DE10122938A1

DE10122938A1 - Zündkerze und Verfahren zu deren Herstellung

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Publication number: DE10122938A1
Application number: DE10122938A
Authority: DE
Inventors: Tsunenobu Hori
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2000-05-12
Filing date: 2001-05-11
Publication date: 2001-11-29
Also published as: US20020050775A1; US6653766B2; JP2002033176A

Abstract

Eine Zündkerze (100) für einen Motor umfasst ein an dem Motor befestigbares Befestigungselement (10), einen Isolator (20), der innerhalb des Befestigungselements angeordnet und mit einem Axialloch ausgebildet ist, eine Mittelelektrode (30) aus Metallmaterial, die isoliert von dem Befestigungselement in dem Axialloch des Isolators angeordnet ist, und eine zur Mittelelektrode gegenüberliegend angeordnete Masseelektrode (40). Die Mittelelektrode (30) und/oder die Masseelektrode (40) ist/sind als Grundmaterial ausgebildet, das eine Fläche aufweist, mit der eine als Entladungsmaterial dienende Spitze (60) aus Edelmetall oder aus einer Legierung dessen verschweißt und daran mittels eines aufgeschmolzenen Abschnitts befestigt ist. Der aufgeschmolzene Abschnitt (70) zwischen der Spitze und dem Grundmaterial weist einen Abschnitt maximaler Querschnittsfläche auf, der nicht mehr als 1,5-mal so groß wie die Querschnittsfläche eines an einem Grenzabschnitt des aufgeschmolzenen Abschnitts gelegenen Abschnitts der Spitze (60) ist, wobei die an dem Grenzabschnitt gelegene Querschnittsfläche der Spitze nicht weniger als 2 mm·2· und nicht mehr als 7 mm·2· beträgt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Zündkerze mit einander gegenüberliegend angeordneter Mittelelektrode und Masseelektrode und ein Verfahren zu deren Herstellung, bei dem die Mittelelektrode und/oder die Masseelektrode als Grundmaterial ausgebildet ist/sind und bei dem eine als Entladungsmaterial dienende Spitze aus Edelmetall oder aus einer Legierung dessen mit einer der Grundmaterialflächen verschweißt and daran befestigt wird. Die Zündkerze ist insbesondere unter harten Bedingungen nützlich, wie sie unter der thermischen Belastung eines Kogenerationsmotors oder dergleichen entstehen. Unter "Kogeneration" ist die Erzeugung von zwei nutzbaren Energieformen zu verstehen.

Bekanntlich kann die Lebensdauer und das Leistungs vermögen einer Zündkerze verbessert werden, indem auf die Mittelelektrode oder die Masseelektrode (Grundmaterial) als ein Funkenentladung durchführendes Entladungselement eine Spitze aus Edelmetall wie etwa Ir, Pt oder dergleichen oder aus einer Legierung dessen aufgeschweißt und daran befestigt wird. Unter dem Gesichtspunkt leichter Herstellbarkeit, geringer Kosten oder dergleichen wird im Allgemeinen zum Verbinden der Spitze ein Widerstandsschweißverfahren genutzt. Bei Verwendung einer Ir-Legierung als Spitze lässt sich beim Wider standsschweißverfahren jedoch für die Verbindung zwischen der Spitze und dem Grundmaterial nur schwer ausreichende Zuverlässigkeit gewährleisten, da die Ir-Legierung bezogen auf das Grundmaterial einen größeren linearen Ausdehnungskoeffizienten als eine Pt-Legierung hat.

Wenn die Verbindung (das Anschweißen) mit einer Spitze aus einer Ir-Legierung erfolgt, wird zwischen diesen Materialien daher üblicherweise aus den oben angesproche nen Gründen eine Legierungsschicht (Entspannungsschicht) ausgebildet, indem die Ir-Legierung und das Grundmaterial (Ni-Legierung oder dergleichen) mittels Laserschweißen aufgeschmolzen werden, um dadurch die auf den Verbindungsabschnitt zwischen der Spitze und dem Grund material wirkenden Wärmespannungen abzumildern, wodurch sich für die Verbindung zwischen der Spitze und dem Grundmaterial ausreichende Zuverlässigkeit ergibt.

Nach den Erfahrungen der Erfinder nimmt die Wärme spannung jedoch ungeachtet der Art des Schweißverfahrens (Laserschweißen, Widerstandsschweißen oder dergleichen) zu, wenn bei der Zündkerze eine große Spitze Verwendung findet oder wenn die Zündkerze (beispielsweise in einem Kogenerationsmotor, bei dem die Temperatur der Mittel elektrode auf etwa 950°C steigt) harten thermischen Belastungen ausgesetzt ist. Im ungünstigsten Fall kann die Spitze von dem Grundmaterial abfallen, was ein Problem darstellt.

Aufgabe der Erfindung ist es, die oben angesprochenen Fehler oder Nachteile beim Stand der Technik im Wesentlichen auszuräumen und eine Zündkerze zur Verfügung zu stellen, die selbst unter hohen Wärmespannungen oder hohen thermischen Belastungen zwischen Spitze und Grund material eine zuverlässige Verbindung bzw. Schweißung zeigt.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer Zündkerze mit den oben genannten Eigenschaften zur Verfügung zu stellen, das sich leicht durchführen lässt.

Gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch eine Zündkerze für einen Motor, die ein an dem Motor befestigbares Befestigungselement aus leitendem Material, einen Isolator, der innerhalb des Befestigungselements angeordnet und mit einem Axialloch ausgebildet ist, eine Mittelelektrode aus Metallmaterial, die isoliert von dem Befestigungselement in dem Axialloch des Isolators angeordnet ist, und eine zur Mittel elektrode gegenüberliegend angeordnete Masseelektrode umfasst und bei der die Mittelelektrode und/oder die Masseelektrode als Grundmaterial ausgebildet ist/sind, das eine Fläche aufweist, mit der eine als Entladungs material dienende Spitze aus Edelmetall oder aus einer Legierung dessen verschweißt and daran mittels eines aufgeschmolzenen Abschnitts befestigt ist, und bei der der aufgeschmolzene Abschnitt zwischen der Spitze und dem Grundmaterial einen Abschnitt maximaler Querschnitts fläche aufweist, der nicht mehr als 1,5-mal so groß wie die Querschnittsfläche eines an einem Grenzabschnitt des aufgeschmolzenen Abschnitts gelegenen Abschnitts der Spitze ist, und die an dem Grenzabschnitt gelegene Querschnittsfläche der Spitze nicht weniger als 2 mm² und nicht mehr als 7 mm² beträgt.

Dabei ist zu beachten, dass unter der Grundmaterial fläche, mit der die Spitze verschweißt ist, die Fläche des Grundmaterials vor dem Verschweißen der Spitze zu verstehen ist, da diese Fläche nach dem Schweißen durch die Bildung des aufgeschmolzenen Abschnitts nicht mehr klar erkennbar sein kann.

Da der aufgeschmolzene Abschnitt zwischen der Spitze und dem Grundmaterial bei dieser Ausgestaltung der Erfindung einen Abschnitt maximaler Querschnittsfläche aufweist, der nicht mehr als 1,5-mal so groß wie die Querschnitts fläche eines an einem Grenzabschnitt des aufgeschmolzenen Abschnitts gelegenen Abschnitts der Spitze ist, können die Wärmespannungen auf den aufgeschmolzenen Abschnitt selbst dann verringert werden, wenn die Zündkerze unter den hohen thermischen Belastungen beispielsweise eines Kogenerationsmotors verwendet wird. Dadurch kann zwischen der Spitze und dem Grundmaterial wirksam für eine zuverlässige Verbindung gesorgt werden. Diese Wirkung lässt sich weiter verbessern, wenn die an dem Grenz abschnitt gelegene Querschnittsfläche der Spitze nicht weniger als 2 mm² und nicht mehr als 7 mm² beträgt.

Bei einem bevorzugten Beispiel dieser Ausgestaltung weist der aufgeschmolzene Abschnitt einen Abschnitt minimaler Querschnittsfläche auf, der nicht weniger als 0,6-mal so groß wie die an dem Grenzabschnitt zu dem aufgeschmolze nen Abschnitt gelegene Querschnittsfläche der Spitze ist. Das Grundmaterial weist entlang seiner einen Fläche als Abschnitt kleiner Querschnittsfläche eine Querschnitts fläche auf, die nicht mehr als 1,5-mal so groß wie die Querschnittsfläche des an dem Grenzabschnitt zu dem aufgeschmolzenen Abschnitt gelegenen Abschnitts der Spitze ist, wobei der Abschnitt kleiner Querschnitts fläche so ausgebildet ist, dass seine Gestaltungslänge in Normalenrichtung vom Grenzabschnitt zwischen dem Grund material und dem aufgeschmolzenen Abschnitt zur Grund materialfläche nicht mehr als 2,0 mm beträgt.

