwendete Legierung mit dem Elektrodenmantel verbindbar sein.
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Besonders vorteilhaft aufgrund der erhaltenen mechanischen Stabilität und sehr guten thermischen Eigenschaften, ist die metallhaltige Kappe aus Nickel oder einer Legierung mit Nickel als Hauptbestandteil in Masse%, also mit anderen Worten aus einer Nickellegierung, gebildet. Die Nickellegierung kann dabei vorzugsweise ähnlich oder insbesondere identisch zu einer im Elektrodenmantel verwendeten Nickellegierung sein, so dass zwischen dem Elektrodenmantel und der Kappe eine besonders gute stoffschlüssige Verbindung gebildet werden kann, die die Stabilität der Zündkerzenelektrode weiter verbessert.
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Weiter vorteilhaft kann der Elektrodenmantel die Kappe bereits beinhalten, so dass der Elektrodenmantel und die Kappe einstückig ausgebildet sind.
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Zur Verbesserung der Zündfunkenbildung sieht eine weitere vorteilhafte Weiterbildung vor, dass am brennraumseitigen Ende der Zündkerzenelektrode ein Edelmetallstift angeordnet ist. Dieser Edelmetallstift, auch Edelmetallpin genannt, ist mit dem brennraumseitigen Ende der Zündkerzenelektrode, das beim Einbau der Zündkerzenelektrode in Richtung des Brennraums ausgerichtet wird, dauerhaft stabil verbunden, beispielsweise durch eine Lötverbindung oder eine Schweißverbindung. Das Vorsehen eines Edelmetallstifts verbessert die Lebensdauer der Zündkerzenelektrode.
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Die erfindungsgemäße Zündkerzenelektrode kann sowohl als Masseelektrode als auch als Mittelelektrode ausgebildet sein. Besonders vorteilhaft ist die Zündkerzenelektrode als Mittelelektrode ausgebildet, da hier die sehr guten thermischen und damit die Wärme ableitenden Eigenschaften der Zündkerzenelektrode besonders deutlich zum Tragen kommen, da über den Elektrodenkern, der mindestens ein aus Kohlenstoff bestehendes Material umfasst, eine sehr gute Wärmeabfuhr erzielt werden kann, nämlich beim Verbau der Zündkerzenelektrode in einer Zündkerze über das Zündkerzengehäuse der Zündkerze.
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Ebenfalls erfindungsgemäß wird auch eine Zündkerze beschrieben, die eine wie vorstehend offenbarte Zündkerzenelektrode umfasst. Aufgrund der Verwendung der erfindungsgemäßen Zündkerzenelektrode mit guten Wärme ableitenden Eigenschaften, zeichnet sich auch die erfindungsgemäße Zündkerze durch eine gute thermische und auch mechanische Stabilität aus, woraus sich eine lange Lebensdauer ergibt.
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Die für die erfindungsgemäße Zündkerzenelektrode beschriebenen Vorteile, vorteilhaften Effekte und Weiterbildungen finden auch Anwendung auf die erfindungsgemäße Zündkerze.
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Des Weiteren erfindungsgemäß wird auch ein erstes Verfahren zur Herstellung einer Zündkerzenelektrode beschrieben. Die Zündkerzenelektrode umfasst einen Elektrodenkern und einen Elektrodenmantel, wobei der Elektrodenmantel den Elektrodenkern mindestens abschnittsweise umgibt, wobei der Elektrodenmantel aus Nickel oder einer Legierung mit Nickel als Hauptbestandteil in Masse% gebildet ist und wobei der Elektrodenkern mindestens ein aus Kohlenstoff bestehendes Material aufweist. Die gemäß dem ersten erfindungsgemäßen Verfahren herzustellende Zündkerzenelektrode kann somit wie die erfindungsgemäße Zündkerzenelektrode ausgebildet sein. Vielmehr ist die erfindungsgemäße Zündkerzenelektrode durch das erste erfindungsgemäße Verfahren herstellbar.
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Zur Herstellung der Zündkerzenelektrode mit Elektrodenmantel und Elektrodenkern umfasst das Verfahren einen Schritt des Einpressens oder des Fließpressens des Elektrodenkerns in den Elektrodenmantel, wodurch eine dauerhaft stabile Verbindung zwischen dem Elektrodenkern und dem Elektrodenmantel erzielt wird, ohne dass sich Freiräume zwischen dem Elektrodenkern und dem Elektrodenmantel bilden, die die Wärmeübertragungseigenschaften reduzieren würden.
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Das erste erfindungsgemäße Verfahren ist einfach ohne hohen technischen Aufwand umsetzbar und ermöglicht die Herstellung einer sehr gut wärmeleitenden Zündkerzenelektrode mit hoher Präzision.
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Ebenfalls erfindungsgemäß wird auch ein zweites Verfahren zur Herstellung einer Zündkerzenelektrode beschrieben. Die Zündkerzenelektrode umfasst auch hier einen Elektrodenkern und einen Elektrodenmantel, wobei der Elektrodenmantel den Elektrodenkern mindestens abschnittsweise umgibt, wobei der Elektrodenmantel aus Nickel oder einer Legierung mit Nickel als Hauptbestandteil in Masse% gebildet ist und wobei der Elektrodenkern mindestens ein aus Kohlenstoff bestehendes Material aufweist. Bei der herzustellenden Zündkerzenelektrode kann es sich folglich ebenfalls um eine wie vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Zündkerzenelektrode handeln.
