DE10047499A1 - Zündkerze mit angeschweißter bzw. angelöteter Mittelelektrode und Herstellungsverfahren - Google Patents

Abstract

Erläutert wird eine Zündkerze (10c) mit einem stückweise zylindrischen Isolatorelement (10c) mit einer Bohrung und einer in einer Öffnung in dem Fußteil (14c) des Isolatorelements (12c) angeordneten Mittelelektrode (20c). Das Isolatorelement (12c) und die Mittelelektrode (20c) sind durch mindestens eine metallische Lötverbindung und/oder eine metallische Schweißverbindung und/oder eine in radialer Richtung gerichtete kraftschlüssige Verbindung verbunden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Zündkerze, die ein stückweise zylindrisches Isolatorelement mit einer Bohrung enthält. In der Bohrung des Isolatorelementes ist auf der Seite eines Fußteils des Isolatorelementes (im weiteren kurz als Fuß­ teil bezeichnet) eine Mittelelektrode angeordnet. Die Er­ findung betrifft ebenfalls ein entsprechendes Herstellungs­ verfahren.

Bei bekannten Zündkerzen wird die Mittelelektrode bei­ spielsweise mit Hilfe einer Glasschmelze und/oder mit Hilfe eines Kontaktpanats in das Isolatorelement eingegossen. Die Glasschmelze dient gleichzeitig als Dämpfungswiderstand zum Dämpfen der Funkenentladung beim Betrieb der Zündkerze.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine kompakte Zündkerze und ein entsprechendes Herstellungsverfahren anzugeben, wobei die Metallelektrode auf einfache Art im Isolatorelement be­ festigbar.

Diese Aufgabe wird durch eine Zündkerze mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. durch das Herstellungsverfahren nach Anspruch 8 gelöst. Weiterbildungen sind in den jewei­ ligen Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass eine Glas­ schmelze und/oder ein Klebstoff bzw. Kontaktpanat nur be­ dingt für das Befestigen der Metallelektrode am bzw. im Isolatorelement geeignet ist. Deshalb werden bei der erfin­ dungsgemäßen Zündkerze Isolatorelement und Mittelelektrode durch mindestens eine metallische Lötverbindung oder eine metallische Schweißverbindung verbunden. Die Lötverbindung wird vorzugsweise durch Hartlöten oder Aktivlöten herge­ stellt, d. h. durch einen Lötvorgang bei einer Temperatur von über 450°C. Die Schweißverbindung lässt sich durch das Schmelzschweißen, durch Reibschweißen oder beispielsweise durch induktives Schweißen herstellen.

Bei einer Weiterbildung befindet sich die Verbindung an ei­ nem brennraumfernen Ende der Mittelelektrode. Der Außen­ durchmesser der Mittelelektrode im Bereich der Verbindung ist geringfügig kleiner als im gleichen Abstand zum freien Ende des Fußteils liegende Innendurchmesser des Isolator­ elementes. Die Verbindung verläuft entlang des Umfangs der Mittelelektrode und verschließt den Spalt zwischen Mittel­ elektrode und Isolatorelement. Dadurch hat die Verbindung eine Doppelfunktion - sie verbindet und dichtet gasdicht ab.

Bei einer Alternative ist der Innendurchmesser des Isola­ torelementes im Bereich der Verbindung geringfügig kleiner als im gleichen Abstand zum freien Ende des Fußteils lie­ gende Außendurchmesser der Mittelelektrode ohne umgebenden Isolatorkern. Im zusammengebauten Zustand wird die Mittel­ elektrode durch den umgebenden Isolatorkern zusammengepreßt. Es entsteht eine sehr feste Verbindung aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten.

Zum Herstellen der kraftschlüssigen Verbindung wird die me­ tallische Mittelelektrode beispielsweise abgekühlt und im zusammengezogenen Zustand in das Isolatorelement einge­ setzt. Beim Erwärmen dehnt sich die Mittelelektrode aus und wird gegen die Innenwand des Isolatorelementes gedrückt.