Die Spitze ist an der Grundmaterialfläche durch Laser schweißen befestigt. Die Spitze ist aus einer Legierung gebildet, die nicht weniger als 50 Gew.-% Ir enthält.

Bei diesem bevorzugten Beispiel führt die Bildung des Abschnitts kleiner Querschnittsfläche dazu, dass die Größe des Grundmaterials bezogen auf den aufgeschmolzenen Abschnitt kleiner wird, wodurch die Wärmespannungen verringert werden. Die Erfinder stellten in diesem Zusammenhang anhand von Versuchen die folgenden Tatsachen fest.

Der Abschnitt kleiner Querschnittsfläche hat verglichen mit anderen Abschnitten des Grundmaterials (d. h. der Mittelelektrode und/oder Masseelektrode) eine feine Form. Wenn die Gestaltungslänge 2,0 mm überschreitet, ist das Grundmaterial jedoch zu fein, als dass eine gute thermische Leitfähigkeit erzielt werden könnte, und führt der Temperaturanstieg des Grundmaterials zu einer Erhöhung der Wärmespannungen im aufgeschmolzenen Abschnitt. Eine zuverlässige Verbindung lässt sich daher nur schwer gewährleisten. Wenn die Gestaltungslänge dagegen nicht mehr 2,0 mm beträgt, wird der Temperatur anstieg des Grundmaterials unterdrückt, wodurch die Wärmespannungen auf den aufgeschmolzenen Abschnitt verringert werden, was vorteilhaft ist.

Bei einer großen Dicke (d. h. von beispielsweise mehreren Hundert µm bis 1 mm) des aufgeschmolzenen Abschnitts lässt sich die Spitze zudem durch das Laserschweißen verglichen mit dem Widerstandsschweißen fester verbinden, wodurch die Spitze sicher befestigt wird.

Indem die Spitze unter Verwendung eines Metallmaterials, wie etwa Ir oder einer Legierung dessen mit dem oben genannten Gewichtsprozentanteil, gebildet wird, kann bei einem Grundmaterial mit einem stark unterschiedlichen linearen Ausdehnungskoeffizienten eine wirksamere Funktionsweise sichergestellt werden.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine Zündkerze für einen Motor vorgesehen, die ein an dem Motor befestigbares Befestigungselement aus leitendem Material, einen Isolator, der innerhalb des Befestigungs elements angeordnet und mit einem Axialloch ausgebildet ist, eine Mittelelektrode aus Metallmaterial, die isoliert von dem Befestigungselement in dem Axialloch des Isolators angeordnet ist, und eine zur Mittelelektrode gegenüberliegend angeordnete Masseelektrode umfasst und bei der die Mittelelektrode und/oder die Masseelektrode als Grundmaterial ausgebildet ist/sind, das eine Fläche aufweist, mit der eine als Entladungsmaterial dienende Spitze aus Edelmetall oder aus einer Legierung dessen verschweißt and daran mittels eines aufgeschmolzenen Abschnitts befestigt ist, und bei der der aufgeschmolzene Abschnitt zwischen der Spitze und dem Grundmaterial eine Querschnittsfläche aufweist, deren Form und Größe im Wesentlichen gleich der einer Querschnittsfläche eines an einem Grenzabschnitt zu dem aufgeschmolzenen Abschnitt gelegenen Abschnitts der Spitze ist.

Wenn die Spitze und der aufgeschmolzene Abschnitt bei der obigen Ausgestaltung bezogen auf ihre Querschnittsflächen am Grenzabschnitt zwischen der Spitze und dem aufgeschmolzenen Abschnitt keine im Wesentlichen gleiche Form und/oder Abmessung hätten, besäße die Spitze oder der aufgeschmolzene Abschnitt einen zum Vorspringen gebrachten bzw. vorspringenden Abschnitt, an dem ein Kantenabschnitt ausgebildet wäre, in dem sich wahrscheinlich die Wärmespannungen konzentrieren würden.

Da die Spitze und der aufgeschmolzene Abschnitt jedoch bei der obigen Ausgestaltung bezogen auf die Querschnittsflächen am dazwischen liegenden Grenz abschnitt die gleiche Form und/oder Abmessung haben, liegt kein Kantenabschnitt der oben genannten Art vor, wodurch die Wärmespannungen verringert werden und selbst dann eine zuverlässige Verbindung zwischen der Spitze und dem Grundmaterial gewährleistet ist, wenn ein Einsatz unter hohen thermischen Belastungen wie etwa in einem Kogenerationsmotor erfolgt.

Bei einem bevorzugten Beispiel der obigen Ausgestaltung weist das Grundmaterial entlang seiner einen Fläche als Abschnitt gleicher Form eine Querschnittsfläche auf, deren Form und Größe im Wesentlichen gleich der Quer schnittsfläche des aufgeschmolzenen Abschnitts ist, wobei der Abschnitt gleicher Form so ausgebildet ist, dass seine Gestaltungslänge in Normalenrichtung vom Grenz abschnitt zwischen dem Grundmaterial und dem aufgeschmol zenen Abschnitt zur Grundmaterialfläche nicht mehr als 2,0 mm beträgt.

Die Spitze ist durch Laserschweißen an der Grundmaterial fläche befestigt und aus einer Legierung gebildet, die nicht weniger als 50 Gew.-% Ir enthält.

Bei diesem bevorzugten Beispiel lassen sich die noch bessere Wirkungen als bei den beiden genannten Ausgestaltungen erzielen.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Zündkerze für einen Motor vorgesehen, deren Aufbau einer der oben genannten Ausgestaltung der Erfindung entspricht, wobei das Verfahren die Schritte Verschweißen der Spitze mit der Grundmaterialfläche und Bearbeiten des aufgeschmolzenen Abschnitts zwischen der Spitze und dem Grundmaterial umfasst, um für eine vorbestimmte Form zu sorgen.

Bei einem bevorzugten Beispiel weist der aufgeschmolzene Abschnitt zwischen der Spitze und dem Grundmaterial einen Abschnitt maximaler Querschnittsfläche auf, der nicht mehr als 1,5-mal so groß wie die Querschnittsfläche eines an einem Grenzabschnitt zum aufgeschmolzenen Abschnitt gelegenen Abschnitts der Spitze ist. Die Querschnitts fläche der an dem Grenzabschnitt gelegenen Spitze beträgt nicht weniger als 2 mm² und nicht mehr als 7 mm².

Der aufgeschmolzene Abschnitt zwischen der Spitze und dem Grundmaterial weist eine Querschnittsfläche auf, deren Form und Größe im Wesentlichen gleich der der Querschnittsfläche des an der Grenzfläche zum aufgeschmolzenen Abschnitt gelegenen Abschnitts der Spitze ist. Der aufgeschmolzenen Abschnitt und das an dem aufgeschmolzenen Abschnitt angrenzende Grundmaterial werden einer formenden Bearbeitung unterzogen, um für eine vorbestimmte Form des Grundmaterials zu sorgen. Die Spitze wird an der Grundmaterialfläche durch Laserschweißen befestigt.

Bei dem bevorzugten Beispiel dieser Ausgestaltung lassen sich die Form und Größe der Querschnittsfläche des aufgeschmolzenen Abschnitts zwischen der Spitze und dem Grundmaterial einstellen und steuern, sodass der beabsichtige aufgeschmolzene Abschnitt ausgebildet werden kann, wodurch sich die Zündkerze mit dem gewünschten Aufbau herstellen lässt.

Diese und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung. In der Beschreibung wird auf verschiedene Versuche und die beigefügten Zeichnung Bezug genommen, wobei die Zeichnungen Folgendes zeigen:

Fig. 1 im Halbschnitt eine Draufsicht auf eine Zündkerze gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung eines vorderen Abschnitts einer Mittelelektrode der in Fig. 1 gezeigten Zündkerze;

Fig. 3A bis Fig. 3C Abbildungen von Schritten zum Verbinden der Mittelelektrode mit einer Spitze;

Fig. 4 eine Tabelle mit dem Querschnittsflächenverhältnis eines Abschnitts maximaler Querschnittsfläche eines aufgeschmolzenen Abschnitts zur Spitze in Durchmesser richtung für verschiedene Maximaldurchmesser ϕD ("Querschnittsflächenverhältnis zwischen Spitze und größtem Abschnitt des aufgeschmolzenen Abschnitts");

Fig. 5 eine zur Erläuterung des Ablösegrads dienende Abbildung;

Fig. 6 eine grafische Darstellung des Zusammenhangs zwischen dem Verhältnis in Fig. 4 und dem Ablösegrad in Fig. 5;

Fig. 7 eine Schnittansicht zur Veranschaulichung einer Mittelelektrode mit einem nicht aufgeschmolzenen Bereich X;

Fig. 8 eine grafische Darstellung des Zusammenhangs zwischen der Querschnittsfläche der Spitze und dem Ablösegrad;