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Das Verfahren umfasst zunächst einen Schritt des Bildens des Elektrodenmantels. Der Elektrodenmantel wird in Form eines Rohres mit einem ersten offenen Ende und einem zweiten offenen Ende gebildet. Sodann wird eine Spitze an dem ersten offenen Ende des Rohrs angebracht, beispielsweise durch einen Schweißprozess oder einen Lötprozess. Die Spitze kann dabei in beliebiger Form ausgebildet sein und verschließt das erste offene Ende. In den somit gebildeten einseitig geschlossenen zylindrischen Elektrodenmantel wird das aus Kohlenstoff bestehende Material von Seiten des zweiten offenen Endes des Rohres gefüllt. Das Verfüllen kann dabei insbesondere durch Einlegen, Einpressen, Einspritzen oder durch Verfüllen mit einem aus Kohlenstoff bestehenden Pulver erfolgen.
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Der Elektrodenkern wird auch auf diese Weise mit dem Elektrodenmantel in Kontakt gebracht, so dass Wärme sehr gut vom Elektrodenmantel auf den Elektrodenkern abgeleitet werden kann. Das zweite erfindungsgemäße Verfahren kann zusätzliche Schritte vorsehen, die den Elektrodenkern zusätzlich mit dem Elektrodenmantel verbinden.
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Die für die erfindungsgemäße Zündkerzenelektrode beschriebenen Vorteile, vorteilhaften Effekte und Weiterbildungen finden auch Anwendung auf die erfindungsgemäßen Verfahren.
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Um die Zündkerzenelektrode besonders einfach mit einem Bauteil einer Zündkerze verbinden zu können, können das erste und das zweite erfindungsgemäße Verfahren vorzugsweise einen Schritt des Anbringens einer metallhaltigen Kappe am zweiten offenen Ende, also mit anderen Worten am anschlussseitigen Ende der Zündkerzenelektrode, umfassen. Hierdurch kann das anschlussseitige Ende der Zündkerzenelektrode verschlossen werden und die metallhaltige Kappe bietet eine gute Grundlage zur Ausbildung eines Stoffschlusses zwischen der Zündkerzenelektrode und einem Bauteil der Zündkerze.
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Um die Zündfunkenbildung der Zündkerzenelektrode zu verbessern, können das erste und das zweite erfindungsgemäße Verfahren einen Schritt des Anbringens eines Edelmetallstifts am brennraumseitigen Ende der Zündkerzenelektrode vorsehen.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 eine teilgeschnittene Ansicht einer Zündkerze gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
- 2 eine schematische Schnittansicht einer Zündkerzenelektrode gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung und
- 3 ein Schema veranschaulichend ein Verfahren zur Herstellung einer Zündkerzenelektrode gemäß einer dritten Ausführungsform.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den Figuren sind nur die wesentlichen Merkmale der Erfindung dargestellt. Alle übrigen Merkmale sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen. Ferner beziffern gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst die Zündkerze 1 gemäß einer ersten Ausführungsform eine Masseelektrode 2 und eine Mittelelektrode 3. Ein Isolator 4 ist derart vorgesehen, dass die Mittelelektrode 3 in bekannter Weise etwas vom Isolator 4 vorsteht. Der Isolator 4 selbst ist teilweise von einem Gehäuse 5 umgeben. Das Bezugszeichen 6 bezeichnet eine elektrische Anschlussmutter. Von der elektrischen Anschlussmutter 6 ist eine elektrisch leitfähige Verbindung über einen Anschlussbolzen 7 und ein Zündkerzenwiderstandselement 8 zur Mittelelektrode 3 vorgesehen.
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Die Mittelelektrode 3 umfasst, wie in 2 im Detail dargestellt, einen Elektrodenkern 9 und einen Elektrodenmantel 10. Der Elektrodenmantel 10 umgibt den Elektrodenkern 9 mindestens abschnittsweise. Wie in 2 dargestellt, ist der Elektrodenkern 9 an allen, dem Brennraum der Zündkerze 1 zugewandten Flächen vom Elektrodenmantel 10 umgeben. Der Elektrodenmantel 10 ist einstückig ausgebildet und liegt direkt auf dem Elektrodenkern 9. Der Elektrodenmantel 10 ist aus Nickel oder einer Legierung mit Nickel als Hauptbestandteil in Masse% gebildet. Hierdurch wird eine sehr gut Erosions- und Oxidationsstabilität erzielt.
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Der Elektrodenkern 9 weist mindestens ein aus Kohlenstoff bestehendes Material auf, das insbesondere Graphen ist. Besonders vorteilhaft besteht der Elektrodenkern 9 aus Graphen, da sich hierdurch die thermischen Eigenschaften und auch die mechanische Stabilität der Zündkerzenelektrode verbessern lassen.