Bei einer Weiterbildung der Zündkerze wird auf die Mittel­ elektrode in axialer Richtung eine Kraft mit Hilfe eines federnden Elementes ausgeübt, vorzugsweise mit Hilfe eines Kontaktstiftes. Die durch den Kontaktstift ausgeübte Kraft wirkt Kräften entgegen, die beim Betrieb der Zündkerze im Verbrennungsraum entstehen und sich auf die Mittelelektrode übertragen. Die Verbindung zwischen Mittelelektrode und Isolatorelement wird durch die Verwendung des Kontaktstif­ tes weniger belastet als bei fehlendem Kontaktstift. Da­ durch lässt sich die Verbindung zwischen Mittelelektrode und Isolatorelement kleiner ausführen bzw. ist bei gleicher Größe belastbarer.

Bei einer nächsten Weiterbildung ist der Kontaktstift an mindestens einer Stelle ausgeknickt. Durch das Ausknicken des Kontaktstiftes lässt sich die federnde Wirkung erhöhen. Beim Einschrauben eines Anschlussbolzens wird eine mechani­ sche Überspannung im Isolatorelement verhindert, wenn der Kontaktstift beim Überschreiten bestimmter Spannungen aus­ knickt.

Bei Weiterbildungen der Zündkerze enthält das Isolatorele­ ment Keramik. Die Oberfläche der Keramik wird im Bereich der Verbindung so behandelt, dass die Belastbarkeit der Verbindung erhöht wird. Geeignet sind das Aufrauhen der Oberfläche oder/und das Aufbringen eines metallischen Über­ zugs.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1A und 1B eine kompakte Zündkerze mit einem Dämpfungswider­ stand aus einer erstarrten Glasschmelze,

Fig. 2A und 2B eine kompakte Zündkerze ohne Dämpfungswiderstand, und

Fig. 3A und 3B eine kompakte Zündkerze mit einem zerstörungsfrei auswechselbaren Dämpfungswiderstand.

Fig. 1A zeigt eine kompakte Zündkerze 10 in teilweiser Schnitt-Darstellung. Die Zündkerze 10 enthält einen zylin­ derförmigen Isolator 12, der sich an seinem einen Ende zu einem Isolatorfuß 14 hin verjüngt. Der Isolator 12 ist ent­ lang seiner Längsachse 16 von einem Durchgangsloch 18 durchsetzt, dessen Durchmesser im Bereich einer Mittelelek­ trode 20 etwas kleiner als im übrigen Verlauf des Isolators 12 ist. Die den Isolatorfuß 14 enthaltende Hälfte des Iso­ lators 12 ist fast vollständig von einem Gehäuse 22 umgeben. Das Gehäuse 22 enthält vom Isolatorfuß 14 aus gesehen in dieser Reihenfolge eine Masseelektrode 24, eine Gewinde­ hülse 26 mit z. B. M14-Außengewinde 28, eine umlaufende Nut 30 für einen im Kegeldichtsitz abdichtenden Dichtring, ein Mittelteil 32 sowie eine Doppelsechskant-Einschraubmutter 34. Das Gehäuse 22 wird in einen Motorblock des Fahrzeugs geschraubt und ist mit der Masseelektrode verbunden. Der aus Keramik bestehende Isolator 12 isoliert das Gehäuse 22 und die Mittelelektrode 20 sowie weitere im Durchgangsloch 18 angeordnete Element zur Spannungsführung.

Im Durchgangsloch 18 befinden sich in der Reihenfolge von der Mittelelektrode 20 zu einem auf den Isolator 12 aufge­ schraubten Anschlußbolzen 36 zum Anschließen eines Zündka­ bels ein elektrisch leitendes Kontaktpanat 38, eine Glas­ schmelze 40, die einen Dämpfungswiderstand bildet, ein elektrisch leitendes Kontaktpanat 42 sowie eine Elektrode 44. Die Elektrode 44 verjüngt sich zum Isolatorfuß 14 hin und bildet einen Abschnitt 46 mit etwas kleinerem Durchmes­ ser als der Hauptteil der Elektrode 44.