Fig. 9 eine Schnittansicht zur Veranschaulichung eines Beispiels einer Mittelelektrode, bei der der Minimal durchmesser des aufgeschmolzenen Abschnitts kleiner als der Durchmesser der Spitze ist;

Fig. 10 eine Tabelle mit dem "Querschnittsflächen verhältnis zwischen kleinster Querschnittsfläche des aufgeschmolzenen Abschnitts und Spitze" für verschiedene Minimaldurchmesser ϕDmin;

Fig. 11 eine grafische Darstellung des Zusammenhangs zwischen einem aufbrauchbaren Volumenverhältnis und dem "Querschnittsflächenverhältnis zwischen kleinster Querschnittsfläche und Spitze" für verschiedene Minimal durchmesser ϕDmin;

Fig. 12 eine Schnittansicht eines Beispiels einer Mittel elektrode, bei der der Minimaldurchmesser des aufgeschmolzenen Abschnitts kleiner als der Durchmesser der Spitze ist;

Fig. 13 eine Schnittansicht eines weiteren Beispiels einer Mittelelektrode, bei der der Minimaldurchmesser des aufgeschmolzenen Abschnitts kleiner als der Durchmesser der Spitze ist;

Fig. 14 eine Schnittansicht eines weiteren Beispiels einer Mittelelektrode, bei der der Minimaldurchmesser des aufgeschmolzenen Abschnitts kleiner als der Durchmesser der Spitze ist;

Fig. 15 eine Schnittansicht eines Beispiels einer Mittel elektrode, an der ein Abschnitt kleiner Querschnitts fläche ausgebildet ist;

Fig. 16 eine grafische Darstellung des Zusammenhangs zwischen dem Ablösegrad und der Gestaltungslänge L eines Abschnitts kleiner Querschnittsfläche;

Fig. 17 eine Schnittansicht eines Beispiels, bei dem der Abschnitt kleiner Querschnittsfläche der Mittelelektrode als Abschnitt gleicher Form ausgebildet ist;

Fig. 18 eine Schnittansicht eines weiteren Beispiels einer Mittelelektrode, bei der ein Abschnitt kleiner Querschnittsfläche ausgebildet ist;

Fig. 19 eine Schnittansicht eines weiteren Beispiels einer Mittelelektrode, bei der ein Abschnitt kleiner Querschnittsfläche ausgebildet ist;

Fig. 20 eine Schnittansicht eines wesentlichen Abschnitts einer Zündkerze gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und

Fig. 21A bis Fig. 21D und Fig. 22A bis Fig. 22D verschiedene Beispiele von Endabschnitten der in Fig. 20 gezeigten Masseelektrode.

Erstes Ausführungsbeispiel

Fig. 1 zeigt im vertikalen Halbschnitt eine Draufsicht auf den Gesamtaufbau einer Zündkerze gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Zündkerze 100 ist als eine Motorzündkerze verwendbar, die in einem Kogenerationsmotor oder dergleichen harten Bedingungen wie einer hohen thermischen Belastung ausgesetzt ist, und wird in ein Schraubloch eingeschraubt, das an einem (nicht gezeigten) Motorblock ausgebildet ist, der eine Motorverbrennungskammer abteilt.

Die Zündkerze 100 ist mit einem zylinderförmigen Befestigungssitz oder einem Anschlussstück 10 versehen, das aus einem leitfähigen Eisen-/Stahlmaterial wie etwa einem Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt gebildet ist. Der Befestigungssitz 10 weist einen Schraubbefestigungs abschnitt 11 zur Befestigung der Zündkerze 100 an dem Motorblock und innerhalb des Befestigungssitzes 10 einen Isolator (ein Isoliermaterial) 20 aus beispielsweise Aluminiumoxidkeramik (Al₂O₃) auf, wobei der Isolator 20 so befestigt ist, dass sein vorderer Endabschnitt 21 (unterer Endabschnitt in Fig. 1) aus dem Befestigungssitz 10 nach außen ragt.

Der Isolator 20 hat ein Axialloch 22, in das eine Mittel elektrode 30 fest eingepasst ist, sodass sie isoliert von dem Befestigungssitz 10 getragen wird. Die Mittel elektrode 30 umfasst ein zylinderförmiges bzw. stab förmiges Element, das sich aus einem inneren Metall material wie etwa Cu mit hervorragender Wärmeleitfähig keit und einem äußeren Metallmaterial wie etwa einer Legierung auf Ni-Basis mit hervorragender Wärmebeständig keit und Korrosionsbeständigkeit zusammensetzt. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, ragt die vordere Deck- bzw. Endfläche 31 (Fig. 3A) der Mittelelektrode 30 aus dem vorderen Endabschnitt 21 des Isolators 20 nach außen vor.

Darüber hinaus ist die Zündkerze 100 mit einer Masse elektrode 40 versehen, deren erstes Ende durch beispiels weise Schweißen an einem Ende des Befestigungssitzes 10 angebracht wurde und die dann L-förmig gebogen wurde, sodass ihr zweites Ende 41 der vorderen Endfläche 31 der Mittelelektrode 30 mit einem Funkenspalt 50 dazwischen gegenüberliegt. Die Masseelektrode 40 setzt sich aus einem stabförmigen Element zusammen, das beispielsweise aus einer hauptsächlich aus Ni bestehenden Legierung auf Ni-Basis gebildet ist.

Die vordere Endfläche 31 der Mittelelektrode 30 und der zweite Endabschnitt 41 der Masseelektrode 40 sind also so angeordnet, dass sie einander gegenüberliegen, wobei bei diesem Ausführungsbeispiel eine als Entladungselement dienende Spitze 60 aus einem Edelmetall oder aus einer Legierung dessen durch ein Laserschweißverfahren fest mit der vorderen Endfläche 31 der als Grundmaterial dienenden Mittelelektrode 30 verbunden ist.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Spitze 60 aus einer das Edelmetall Iridium (Ir) zu mehr als 50 Gew.-% enthaltenden Legierung gebildet und hat im Querschnitt entlang der vorderen Endfläche 31 der Mittel elektrode 30 eine Scheibenform. Dabei ist unter dem Funkenspalt 50 der Spalt zwischen der Spitze 60 und der zweiten Endfläche 41 der Masseelektrode 40 zu verstehen.

Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines vorderen Endabschnitts der Mittelelektrode 30.

In Fig. 2 sind die scheibenförmige Spitze 60, die einen Durchmesser ϕd hat, und die rundstabförmige Mittel elektrode 30 über einen aufgeschmolzenen Abschnitt 70 miteinander verbunden, der sich aus einer Mischung der mittels Laserschweißen aufgeschmolzenen Abschnitte der Mittelelektrode 30 und der Spitze 60 zusammensetzt. Bezogen auf die Querschnittsfläche entlang der vorderen Endfläche 31 der Mittelelektrode 30 (Normalfläche zur Längsrichtung des Grundmaterials) zum aufgeschmolzenen Abschnitt 70 und zur Spitze 60 ist der Abschnitt maximaler Querschnittsfläche des aufgeschmolzenen Abschnitts 70 (Abschnitt mit dem Maximaldurchmesser ϕD) weniger bzw. nicht mehr als 1,5-mal so groß wie die an der Grenzfläche zum aufgeschmolzenen Abschnitt 70 gelegene Querschnittsfläche der Spitze 60. Da die Spitze 60 bei diesem Ausführungsbeispiel eine Scheibenform hat, entspricht die an der Grenzfläche zu dem aufgeschmolzenen Abschnitt 70 gelegene Querschnittsfläche der Fläche des Schnitts in Durchmesserrichtung (dem kreisförmigen Quer schnitt) der Spitze 60. Da die scheibenförmige Spitze 60 und die stabförmige Mittelelektrode 30 miteinander verschweißt sind, hat auch die Querschnittsfläche entlang der vorderen Endfläche 31 der Mittelelektrode 30 an dem aufgeschmolzenen Abschnitt 70 ungefähr einen kreis förmigen Querschnitt.

Da bei dem in Fig. 2 gezeigten Beispiel der Abschnitt maximalen Durchmessers des aufgeschmolzenen Abschnitts 70 größer als die Fläche des Durchmesserquerschnitts der Spitze 60 ist, ist der aufgeschmolzene Abschnitt 70 von der Seite der Spitze zu der Seite der Mittelelektrode konisch aufgeweitet, wobei der aufgeschmolzene Abschnitt 70 auf der Seite der Mittelelektrode ungefähr stabförmig ausgebildet ist und den Maximaldurchmesser ϕD hat.

Im Folgenden wird nun als Verfahren zur Herstellung der Zündkerze 100 mit dem obigen Aufbau ein Verfahren zum Verbinden der Mittelelektrode 30 und der Spitze 60 der Zündkerze 100 beschrieben, wobei die Herstellungsschritte für die anderen Abschnitte oder Elemente der Zündkerze 100 auf bekannte Weise durchgeführt werden, sodass an dieser Stelle auf eine Erläuterung verzichtet wird.