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An einem brennraumseitigen Ende 12 der Mittelelektrode 3 ist zudem ein Edelmetallstift 11 angeordnet, der mit dem brennraumseitigen Ende 12 der Mittelelektrode 3 verschweißt oder gelötet ist. Dieser verbessert die Zündfunkenbildung unter bestimmungsgemäßem Gebrauch der Mittelelektrode 3.
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Die in 2 dargestellte Mittelelektrode 3 ist z.B. dadurch herstellbar, dass der Elektrodenkern 9 in den Elektrodenmantel 10 eingepresst oder durch Fließpressen eingebracht wird. Hierdurch ergibt sich ein sehr guter Stoffverbund zwischen dem Elektrodenkern 9 und dem Elektrodenmantel 10, so dass auch die Wärmeübertragungseigenschaften vom Elektrodenmantel 10 auf den Elektrodenkern 9 sehr gut sind. Dadurch wird während des Betriebs der Zündkerzenelektrode entstehende Wärme effektiv über den Elektrodenkern 9 auf umliegende Gehäuseteile der Zündkerze 1 abgeleitet. Die dargestellte Mittelelektrode 3 wird damit vor sehr hohen Temperaturen geschützt und zeigt einen reduzierten Verschleiß bei gleichzeitig verringerter Erosionsneigung. Die Lebensdauer der Mittelelektrode 3 und damit auch der Zündkerze 1, in die die Mittelelektrode 3 eingebaut ist, ist damit besonders hoch.
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3 ist ein Schema, das ein Verfahren zur Herstellung einer Zündkerzenelektrode 13 gemäß einer dritten Ausführungsform veranschaulicht.
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Die herzustellende Zündkerzenelektrode 13 (siehe D) umfassend einen Elektrodenkern 9 und einen Elektrodenmantel 10, wobei der Elektrodenmantel 10 den Elektrodenkern 9 mindestens abschnittsweise umgibt. Wie in der letzten Abbildung in 3 dargestellt, umgibt der Elektrodenmantel 10 den Elektrodenkern 9 entlang des gesamten Umfangs des Elektrodenkerns 9.
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Gemäß dem dargestellten Verfahren, wird zunächst der Elektrodenmantel 10 in Form eines Rohres gebildet (siehe A). Das Rohr hat ein erstes offenes Ende 13 und ein zweites offenes Ende 14 und ist zylindrisch ausgebildet. Der Elektrodenmantel 10 ist dabei aus Nickel oder einer Legierung mit Nickel als Hauptbestandteil in Masse% gebildet. Durch Ablängen kann der Elektrodenmantel 10 in der gewünschten Länge hergestellt werden.
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Sodann wird an dem ersten offenen Ende 13 eine Spitze 15 der Zündkerzenelektrode 13 angebracht, die das erste offene Ende 13 verschließt und die das brennraumseitige Ende 12 der Zündkerzenelektrode 13 bildet (siehe B). Die Spitze 15 kann aus demselben Material wie der Elektrodenmantel 10 gebildet sein, so dass sich die Spitze 15 sehr leicht stoffschlüssig mit dem Elektrodenmantel 13, beispielsweise durch eine Schweißverbindung, verbinden lässt.
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In einem weiteren Verfahrensschritt wird das Rohr von Seiten des zweiten offenen Endes 14 mit einem aus Kohlenstoff bestehenden Material gefüllt (siehe C). Das Material ist dabei vorzugsweise Graphen, es können aber auch Kohlenstoffnanoröhren, Fullerene oder Graphit verwendet werden.
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Des Weiteren kann das Verfahren einen Schritt des Anbringens einer metallhaltigen Kappe 16 am zweiten offenen Ende 14 der Zündkerzenelektrode 13, also mit anderen Worten am anschlussseitigen Ende der Zündkerzenelektrode 13, vorsehen (D). Die metallhaltige Kappe 16 wird dabei vorteilhafterweise ebenfalls mindestens mit dem Elektrodenmantel 10 verschweißt und dient der erleichterten Befestigung der Zündkerzenelektrode 13 mit einem Bauteil einer Zündkerze.
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Zudem kann auch ein Edelmetallstift am brennraumseitigen Ende 12 der Zündkerzenelektrode 13 angebracht werden.
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Durch das in 3 dargestellte Verfahren wird eine Zündkerzenelektrode 13 mit sehr guter Wärmeleitfähigkeit, und insbesondere mit einem hohen Wärmeübertrag vom Elektrodenmantel 10 auf den Elektrodenkern 9 hergestellt, wodurch entstehende Wärme durch den bestimmungsgemäßen Gebrauch der Zündkerzenelektrode 13 sehr gut auf den Elektrodenkern 9 und dann weiter in das Gehäuse der Zündkerze und von dort aus in einen mit der Zündkerze verbundenen Zylinderblock abgeleitet werden kann. Die Zündkerzenelektrode zeichnet sich somit neben einer hohen Oxidationsstabilität auch durch eine sehr gute Erosionsstabilität und damit eine niedrige Verschleißrate aus. Die Lebensdauer der so hergestellten Zündkerzenelektrode 13 ist damit hoch.