Das Gehäuse 22 ist mit dem Isolator 10 durch eine Schweiß­ verbindung 48 verbunden. Die Schweißverbindung 48 erstreckt sich in Längsrichtung vom fußteilfernen Ende des Gehäuses 22 bis in die Gewindehülse 26 hinein. In der dazu querlie­ genden Umfangsrichtung ist die Schweißverbindung 48 umlau­ fend. Ein zwischen der Einschraubmutter 34 und dem Isolator 12 liegender Spalt wird durch die Schweißverbindung 48 vollständig verschlossen. Ein zwischen dem fußteilfernen Ende der Gewindehülse 26 und dem Isolator 10 gebildeter Spalt wird ebenfalls durch die Schweißverbindung 48 voll­ ständig verschlossen.

Fig. 1B zeigt eine Verbindung 48b, bei der ein wie das Ge­ häuse 22 aufgebautes Gehäuse 22b einer Zündkerze 10b mit einem Isolator 12b nur in einem Bereich 50 verschweißt ist, der sich entlang der fußteilfernen Hälfte einer Gewindehül­ se 26b erstreckt. Der Bereich 50 hat in Längsrichtung, d. h. in Richtung einer Längsachse 16b des Isolators 12b eine Ausdehnung von z. B. l0 = 10 mm. Die Schweißverbindung 48b erstreckt sich entlang der Mantelfläche des Isolators 12b im Bereich 50.

Im Bereich einer wie die Einschraubmutter 34 aufgebauten Einschraubmutter 34b verbleibt ein umlaufender Spalt 52 zwischen Isolator 12b und Einschraubmutter 34b. Im übrigen ist die Zündkerze 10b wie die Zündkerze 10 aufgebaut.

Aufgrund der Schweißverbindung 48 bzw. 48b lässt sich die Zündkerze 10 sehr kompakt herstellen. Der größte Durchmes­ ser D des Isolators 12 ist beispielsweise 10,4 mm. Der Durchmesser D bleibt im Hauptteil des Isolators 12 konstant und bestimmt deshalb im wesentlichen den für den Einbau der Zündkerze 10 benötigten Bauraum. Die Einschraubmutter 34 ist als Doppelsechskantmutter z. B. für die Schlüsselweite 14 ausgebildet. Dies ist nur möglich, weil der Isolator 12 im Bereich der Einschraubmutter 34 keine Vorsprünge hat.

Bei anderen Ausführungsbeispielen wird anstelle der Schweißverbindung 48 bzw. 48b eine Zwischenschicht einge­ setzt, die an den Isolator 12 bzw. 12b und an das Gehäuse 22 bzw. 22b angeschweißt oder angelötet wird. Die Schweiß- bzw. Lötverbindungen zwischen Zwischenschicht und Isolator 12 sowie zwischen Zwischenschicht und Gehäuse 22 liegen im Bereich des Mittelteils 32 und der Gewindehülse 26 sowie im Bereich der Einschraubmutter 34. Alternativ bestehen Ver­ bindungen von Zwischenschicht und Isolator 12b sowohl im Bereich der Gewindehülse 26b als auch im Bereich der Ein­ schraubmutter 34b. Bei der Alternative besteht eine Verbin­ dung von Zwischenschicht und Gehäuse 22b nur im Bereich der Gewindehülse 22b. Im Bereich der Einschraubmutter 34b ver­ bleibt ein Spalt zwischen Zwischenschicht und Einschraub­ mutter 34b.