Die Schritte des erfindungsgemäßen Verbindungsverfahrens werden anhand der Fig. 3A bis 3C erläutert.

Wie in Fig. 3A gezeigt ist, wird beispielsweise durch Widerstandsschweißen zunächst vorläufig eine Kreisfläche auf der einen Seite der scheibenförmigen Spitze 60 mit der vorderen Endfläche 31 der Mittelelektrode 30 verbunden. In dem dargestellten Beispiel hat die vordere Endfläche 31 einen Durchmesser ϕS1, der kleiner als der Durchmesser ϕS2 eines Grundabschnitts 32 der Mittel elektrode 30 ist. Als Nächstes wird auf einem Abschnitt zwischen der Spitze 60 und der vorderen Endfläche 31 der Mittelelektrode 30, wie durch den Pfeil Ra gezeigt ist, ein Laserstrahl (Licht) aufgebracht, während die Mittel elektrode 30 gedreht wird.

Bei dem Schritt in Fig. 3A wird als Mischabschnitt der aufgeschmolzenen Abschnitte der Spitze 60 und der Mittel elektrode 30 der in Fig. 3B gezeigte aufgeschmolzene Abschnitt 70 gebildet. Nach dem Schweißschritt wird am Außenrand des aufgeschmolzenen Abschnitts 70 unter Verwendung eines Klingenschneiders oder dergleichen eine Schneidbearbeitung durchgeführt, wie sie in Fig. 3C gezeigt ist, in der der abgeschnittene Abschnitt als gestrichelte Linie K angegeben ist, um dadurch den aufgeschmolzenen Abschnitt 70 zu formen. Durch diesen Formungsschritt für den aufgeschmolzenen Abschnitt 70 wird der aufgeschmolzene Abschnitt 70 mit der geeigneten Form versehen, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist.

Wie vorstehend erwähnt ist, wird bezogen auf die Quer schnittsfläche entlang der vorderen Endfläche 31 der Mittelelektrode 30 zum aufgeschmolzenen Abschnitt 70 und der Spitze 60 beim aufgeschmolzenen Abschnitt 70 die Fläche des Abschnitts maximaler Querschnittsfläche so eingestellt, dass sie weniger als 1,5-mal so groß wie die Querschnittsfläche der Spitze 60 ist. Dieser Umstand ergab sich aus der Untersuchung des folgenden Beispiels, weshalb die Erfindung nicht auf den Zahlenwert allein beschränkt werden kann.

In diesem Beispiel wurde für die Spitze 60 ein Scheiben plattenelement angefertigt, das sich aus einer aus 90 Gew.-% Ir und 10 Gew.-% Rh bestehenden Ir-Rh-Legierung zusammensetzte, einen Durchmesser ϕd von 2,4 mm und eine Dicke von 1,4 mm aufwies. Darüber hinaus wurde für die als Grundmaterial dienende Mittelelektrode 30 ein Stab element angefertigt, das sich aus einer Legierung auf Ni-Basis (INCONEL, Markenzeichen) zusammensetzte, deren vordere Endfläche 31 einen Durchmesser ϕS1 von 2,7 mm und deren Grundabschnitt einen Durchmesser von ϕS2 von 3,2 mm aufwies. Der vordere Endabschnitt 31 mit dem Durchmesser ϕS1 hatte von der (vorderen) Deckfläche der Mittel elektrode 30 aus die in Fig. 3A gezeigte Länge S3 = 0,3 mm.

Die so angefertigte Spitze 60 und Mittelelektrode 30 wurden wie unter Bezugnahme auf Fig. 3 erläutert mittels Laserschweißen verbunden und dann geschnitten und bearbeitet. Den erwähnten Bearbeitungsschritten folgend wurden unter Änderung des Maximaldurchmessers ϕD des aufgeschmolzenen Abschnitts 70 auf ϕ2,4 mm (gleich dem Spitzendurchmesser ϕd), ϕ2,6 mm, ϕ2,8 mm, ϕ3,0 mm, ϕ3,2 mm - unterschiedliche Elemente ausgebildet und hergestellt.

Fig. 4 zeigt eine Tabelle mit dem Verhältnis zwischen der Fläche des Abschnitts maximaler Querschnittsfläche des aufgeschmolzenen Abschnitts 70 und der Fläche des Schnitts in Durchmesserrichtung der Spitze 60, das nachstehend als "Querschnittsflächenverhältnis des größten Abschnitts des aufgeschmolzenen Abschnitts zur Spitze" bezeichnet wird.

Für den Fall, dass der Maximaldurchmesser ϕD des aufgeschmolzenen Abschnitts 70 (wie der Spitzen durchmesser ϕd) ϕ2,4 mm beträgt, hat der Querschnitt (die Querschnittsfläche) des aufgeschmolzenen Abschnitts 70 bei Betrachtung des Querschnitts entlang der vorderen Endfläche 31 der Mittelelektrode 30 die gleiche Form und Abmessung wie der Querschnitt in Durchmesserrichtung der Spitze 60 (d. h. die gleiche Kreisform). Das heißt, dass der aufgeschmolzene Abschnitt 70 als ein stabförmiger Abschnitt ausgebildet ist, der wie die Spitze 60 in Längsrichtung den Durchmesser ϕd hat. Für den anderen Fall, dass der Maximaldurchmesser ϕD des aufgeschmolzenen Abschnitts 70 ϕ3,2 mm beträgt, wird bei dem oben erläuterten Verbindungsverfahren lediglich das Laser schweißen durchgeführt, ohne die Schneidbearbeitung vorzunehmen, was zu einem herkömmlichen Produkt (Element) führt, das die in Fig. 3B gezeigte Form aufweist.

Die angesprochenen, unter Änderung des Maximaldurchmessers ϕD hergestellten Zündkerzen wurden in Sechszylinder motoren mit 2000 ccm Hubraum eingebaut und Zeitstand versuchen unterzogen, um den Verbindungszustand und die Verbindungszuverlässigkeit zwischen der Spitze 60 und der Mittelelektrode 30 zu untersuchen. Die Bedingungen für die Zeitstandversuche waren wie folgt:
Ein Zyklus umfasste ein einminütiges Halten des Leerlaufs sowie ein einminütiges Halten bei voll geöffneter Drosselklappe (6000 U/min), wobei dieser Zyklus 100 Stunden lang wiederholt wurde.

Die Verbindung wurde anhand des in Fig. 5 gezeigten Ablösegrads beurteilt. Und zwar wurde bei der in Fig. 5 gezeigten Querschnittsfläche die Länge der Grenze zwischen der Spitze 60 und dem aufgeschmolzenen Abschnitt 70 als Verbindungsabschnittlänge A bezeichnet und wurden die Längen der Abschnitte, an der die Spitze 60 und der aufgeschmolzene Abschnitt 70 voneinander abgelöst waren, als Längen B1 und B2 bezeichnet. Der Ablösegrad ist dann über 100 (B1 + B2)/A (%) definiert.

Fig. 6 zeigt ein grafische Darstellung, in der der Ablösegrad nach den Zeitstandversuchen für verschiedene Durchmesser ϕD der Mittelelektroden 30 unterschiedlich ist und in der der Zusammenhang zwischen dem in Fig. 4 angegebenen "Querschnittsflächenverhältnis des größten Abschnitts des aufgeschmolzenen Abschnitts zur Spitze" und dem Ablösegrad (%) aufgetragen ist. Nach den Erfahrungen der Erfinder ist die Verbindung in der Praxis unter den harten Bedingungen einer auf einen Kogenerationsmotor aufgebrachten thermischen Last solange zuverlässig, wie der Ablösegrad nach dem Zeitstandversuch weniger als 25% beträgt. Aus der Darstellung in Fig. 6 ergibt sich, dass das "Querschnittsflächenverhältnis des größten Abschnitts des aufgeschmolzenen Abschnitts zur Spitze" weniger als 1,5 betragen sollte, um einen Ablöse grad von 25% oder weniger zu erzielen.

Für den Fall, dass die Querschnittsfläche des aufgeschmolzenen Abschnitts 70 bei Betrachtung der Quer schnittsfläche entlang der vorderen Endfläche 31 der Mittelelektrode 30 die gleiche Form und Abmessung wie die Spitze 60 in ihrer Durchmesserrichtung hat, d. h. dass das "Querschnittsflächenverhältnis des größten Abschnitts des aufgeschmolzenen Abschnitts zur Spritze" 1 (eins) beträgt (dieser Fall ist nachstehend als "Aufbau gleicher Form von aufgeschmolzenem Abschnitt und Spitze" bezeichnet), kommt es kaum zu einem Ablösen und ist die Wirkung deutlich vorteilhaft.