Fig. 2A zeigt in teilweiser Schnitt-Darstellung eine kom­ pakte Zündkerze 10c, die keinen Dämpfungswiderstand ent­ hält. In Fig. 2A gezeigte Funktionselemente, die im we­ sentlichen, wie bereits an Hand der Fig. 1A erläuterte Funktionselemente aufgebaut sind, haben in Fig. 2A das gleiche Bezugszeichen, dem jedoch der Kleinbuchstabe c nachgestellt ist. Dies betrifft insbesondere Bezugszeichen 12c bis 36c. Die Mittelelektrode 20c hat in ihrem Hauptteil einen Durchmesser, der kleiner als der Durchmesser der Mit­ telelektrode 20 ist. Dies ermöglicht es, den Durchmesser des Durchgangslochs 18c und den Außendurchmesser Dc des Isolators 10c zu verringern. Die Mittelelektrode 20c wird mit einer Hartlötpaste bestrichen und anschließend durch das Durchgangsloch 18c in den Isolator 12c eingesteckt. Da­ nach wird ein Kontaktstift 100, z. B. aus einer Messingle­ gierung, in das Durchgangsloch 18c eingesetzt. Beim Ein­ schrauben des Anschlußbolzens 36c wird der Kontaktstift 100 zusammengedrückt und knickt an mehreren Knickstellen um.

Durch den Kontaktstift 100 wird die Mittelelektrode 20c fi­ xiert. Anschließend wird der Isolator 10 durch einen Hoch­ vakuumofen bei einer Temperatur, die größenordnungsmäßig zwischen 600°C und 900°C liegt, z. B. 800°C, transpor­ tiert. Die Hartlötpaste schmilzt und verbindet die Mittel­ elektrode 20c fest und dauerhaft mit dem Isolator 12c. Die­ se Verbindung ist außerdem gasdicht. Die Hartlötpaste wird beispielsweise im Bereich eines Absatzes 102 aufgebracht, an dem sich der Innendurchmesser des Durchgangsloches 18c verringert. Alternativ lässt sich die Mittelelektrode 20c fast vollständig mit Hartlötpaste bestreichen, so dass die Mittelelektrode 20c und der Isolator 10c auch im Bereich des Isolatorfußes 14c verbunden sind.

Am Isolator 10c befindet sich eine Zwischenschicht 104, die eine Dicke kleiner z. B. 1 mm hat. Die Zwischenschicht 104 ist im Bereich einer z. B. etwa l1 = 12 mm langen Stufe 106 des Isolators 10c mit diesem beispielsweise über eine Hart­ lötverbindung verbunden. An dem fußteilfernen Ende der Stu­ fe 106 folgt die Zwischenschicht 104 der Form des sich auf­ weitenden Isolators 10c. In einem Abschnitt 108 bildet die Zwischenschicht 104 jedoch einen rohrförmigen Abschnitt mit einem größeren Innendurchmesser als der Außendurchmesser Dc des Isolators 10c. Somit befindet sich zwischen Zwischen­ schicht 104 und Isolator 10c im Bereich des Abschnitts 108 ein Spalt 110. Im Abschnitt 108 ist die Zwischenschicht 104 an ihrer Außenseite mit der Innenseite der Einschraubmutter 34c verbunden, beispielsweise durch eine Löt- oder eine Schweißverbindung. Im Bereich der Stufe 106 ist die Zwi­ schenschicht 104 an ihrer Außenseite nicht mit dem Gehäuse 22c verbunden, so dass in diesem Bereich ein Spalt 111 zwi­ schen Zwischenschicht 104 und Gehäuse 22c liegt.

Durch die Ausformung und Art der Befestigung der Zwischen­ schicht 104 wird erreicht, dass Kräfte, die beim Einschrau­ ben der Zündkerze 10c im Gehäuse 22c auftreten, nicht di­ rekt auf den Isolator 10c übertragen werden können. Die Zwischenschicht 104 nimmt diese Kräfte nämlich in dem Über­ gangsbereich zwischen der Stufe 106 und dem Abschnitt 108 auf.

Fig. 2B zeigt eine ähnlich wie die Zündkerze 10c aufgebau­ te Zündkerze 10d. Unterschiede bestehen nur im Bereich ei­ ner Zwischenschicht 104d, die anstelle der Zwischenschicht 104 eingesetzt wird. Die Zwischenschicht 104d ist im Be­ reich einer Stufe 106d mit einem Isolator 12d verbunden. In einem Übergangsbereich 112 weitet sich die Zwischenschicht 104d konisch entsprechend der Form des Isolators 12d auf. Im Übergangsbereich 112 sowie in einem sich anschließenden Abschnitt 114 ist die Innenseite der Zwischenschicht 104d ebenfalls mit dem Isolator 12d verbunden, beispielsweise mit Hilfe einer Löt- oder Schweißverbindung.

Im Bereich der Stufe 106d liegt die Außenseite der Zwi­ schenschicht 104d frei, so dass ein Spalt 110d zwischen Zwischenschicht 104d und Gehäuse 22d gebildet wird. Im Be­ reich des Abschnitts 114 ist die Außenseite der Zwischen­ schicht 104d mit dem Gehäuse 22d verbunden, beispielsweise durch Löten oder Schweißen. Die Verbindung hat entlang ei­ ner Längsachse 16d eine Länge von z. B. etwa l2 = 8 mm.

Mechanische Spannungen, die beim Einschrauben der Zündkerze 10d im Bereich einer Nut 30d auftreten, können aufgrund des Spalts 110d nicht direkt zum Isolator 12d übertragen wer­ den. Die Kraftlinien verlaufen zunächst im Gehäuse 22d und gehen erst im Abschnitt 114 zum Isolatorkern 12d über. Die Kräfte sind jedoch dann schon kleiner als im Bereich der Nut 30d.

Im Bereich der Nut 30d wird ein nicht dargestellter Dicht­ ring angeordnet, der zwischen Motorblock und einem Mittel­ teil 32d eine Dichtung im Flachdichtsitz bildet. Im übrigen ist die Zündkerze 10d wie die Zündkerze 10c aufgebaut.

Fig. 3A zeigt in teilweiser Schnitt-Darstellung eine kom­ pakte Zündkerze 10e, die ähnlich wie die Zündkerze 10c auf­ gebaut ist, siehe Fig. 2A. Durch Bezugszeichen 12e bis 36e bezeichnete Elemente entsprechen in ihrem Aufbau und ihrer Funktion den an Hand der Fig. 2A erläuterten Elementen 12c bis 36c.

In das Durchgangsloch 18e wird wiederum zunächst die Mit­ telelektrode 20e gesteckt. Anschließend wird ein auswech­ selbarer Dämpfungswiderstand 120 eingesetzt, der eine Form hat, die einer bekannten Schmelzsicherung ähnelt. Erst da­ nach wird ein Kontaktstift 122 eingesetzt, der beim Ein­ schrauben des Anschlußbolzens 36e an mehreren Knickstellen ausknickt. Der so verschraubte Isolator 12e wird wiederum auf etwa 800°C erwärmt, wobei eine auf der Mittelelektrode 20e aufgebrachte Lötpaste schmilzt und die Mittelelektrode 20e mit dem Isolator 12e verbindet.

Eine Zwischenschicht 124 entspricht in ihrem Aufbau, in ih­ rer Funktion und in ihrer Befestigungsart am Isolator 12e und am Gehäuse 22e der Zwischenschicht 104, siehe Fig. 2A.

Fig. 3B zeigt einen Teil einer Zündkerze 10f, die wie die Zündkerze 10e aufgebaut ist, siehe Fig. 3A. Eine Zwischen­ schicht 126f ist am Isolator 12f der Zündkerze 10f in einem Abschnitt 130 angelötet. Der Abschnitt 130 liegt innerhalb der Gewindehülse 26f. Innerhalb eines Übergangsabschnitts 132 vergrößert sich der Innendurchmesser der Zwischen­ schicht 126f und der Durchmesser des Isolators 12f glei­ chermaßen. Im Bereich eines innerhalb der Einschraubmutter 34f liegenden Abschnitts 134 bleibt der Innendurchmesser der durch die Zwischenschicht 126f gebildeten Hülse kon­ stant. Ebenso bleibt im Abschnitt 134 der Durchmesser des Isolators 12f konstant. Im Abschnitt 134 ist die Zwischen­ schicht 126f sowohl am Isolator 12f als auch am Gehäuse 22f angelötet. Im Bereich des Abschnitts 130 und im Bereich des Übergangsabschnitts 132 liegt dagegen ein Spalt 136 zwi­ schen Gehäuse 22f und Isolator 12f.