Indem wie bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung die Fläche des Abschnitts maximaler Quer schnittsfläche des aufgeschmolzenen Abschnitts 70 auf einen Wert von weniger als dem 1,5-fachen der Quer schnittsfläche in Durchmesserrichtung der Spitze 60 (d. h. der an der Grenze zwischen der Spitze und dem aufgeschmolzenen Abschnitt gelegenen Querschnittsfläche der Spitze) eingestellt wird, können die Wärmespannungen auf den aufgeschmolzenen Abschnitt 70 verringert werden und lässt sich zwischen der Spitze 60 in der Mittel elektrode (Grundmaterial) 30 der Zündkerze 100 selbst dann ein gutes Verbindungsverhalten gewährleisten, wenn die Zündkerze 100 unter den hohen thermischen Belastungen beispielsweise eines Kogenerationsmotors verwendet wird.

Wenn darüber hinaus bei dem beschriebenen Ausführungs beispiel der "Aufbau gleicher Form von aufgeschmolzenem Abschnitt und Spitze" Anwendung findet, kann eine Zündkerze 100 mit im Wesentlichen gleichem Verbindungs verhalten und gleicher Verbindungszuverlässigkeit zur Verfügung gestellt werden. Wenn die Querschnittsflächen des aufgeschmolzenen Abschnitts 70 an der Spitze 60 an dem Grenzabschnitt voneinander verschiedene Formen und/oder Abmessungen haben, tritt bei der Spitze 60 oder dem aufgeschmolzenen Abschnitt 70 ein vorstehender bzw. zerlaufender Abschnitt auf. Der aufgeschmolzene Abschnitt 70 und die Spitze 60 bilden an einem solchen vorstehenden Abschnitt dann einen Kantenabschnitt, an dem leicht Wärmespannungen auftreten können. Da solche Kanten bei dem "Aufbau gleicher Form von aufgeschmolzenem Abschnitt und Spitze" dadurch, dass die Querschnittsformen und Abmessungen der Spitze 60 und des aufgeschmolzenen Abschnitts 70 an dem Grenzabschnitt im Wesentlichen gleich sind, nicht vorkommen, werden die Wärmespannungen wirksam verringert. Selbst bei dem in Fig. 7 gezeigten Fall, bei dem in Durchmesserrichtung der Spitze 60 nahe dem zentralen Abschnitt ein nicht aufgeschmolzener Bereich X vorkommt, an dem die Spitze 60 und die Mittel elektrode 30 nicht vermischt (miteinander verschmolzen) sind, kann das Verbindungsverhalten und die Verbindungs zuverlässigkeit zwischen der Spitze 60 und der Mittel elektrode (Grundmaterial) 30 gewährleistet werden, indem die Fläche des Abschnitts maximaler Querschnittsfläche auf nicht mehr als das 1,5-fache der Fläche des Quer schnittsflächenabschnitts in Durchmesserrichtung der Spitze 60 verringert wird. Dabei ist zu beachten, dass die Fläche des Abschnitts maximaler Querschnittsfläche im Beispiel von Fig. 7 nicht nur die Querschnittsfläche des nicht aufgeschmolzenen Bereichs X, sondern auch die Querschnittsfläche des aufgeschmolzenen Bereichs Y umfasst.

In weiteren Versuchen wurden eine Zündkerze mit einem "Querschnittsflächenverhältnis des größten Abschnitts des aufgeschmolzenen Abschnitts zur Spitze" von 1,8 (entspricht einer herkömmlichen Zündkerze) und eine Zündkerze mit einem "Querschnittsflächenverhältnis des größten Abschnitts des aufgeschmolzenen Abschnitts zur Spitze" von 1,0 ("Aufbau gleicher Form von aufgeschmolze nem Abschnitt und Spitze") untersucht, um unter Änderung der Durchmesserquerschnittsfläche der Spitze 60 Zeitstandversuchsergebnisse zu erhalten. Bei diesen Versuchen waren das Material, der Aufbau und das Herstellungsverfahren für diese Zündkerze das gleiche wie bei dem vorstehend beschriebenen Beispiel, bei dem der Maximaldurchmesser ϕD der Mittelelektrode geändert wurde, wobei die Bedingungen und der Beurteilungsstandard für die Zeitstandversuche ebenfalls im Wesentlichen denen des vorstehend genannten Beispiels entsprachen.

Fig. 8 zeigt die grafische Darstellung der Zeitstand versuchsergebnisse für die Zündkerzen mit dem oben genannten Aufbau, in der der Zusammenhang zwischen der Durchmesserquerschnittsfläche der Spitze 60 und dem Ablösegrad nach dem Zeitstandversuch aufgetragen ist. Wie sich aus Fig. 8 ergibt, beträgt der Ablösegrad ungeachtet des "Querschnittsflächenverhältnisses des größten Abschnitts des aufgeschmolzenen Abschnitts zur Spitze" etwa 0%, wenn die Fläche im Durchmesserquerschnitt der Spitze 60 weniger als 2 mm² beträgt, wohingegen der Ablösegrad selbst bei einem "Querschnittsflächen verhältnis des größten Abschnitts des aufgeschmolzenen Abschnitts zur Spitze" von 1,0 (eins) 25% überschreitet, wenn die Fläche im Durchmesserquerschnitt der Spitze 60 mehr als 7 mm² beträgt. Es lässt sich daher sagen, dass sich deutliche Vorteile ergeben, wenn die Durchmesser querschnittsfläche der Spitze 60 mehr als 2 mm² und weniger als 7 mm² beträgt und das "Querschnittsflächen verhältnis des größten Abschnitts des aufgeschmolzenen Abschnitts zur Spitze" weniger als 1,5 beträgt.

Als Nächstes wurde eine wie in Fig. 9 gezeigte Zündkerze angefertigt, bei der der aufgeschmolzene Abschnitt 70 eine säulenförmige Form mit gleichem Durchmesser entlang der Axialrichtung der Spitze aufwies und einen kleineren Durchmesser ϕDmin als der Durchmesser ϕd der Spitze hatte. Unter Änderung des Querschnittsflächen verhältnisses der Minimalquerschnittsfläche des aufgeschmolzenen Abschnitts 70 (Abschnitt kleinsten Durchmessers des aufgeschmolzenen Abschnitts 70) zur Durchmesserquerschnittsfläche der Spitze 60 (nachstehend als "Querschnittsflächenverhältnis des kleinsten Abschnitts des aufgeschmolzenen Abschnitts zur Spitze" bezeichnet) wurden dann Zeitstandversuche durchgeführt.

In diesem Zusammenhang wird auf die Tabelle in Fig. 10 hingewiesen, die für jede Zündkerze, die bei diesen Zeitstandversuchen verwendet wurde, das "Querschnitts flächenverhältnis des kleinsten Abschnitts des aufgeschmolzenen Abschnitts zur Spitze" mit dem jeweiligen Minimaldurchmesser ϕDmin angibt. Bei diesen Versuchen waren das Material, der Aufbau und das Herstellungsverfahren für die Zündkerzen das gleiche wie bei dem vorstehend erwähnten Beispiel, bei dem der Maximaldurchmesser ϕD der Mittelelektrode 30 geändert wurde. Die Zeitstandversuche wurden durchgeführt, indem der Kogenerationsmotor kontinuierlich 1000 Stunden lang bei einer Motorgeschwindigkeit von 1600 U/min und vollständig geöffneter Drossel betrieben wurde, wobei das Zeitstandverhalten bezogen auf das in Fig. 11 angegebene verbrauchbare Volumenverhältnis beurteilt wurde. Das verbrauchbare Volumenverhältnis ist das Verhältnis, dass durch Dividieren des verbrauchbaren Volumens der Spitze 60 einer für den Zeitstandversuch verwendeten Versuchs zündkerze durch das verbrauchbare Volumen der Spitze 60 einer für den Zeitstandversuch verwendeten herkömmlichen Zündkerze mit einer wie in Fig. 3B gezeigten Form erhalten wird.

Wie sich aus Fig. 11 ergibt, ist ein "Querschnitts flächenverhältnis des kleinsten Abschnitts des aufgeschmolzenen Abschnitts zur Spitze" von mehr (nicht weniger) als 0,6 vorzuziehen, da sich die Wärmeleitung der Spitze 60 zum Grundmaterial bei einem Wert von weniger als 0,6 verschlechtert und sich die Spitzen temperatur erhöht, wodurch der Verbrauch der Spitze 60 zunimmt. Angesichts dessen lässt sich sagen, dass die Verbrauchsbeständigkeit in der Praxis gewährleistet ist, wenn das "Querschnittsflächenverhältnis des kleinsten Abschnitts zur Spitze" mehr als 0,6 beträgt.