Claims (11)

1. Zündkerze (10c) mit:
einem stückweise zylindrischen Isolatorelement (10c) mit einer Bohrung,
und einer in einer Öffnung in dem Fußteil (14c) des Isola­ torelementes (12c) angeordneten Mittelelektrode (20c),
dadurch gekennzeichnet, dass Isolatorelement (12c) und Mit­ telelektrode (20c) durch mindestens eine metallische Löt­ verbindung und/oder eine metallische Schweißverbindung ver­ bunden sind.

2. Zündkerze (10c) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die Verbindung vorzugsweise am fußteilfernen Ende der Mittelelektrode (20c) angeordnet ist,
dass die Außendurchmesser der Mittelelektrode (20c) im Be­ reich der Verbindung geringfügig kleiner als im gleichen Abstand zum freien Ende des Fußteils (14c) liegende Innen­ durchmesser des Isolatorelementes (12c) sind,
und dass die Verbindung im wesentlichen entlang des Umfangs der Mittelelektrode (20c) den Spalt zwischen Mittelelektro­ de (20c) und Isolatorelement (12c) verschließt.

3. Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Innendurchmesser des Isolatorelementes geringfügig kleiner sind als im gleichen Abstand zum freien Ende des Fußteils liegende Außendurchmesser der Mittelelektrode ohne umgeben­ den Isolatorkern.

4. Zündkerze nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine kraftschlüssige Verbindung durch den Einbau der Mit­ telelektrode in das Isolatorelement mit einer zum Zeitpunkt des Einbaus höheren Temperatur als die Mittelelektrode her­ gestellt wird.

5. Zündkerze (10c) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Mittelelektrode (20c) in axialer Richtung eine Kraft mit Hilfe eines federnden Elementes ausgeübt wird, vorzugsweise mit Hilfe eines Kon­ taktstiftes (100).

6. Zündkerze (10c) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktstift (100) mindestens einmal geknickt ist.

7. Zündkerze (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolatorelement (12) Kera­ mik enthält, und dass die Oberfläche der Keramik im Bereich der Verbin­ dung so behandelt worden ist, dass die Belastbarkeit der Verbindung erhöht wird.

8. Verfahren zur Herstellung einer Zündkerze nach An­ spruch 1 mit den Schritten:
Versehen der Mittelelektrode (20c) oder des Inneren des Isolatorelements (12c) mit einem metallischen Lotmaterial oder einem metallischen Schweißmaterial;
Einstecken der Mittelektrode (20c) in das Isolatorelement (12c); und
Aufschmelzen des metallischen Lotmaterials oder des metal­ lischen Schweißmaterials.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Lotmaterial oder das metallische Schweißma­ terials derart vorgesehen wird, daß die Verbindung im we­ sentlichen entlang des Umfangs der Mittelelektrode (20c) den Spalt zwischen Mittelelektrode (20c) und Isolatorele­ ment (12c) verschließt.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeich­ net, daß eine kraftschlüssige Verbindung durch den Einbau der Mittelelektrode in das Isolatorelement mit einer zum Zeitpunkt des Einbaus höheren Temperatur als die Mittel­ elektrode hergestellt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Isolatorelement (12) Keramik enthält, und dass die Oberfläche der Keramik im Bereich der Verbin­ dung so behandelt wird, dass die Belastbarkeit der Verbin­ dung erhöht wird.