Bei den in den Fig. 12 und 13 gezeigten Zündkerzen, bei denen der Mittelabschnitt des aufgeschmolzenen Abschnitts 70 in Axialrichtung der Spitze dem Minimal durchmesser ϕDmin entspricht, oder bei der in Fig. 14 gezeigten Zündkerze, bei der der Abschnitt des aufgeschmolzenen Abschnitts 70 auf der Seite der Mittel elektrode dem Minimaldurchmesser ϕDmin entspricht, ist der praktische Einsatz bei ausreichenden Antiabrasions eigenschaften dann möglich, wenn das "Querschnitts flächenverhältnis des kleinsten Abschnitts zur Spitze" mehr als 0,6 beträgt.

Ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 15 gezeigt, bei dem die Mittel elektrode 30 mit einem Abschnitt kleiner Querschnitts fläche 33 ausgebildet ist, der ausgehend von dem Grenz abschnitt zwischen der Mittelelektrode 30 und dem aufgeschmolzenen Abschnitt 70 in Normalenrichtung zur vorderen Endfläche 31 eine Länge L hat. Diese Länge kann als "Gestaltungslänge" bezeichnet werden. Der Abschnitt kleiner Querschnittsfläche 33 weist entlang der vorderen Endfläche 31 eine Querschnittsfläche auf, die bezogen auf die Durchmesserquerschnittsfläche der Spitze 60 weniger als 1,5-mal so groß ist, wobei die Querschnittsfläche bei diesem Ausführungsbeispiel entlang der vorderen Endfläche 31 im Wesentlichen die gleiche Form und Abmessung wie die Abschnitte maximaler Querschnittsfläche des aufgeschmol zenen Abschnitts 70 hat.

Der Abschnitt kleiner Querschnittsfläche 33 wird durch auf den Laserschweißvorgang folgendes Zurechtschneiden des aufgeschmolzenen Abschnitts 70 und eines an den aufgeschmolzenen Abschnitt 70 angrenzenden Abschnitts der Mittelelektrode 30 (des in Fig. 15 mit der gestrichelten Linie gekennzeichneten Abschnitts) ausgebildet, um dadurch die Form der Mittelelektrode 30 einzustellen. Das Ausbilden des Abschnitts kleiner Querschnittsfläche 33 an der Mittelelektrode 30 macht es möglich, dass die den aufgeschmolzenen Bereich 70 berührende Mittelelektrode 30 eine kleine Größe hat und die darauf aufgebrachten Wärme spannungen verringert werden. Abgesehen davon muss die Gestaltungslänge L des Abschnitts kleiner Querschnitts fläche 33 aus den folgenden Gründen innerhalb von 2,0 mm liegen.

Der Abschnitt kleiner Querschnittsfläche 33 hat verglichen mit anderen Abschnitten der Mittelelektrode 30 eine feine Form, wobei die Mittelelektrode 30 bei einer zu großen Gestaltungslänge L zu fein wird, sodass sich die Wärmeleitfähigkeit verschlechtert und die Mittel elektrode 30 durch den Temperaturanstieg stark beeinträchtigt wird, anstatt dass sich der die Wärme spannungen senkende Effekt einstellt. Die Wärmespannungen auf den aufgeschmolzenen Abschnitt 70 nehmen daher zu, wodurch sich die Zuverlässigkeit für den Verbindungs abschnitt nur schwer gewährleisten lässt.

Der geeignete Bereich für die Gestaltungslänge L wurde auf der Grundlage dieser Überlegungen anhand der oben angesprochenen Untersuchungsergebnisse ermittelt, wovon Fig. 16 ein Beispiel zeigt, ist aber nicht auf das beschriebene Untersuchungsergebnis beschränkt. Bei dem zugrunde liegende Versuch kamen bei der Spitze 60 und der Mittelelektrode 30, die denen in Fig. 4 ähnelten, ein "Querschnittsflächenverhältnis des größten Abschnitts des aufgeschmolzenen Abschnitts zur Spitze" von 1,5 (bei einem Maximaldurchmesser ϕD von 2,94 mm) und unterschied liche Gestaltungslängen L zum Einsatz. Der Ablösegrad wurde bei diesem Versuch wie bei dem Zeitstandversuch des in Fig. 4 dargestellten Beispiels ermittelt.

Aus Fig. 16, die den Zusammenhang zwischen der Gestaltungslänge L (mm) und dem Ablösegrad (%) angibt, ergibt sich, dass sich bei diesem Ausführungsbeispiel die beste Funktionsweise für eine Länge (Abmessung) L von 0,1 mm erzielt werden kann, wobei die Mittelelektrode 30 bei einem größeren Wert eher durch den Temperaturanstieg beeinträchtigt wird, als dass sich eine Verringerung der Wärmespannungen ergibt. Dadurch erhöhen sich die Wärme spannungen auf den aufgeschmolzenen Abschnitt 70, wodurch sich auch der Ablösegrad erhöht. Für die Länge L sind weniger als 2 mm zu bevorzugen, um den Ablösegrad unter 25% zu drücken.

Wenn der vorstehend genannte "Aufbau gleicher Form von aufgeschmolzenem Abschnitt und Spitze" Anwendung findet, werden durch die Ausbildung des angesprochenen Abschnitts kleiner Querschnittsfläche 33 im Wesentlichen die gleichen Wirkungen wie bei dem vorstehend genannten Fall erzielt. Ein Beispiel für diesen Fall ist der in Fig. 17 gezeigte Aufbau, bei dem die als Abschnitt kleiner Quer schnittsfläche ausgeführte Querschnittsfläche entlang der vorderen Endfläche 31 als Abschnitt gleicher Form 33a ausgebildet ist, der die gleiche Form und Abmessung wie die Querschnittsfläche des aufgeschmolzenen Abschnitts 70 hat, wobei die Gestaltungslänge L weniger als 2,0 mm beträgt.

Wie in Fig. 17 gezeigt ist, bilden die Spitze 60, der aufgeschmolzene Abschnitt 70 und der Abschnitt gleicher Form (d. h. der Abschnitt kleiner Querschnittsfläche) 33a einen zylinderförmigen Stababschnitt, der über die gesamte Axialrichtung einen gleichmäßigem Durchmesser ϕd hat. Daher liegt an dem Grenzabschnitt zwischen der Mittelelektrode 30 und dem aufgeschmolzenen Abschnitt 70 kein Kantenabschnitt vor, wodurch aufgrund des "Aufbaus gleicher Form von aufgeschmolzenem Abschnitt und Spitze" eine noch bessere Funktion der Zündkerze erzielt wird.

Bei dem in Fig. 15 gezeigten Beispiel ist zwar an dem Abschnitt kleiner Querschnittsfläche 33 auf der von der Spitze 60 entgegengesetzten Seite ein gestufter Abschnitt 33b ausgebildet, der eine zu der vorderen Endfläche 31 der Mittelelektrode 30 parallele flache Form aufweist, doch kann dieser gestufte Abschnitt 33b beispielsweise auch, wie in Fig. 18 gezeigt ist, als konusförmiger Flächenabschnitt 34 oder, wie in Fig. 19 gezeigt ist, als ein für einen R-Abschnitt sorgender, runder Flächen abschnitt 35 ausgebildet sein. Bei den in den Fig. 18 und 19 gezeigten Beispielen ist die Querschnittsfläche des Abschnitts kleiner Querschnittsfläche 33 entlang der vorderen Endfläche 31 weniger als 1,5-mal so groß wie die Querschnittsfläche der Spitze 60 des Schnitts in Durch messerrichtung, sodass sich die Gestaltungslänge L vom Mittelabschnitt des konusförmigen Flächenabschnitts 34 oder des runden Flächenabschnitts 35 aus erstreckt.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die Spitze 60 mittels Laserschweißen fest auf der vorderen Endfläche 31 der Mittelelektrode 30 ausgebildet. Der durch das Laserschweißen gebildete, aufgeschmolzene Abschnitt hat im Allgemeinen eine Dicke von mehreren µm bis 1 mm, was mehr als die Dicke (von im Allgemeinen 10 bis mehreren zehn µm) eines durch gewöhnliches Widerstandsschweißen gebildeten aufgeschmolzenen Abschnitts ist. Die Wärme spannungen verringern sich mit zunehmender Dicke des aufgeschmolzenen Abschnitts, wobei sich die Verbindungs zuverlässigkeit durch die Erfindung dennoch weiter verbessern lässt.

Bei einem Kogenerationsmotor mit hoher thermischer Belastung wird im Allgemeinen eine scheibenförmige Spitze mit einem Maximaldurchmesser von 2,4 mm verwendet, wobei sich die Wärmespannungen bei zunehmendem Spitzen durchmesser erhöhen. Bei der Erfindung wird jedoch selbst bei Verwendung einer Spitze mit einem Durchmesser von 2,4 mm eine wirksame Verbindungsfunktion erzielt, weshalb die Zündkerze mit der durch die Erfindung gewähr leisteten, in der Praxis einsetzbaren Größe trotzdem eine vorteilhafte Funktion und insbesondere eine hohe Verbindungszuverlässigkeit zeigt.

Zweites Ausführungsbeispiel

Bei dem vorstehend beschriebenen ersten Ausführungs beispiel ist die der Masseelektrode 40 gegenüber angeordnete Mittelelektrode 30 als Grundmaterial ausgebildet und ist die Spitze 60 als Entladungselement fest mit der vorderen Deck- bzw. Endfläche 31 der Mittel elektrode 30 verschweißt. Bei dem zweiten Ausführungs beispiel ist die Spitze 60 jedoch fest mit der Masse elektrode 40 verschweißt, wodurch sich im Wesentlichen die gleichen Funktionen und Wirkungen wie beim ersten Ausführungsbeispiel ergeben.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 20 bis 22 wird das zweite Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Zünd kerze daher im Folgenden nur bezogen auf den Aufbau und die Funktionen beschrieben, die sich von denen des ersten Ausführungsbeispiels unterscheiden.

Fig. 20 zeigt in Vergrößerung eine Schnittansicht eines wesentlichen Abschnitts der Zündkerze gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel, in dem die Masseelektrode 40 mit einem ersten Ende an einem Befestigungssitz bzw. einem Anschlussstück 10 befestigt ist. Bei diesem Ausführungs beispiel ist die als Grundmaterial dienende Masse elektrode 40 in rechteckiger Stabform ausgebildet und besteht aus einer Legierung auf Ni-Basis. An einer vorderen Endfläche 42 (dem zweiten Endabschnitt des Grundmaterials) der Masseelektrode 40 ist durch ein Laserschweißverfahren eine Spitze 60 befestigt. Die Spitze 60 setzt sich aus einer Ir-Legierung zusammen, die die Form einer rechteckigen Platte hat, deren eine End fläche mit der vorderen Endfläche 42 der Masseelektrode 40 verbunden ist. Zwischen dem vorderen Flächenabschnitt 31 der Mittelelektrode 30 und einer Fläche 61 der Spitze 60 ist ein Funkenspalt 50 ausgebildet.

Fig. 21 (21A bis 21D) und Fig. 22 (22A bis 22D) zeigen im vergrößertem Maßstab Beispiele für den Aufbau oder die Form des zweiten Endabschnitts der Masseelektrode 40 in Fig. 20, wobei Fig. 21A das äußere Erscheinungsbild eines ersten Beispiels, Fig. 21B eine Schnittansicht entlang der Linie XXIB-XXIB in Fig. 21A, Fig. 21C das äußere Erscheinungsbild eines zweiten Beispiels, Fig. 21D eine Schnittansicht entlang der Linie XXID-XXID in Fig. 21C, Fig. 22A das äußere Erscheinungsbild eines dritten Beispiels, Fig. 22B eine Schnittansicht entlang der Linie XXIIB-XXIIB in Fig. 22A, Fig. 22C das äußere Erscheinungsbild eines vierten Beispiels und Fig. 22D eine Schnittansicht entlang der Linie XXIID-XXIID in Fig. 22C zeigen. In diesen Figuren sind die geschweißten Abschnitte 70 mit Schraffurlinien geringer Weite und die Querschnittsflächen mit Schraffurlinien großer Weite gekennzeichnet.

Bei den in den Fig. 21 und 22 gezeigten Beispielen ist der aus der aufgeschmolzenen Mischung der Spitze 60 und der Masseelektrode 40 gebildete aufgeschmolzene Abschnitt 70 derart ausgebildet, dass die Fläche des Abschnitts maximaler Querschnittsfläche bei Betrachtung des Quer schnitts entlang der vorderen Endfläche 42 der Masse elektrode 40 (Normalenfläche zur Längsrichtung des Grund materials) weniger (nicht mehr) als 1,5-mal so groß wie die Fläche des an der Grenze der Spitze 60 zum aufgeschmolzenen Abschnitt 70 gelegenen Abschnitts ist. In diesen Beispielen sind die an der Grenze der Spitze 60 zum aufgeschmolzenen Abschnitt 70 gelegene Querschnitts fläche und die Querschnittsfläche des aufgeschmolzenen Abschnitts 70 entlang der vorderen Endfläche 42 der Masseelektrode 40 jeweils als rechteckige Querschnitte dargestellt.

Die obigen Beispiele ergeben sich durch Laserverschweißen der Spitze 60 mit den vorderen Endflächen 42 der Masse elektroden 40 und anschließendes Durchführen einer Schneidbearbeitung an den aufgeschweißten Abschnitten 70 und den Masseelektroden 40 (die abgeschnittenen Abschnitte sind in den Fig. 21 und 22 durch gestrichelte Linien gekennzeichnet). Dadurch werden an den Schneidabschnitten der Masseelektroden 40 Abschnitte kleiner Querschnittsfläche 43 ausgebildet, die im Wesentlichen die gleichen Funktion wie die Abschnitte kleiner Querschnittsfläche 33 bei dem vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel ergeben.

Die Schneidabschnitte der Masseelektroden 40 haben bei den in den Fig. 21 bis 22 gezeigten ersten bis vierten Beispielen eine unterschiedliche Form, sodass sich die Form der Abschnitte kleiner Querschnittsfläche 43 ändert.

So sind bei dem ersten Beispiel beide Seitenabschnitte mit gleicher Abmessung in Breitenrichtung der Masse elektrode 40 herausgeschnitten, während bei dem vierten Beispiel beide Seitenabschnitte mit gleicher Abmessung in Dickenrichtung der Masseelektrode 40 herausgeschnitten sind.

Die Abschnitte kleiner Querschnittsfläche 43 sind bei den jeweiligen Beispielen so ausgebildet, dass sie sich von der Grenze jedes aufgeschmolzenen Abschnitts 70 zur Masseelektrode 40 in Normalenrichtung zur vorderen End fläche 42 um eine innerhalb von 0,2 mm liegende Länge erstrecken. Wie insbesondere bei dem zweiten und dritten Beispiel zu erkennen ist, bei denen die Abschnitte kleiner Querschnittsfläche konusförmig ausgebildet sind, weist der dem Abschnitt kleiner Querschnittsfläche entsprechende Abschnitt eine Fläche auf, die bei Betrachtung des Abschnitts entlang der vorderen Endfläche 42 der Masseelektrode 1,5-mal so groß wie die Quer schnittsfläche der Spitze 60 ist.

Die Zündkerze gemäß diesem zweiten Ausführungsbeispiel ergibt daher im Wesentlichen die gleichen Wirkungen und Funktionsweisen, wie sie bei dem vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel erzielt werden, wobei auch die weitere Funktionsweise und der Aufbau des zweiten Ausführungsbeispiels, was beispielsweise den "Aufbau gleicher Form von aufgeschmolzenen Abschnitt und Spitze" angeht, im Wesentlichen dem des ersten Ausführungs beispiels entspricht.

Weitere Ausführungsbeispiele

Bei dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel werden die Spitze und das Grundmaterial zwar durch Laserschweißen verbunden, was insbesondere bei einem Aufbau mit einem großen aufgeschmolzenen Abschnitt oder aufzuschmelzenden Abschnitt zweckmäßig ist, doch kann der Verbindungs vorgang auch durch Widerstandsschweißen erfolgen. Indem beim Widerstandsschweißen die Formen und Abmessungen des aufgeschmolzenen Abschnitts und des an den aufgeschmolze nen Abschnitt angrenzenden Grundmaterials in Über einstimmung mit denen vorstehend beschriebener Ausführungsbeispiele gebracht werden, kann eine Zündkerze zur Verfügung gestellt werden, die selbst unter harten Bedingungen wie einer hohen thermischen Belastung zwischen der Spitze und dem Grundmaterial eine hervorragende Verbindungszuverlässigkeit zeigt.

Darüber hinaus kann sowohl an die Mittelelektrode 30 als auch an die Masseelektrode 40 eine Spitze 60 geschweißt werden und sind die Form und die Substanz oder das Material der Spitze 60 nicht auf die der obigen Ausführungsbeispiele beschränkt. So wird bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen die Substanz der Spitze 60 durch eine mehr als 50 Gew.-% Ir enthaltende Legierung gebildet, die gegenüber dem Grundmaterial 30 bzw. 40 einen stark unterschiedlichen linearen Ausdehnungskoeffizienten hat, doch kann auch Pt oder eine Pt-Legierung und für die Masseelektrode 40 anstelle der Ni-Legierung eine Fe-Legierung verwendet werden.

Auch wenn bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen die Abschnitte kleiner Querschnittsfläche 33, 43 und der Abschnitt gleicher Form 33a nach dem Schweißvorgang durch Schneidbearbeitung ausgebildet wurden, kann diese Schneidbearbeitung auch vor dem Schweißvorgang durchgeführt werden oder kann diese Schneidebearbeitung durch eine Stanzbearbeitung oder dergleichen ersetzt werden.

Bei der erfindungsgemäßen Zündkerze und ihrem Herstellungsverfahren wird also die Mittelelektrode und/oder Masseelektrode als Grundmaterial ausgebildet und auf eine Oberfläche des Grundmaterials eine Spitze geschweißt.

In Bezug auf den aufgeschmolzenen Abschnitt zwischen der Spitze und dem Grundmaterial und in Bezug auf die Quer schnittsfläche der Spitze entlang der einen Fläche der Spitze ist es wesentlich, dass die Querschnittsfläche des Abschnitts maximaler Querschnittsfläche des aufgeschmol zenen Abschnitts nicht weniger (nicht mehr) als 1,5-mal so groß wie die Fläche des zwischen der Spitze und dem aufgeschmolzenen Abschnitt gelegenen Querschnitts ist und dass bei Bedarf der Aufbau gleicher Form von aufgeschmol zenem Abschnitt und Spitze Anwendung findet sowie optional die anderen Details geeignet geändert werden.

Claims

1. Zündkerze (100) für einen Motor, mit:
einem an dem Motor befestigbaren Befestigungselement (10) aus leitendem Material;
einem Isolator (20), der innerhalb des Befestigungs elements angeordnet und mit einem Axialloch ausgebildet ist;
einer Mittelelektrode (30) aus Metallmaterial, die isoliert von dem Befestigungselement in dem Axialloch des Isolators angeordnet ist; und
einer zur Mittelelektrode gegenüberliegend angeordneten Masseelektrode (40), wobei
die Mittelelektrode (30) und/oder die Masseelektrode (40) als Grundmaterial ausgebildet ist/sind, das eine Fläche (31; 42) aufweist, mit der eine als Entladungs material dienende Spitze (60) aus Edelmetall oder aus einer Legierung dessen verschweißt und daran mittels eines aufgeschmolzenen Abschnitts (70) befestigt ist; und
der aufgeschmolzene Abschnitt (70) zwischen der Spitze und dem Grundmaterial einen Abschnitt maximaler Querschnittsfläche (ϕD) aufweist, der nicht mehr als 1,5-mal so groß wie die Querschnittsfläche (ϕd) eines an einem Grenzabschnitt des aufgeschmolzenen Abschnitts gelegenen Abschnitts der Spitze (60) ist, und die an dem Grenzabschnitt gelegene Querschnittsfläche der Spitze nicht weniger als 2 mm² und nicht mehr als 7 mm² beträgt.

2. Zündkerze nach Anspruch 1, bei der der aufgeschmolzene Abschnitt (70) zwischen der Spitze und dem Grundmaterial einen Abschnitt minimaler Querschnitts fläche (ϕDmin) aufweist, der nicht weniger als 0,6-mal so groß wie die an dem Grenzabschnitt zu dem aufgeschmolzenen Abschnitt gelegene Querschnittsfläche (ϕd) der Spitze (60) ist.

3. Zündkerze nach Anspruch 1, bei der das Grundmaterial entlang seiner einen Fläche als Abschnitt (33; 43) kleiner Querschnittsfläche eine Querschnittsfläche aufweist, die nicht mehr als 1,5-mal so groß wie die Querschnittsfläche (ϕd) des an dem Grenzabschnitt zu dem aufgeschmolzenen Abschnitt (70) gelegenen Abschnitts der Spitze (60) ist, wobei der Abschnitt (33; 43) kleiner Querschnittsfläche so ausgebildet ist, dass seine Gestaltungslänge (L) in Normalenrichtung vom Grenzabschnitt zwischen dem Grundmaterial und dem aufgeschmolzenen Abschnitt zur Grundmaterialfläche nicht mehr als 2,0 mm beträgt.

4. Zündkerze nach Anspruch 1, bei der die Spitze (60) an der Grundmaterialfläche durch Laserschweißen befestigt ist.

5. Zündkerze nach Anspruch 1, bei der die Spitze (60) aus einer Legierung gebildet ist, die nicht weniger als 50 Gew.-% Ir enthält.

6. Zündkerze (100) für einen Motor, mit:
einem an dem Motor befestigbaren Befestigungselement (10) aus leitendem Material;
einem Isolator (20), der innerhalb des Befestigungs elements angeordnet und mit einem Axialloch ausgebildet ist;
einer Mittelelektrode (30) aus Metallmaterial, die isoliert von dem Befestigungselement in dem Axialloch des Isolators angeordnet ist; und
einer zur Mittelelektrode gegenüberliegend angeordneten Masseelektrode (40), wobei
die Mittelelektrode (30) und/oder die Masseelektrode (40) als Grundmaterial ausgebildet ist/sind, das eine Fläche (31; 42) aufweist, mit der eine als Entladungs material dienende Spitze (60) aus Edelmetall oder aus einer Legierung dessen verschweißt und daran mittels eines aufgeschmolzenen Abschnitts (70) befestigt ist; und
der aufgeschmolzene Abschnitt (70) zwischen der Spitze und dem Grundmaterial eine Querschnittsfläche aufweist, deren Form und Größe im Wesentlichen gleich der einer Querschnittsfläche (ϕd) eines an einem Grenzabschnitt zu dem aufgeschmolzenen Abschnitt gelegenen Abschnitts der Spitze (60) ist.

7. Zündkerze nach Anspruch 6, bei der das Grundmaterial entlang seiner einen Fläche als Abschnitt gleicher Form (33a) eine Querschnittsfläche aufweist, deren Form und Größe im Wesentlichen gleich der Querschnittsfläche des aufgeschmolzenen Abschnitts (70) ist, wobei der Abschnitt gleicher Form so ausgebildet ist, dass seine Gestaltungs länge (L) in Normalenrichtung vom Grenzabschnitt zwischen dem Grundmaterial und dem aufgeschmolzenen Abschnitt zur Grundmaterialfläche nicht mehr als 2,0 mm beträgt.

8. Zündkerze nach Anspruch 6, bei der die Spitze (60) an der Grundmaterialfläche durch Laserschweißen befestigt ist.

9. Zündkerze nach Anspruch 6, bei der die Spitze (60) aus einer Legierung gebildet ist, die nicht weniger als 50 Gew.-% Ir enthält.

10. Verfahren zur Herstellung einer Zündkerze für einen Motor, die einen Isolator (20), der innerhalb eines Befestigungselements (10) angeordnet ist, durch den die Zündkerze an dem Motor befestigbar ist, eine in dem Isolator angeordnete Mittelelektrode (30) und eine zur Mittelelektrode gegenüberliegend angeordnete Masse elektrode (40) umfasst, wobei die Mittelelektrode (30) und/oder die Masseelektrode (40) als Grundmaterial ausgebildet ist/sind, das eine Fläche (31; 42) aufweist, mit der eine als Entladungsmaterial dienende Spitze (60) aus Edelmetall oder aus einer Legierung dessen verschweißt and daran mittels eines aufgeschmolzenen Abschnitts (70) befestigt ist, und wobei das Verfahren die Schritte umfasst:
Verschweißen der Spitze (60) mit der Grundmaterial fläche (31; 42); und
Bearbeiten des aufgeschmolzenen Abschnitts (70) zwischen der Spitze und dem Grundmaterial, um für eine vorbestimmte Form zu sorgen.

11. Verfahren zur Herstellung einer Zündkerze nach Anspruch 10, bei dem der aufgeschmolzene Abschnitt (70) zwischen der Spitze und dem Grundmaterial einen Abschnitt maximaler Querschnittsfläche (ϕD) aufweist, dessen Fläche nicht mehr als 1,5-mal so groß wie die Querschnittsfläche (ϕd) eines an einem Grenzabschnitt zum aufgeschmolzenen Abschnitt gelegenen Abschnitts der Spitze (60) ist.

12. Verfahren zur Herstellung einer Zündkerze nach Anspruch 11, bei dem die an dem Grenzabschnitt gelegene Querschnittsfläche der Spitze (60) nicht weniger als 2 mm² und nicht mehr als 7 mm² beträgt.

13. Verfahren zur Herstellung einer Zündkerze nach Anspruch 10, bei dem der aufgeschmolzene Abschnitt (70) zwischen der Spitze und dem Grundmaterial eine Querschnittsfläche aufweist, deren Form und Größe im Wesentlichen gleich der der Querschnittsfläche (ϕd) eines an der Grenzfläche zum aufgeschmolzenen Abschnitt gelegenen Abschnitts der Spitze (60) ist.

14. Verfahren zur Herstellung einer Zündkerze nach Anspruch 10, bei dem der aufgeschmolzene Abschnitt (70) und das an dem aufgeschmolzenen Abschnitt angrenzende Grundmaterial einer formenden Bearbeitung unterzogen werden, um für eine vorbestimmte Form des Grundmaterials zu sorgen.

15. Verfahren zur Herstellung einer Zündkerze nach Anspruch 10, bei dem die Spitze (60) an der Grund materialfläche durch Laserschweißen befestigt wird.