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Die Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Zündkerze, die eine Reihe von Funken erzeugt, um ein Luft-Kraftstoff-Gemisch zu entzünden, und zwar insbesondere auf eine Zündkerze mit einer hochfesten Verbindungsstelle zwischen einer Masseelektrode und einer Metallhülle, und auf ein Herstellungsverfahren dafür.
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Die
US 2002 / 0 063 504 A1 (entspricht der
JP 2002 -
222 686 A ) offenbart eine Zündkerze, die eine Masseelektrode aus einer Ir-Legierung (Ir: Iridium) hat, die direkt durch Laserschweißen mit einer Endfläche einer Metallhülle verbunden ist. Die
US 6 307 307 B1 und die
US 6 373 172 B1 (entsprechen der
JP 2001 -
210 447 A ) schlagen Zündkerzen vor, die einen mit einer Metallhülle verbundenen Träger aus einer Legierung aus Ni-Basis und eine durch Laserschweißen mit dem Träger verbundene Masseelektrode aus einer Ir-Legierung enthalten. Die Masseelektrode enthält 50 Gew.-% oder mehr Ir und ist in dem Träger eingebettet.
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Wenn die Masseelektrode mittels typischer Laserschweißtechniken mit der Metallhülle verbunden wird, ist der Schweißstellenbereich zwischen ihnen gewöhnlich klein, was zu einer mangelnden Festigkeit der Verbindung zwischen der Masseelektrode und der Metallhülle führt. Aufgrund der Beschränkungen des Schweißstellenbereichs kann es daher auch der Schweißstelle zwischen der Metallhülle und dem Träger aus der Legierung auf Ni-Basis an mechanischer Festigkeit mangeln. Gewöhnlich führt das Laserschweißen während der Beaufschlagung mit den Laserstrahlen zu einem deutlichen Anstieg der Schweißstellentemperatur. Nach der Laserbeaufschlagung kühlt die Schweißstelle rasch ab, was die Möglichkeit von Erstarrungsrissen erhöht und zu einer mangelnden Festigkeit der Verbindungsstelle zwischen der Masseelektrode und der Metallhülle führt.
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In den letzten Jahren wird von modernen Kraftfahrzeugen verlangt, dass sie den Erfordernissen nach hoher Leistung, geringem Kraftstoffverbrauch und niedrigen Abgasemissionen nachkommen, was zu einer Erhöhung der Temperatur der Verbrennungsatmosphäre im Motor führt. Wenn daher die Schweißstelle zwischen der Metallhülle und der Masseelektrode bereits Erstarrungsrisse erfahren hat und die Temperatur der Masseelektrode, die gewöhnlich der intensivsten Hitze in der Brennkammer des Motors ausgesetzt ist, stark steigt, kann es in der Schweißstelle zu einem vollständigen Riss kommen, was zu einem Ablösen der Masseelektrode von der Metallhülle führt.
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Die
DE 199 61 769 A1 offenbart eine Zündkerze, bei der an dem Ende einer Metallhülle, an der eine Masseelektrode angebracht ist, eine Fase oder Aussparung ausgebildet ist, um die Masseelektrode leichter biegen zu können, sodass der Funkenabgabespalt mit weniger Kraftaufwand eingestellt werden kann.
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Die JP H04- 104 491 A offenbart ein Herstellungsverfahren für eine Zündkerze, bei der eine Masseelektrode in eine Vertiefung eines Vorsprungs eingesetzt wird, der mit einer Metallhülle verbunden ist, und in diesem Zustand durch Widerstandsschweißen mit dem Vorsprung verbunden wird.
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Die
JP H10- 55 874 A , die
US 2003 / 0 181 121 A1 und die
DE 100 53 173 A1 offenbaren weitere Herstellungsverfahren für eine Zündkerze, bei denen Widerstandsschweißen eingesetzt wird.
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Darüber hinaus ist aus der
US 2001/ 0 030 494 A1 eine Zündkerze mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 bekannt. Bei dieser Zündkerze wird ein spitz zulaufendes Endes einer Masseelektrode, die aus einem Kern hoher Wärmeleitfähigkeit und einem Mantel hoher Erosions- und Oxidationsbeständigkeit besteht, durch Schweißen mit einem Teil der Endfläche einer Metallhülle in Verbindung gebracht, die die Mittelelektrode hält, wobei der Umfang dieses Endes vollständig verschweißt wird und an einer Innenumfangsfläche der Metallhülle ein Schweißgrat entsteht.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Zündkerze, die so ausgelegt ist, dass sie eine festere Verbindungsstelle zwischen einer Masseelektrode und einer Metallhülle gewährleistet, sowie ein Herstellungsverfahren für eine solche Zündkerze zur Verfügung zu stellen.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist eine Zündkerze vorgesehen, die die Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweist. Die Masseelektrode hat einen Abschnitt, der über einen Funkenspalt einer Spitze der Mittelelektrode zugewandt ist, und die mit der Metallhülle über eine Schweißstelle verbunden ist, welche von einer Endfläche zu einer Innenumfangsfläche der Metallhülle reicht. Dies führt zu einer größeren Schweißstellenverbindungsfläche zwischen der Masseelektrode und der Metallhülle, wodurch die Festigkeit der Verbindungsstelle zwischen der Masseelektrode und der Metallhülle gesteigert wird. Das Verhältnis der Absenktiefe der Metallhülle zur Dicke eines Hauptkörpers der Masseelektrode liegt innerhalb eines Bereichs von 0,2 bis 0,7, wodurch eine gewünschte mechanische Festigkeit der Masseelektrode gewährleistet wird, ohne dass die Festigkeit der Verbindungsstelle zwischen der Masseelektrode und der Metallhülle verloren ginge.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Masseelektrode mit der Metallhülle durch Widerstandsschweißen verbunden. Das Widerstandsschweißen erleichtert die Verschweißung der Masseelektrode mit der Metallhülle. Außerdem hält das Widerstandsschweißen im Vergleich zum Laserschweißen die Temperatur der Schweißstelle zwischen der Masseelektrode und der Metallhülle während des Schweißens auf einem niedrigeren Niveau, was Erstarrungsrisse in der Schweißstelle minimiert.
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Die Hülle kann eine Verlängerung haben, die von der Endfläche der Metallhülle aus in Längsrichtung der Metallhülle verläuft, wobei die Masseelektrode mit der Verlängerung verschweißt ist. Dieser Aufbau erlaubt es, die Länge der Masseelektrode um einen der Höhe der Verlängerung entsprechenden Betrag zu verringern, wodurch der Hitzeabbau von der Masseelektrode gesteigert wird. Außerdem erlaubt die Verlängerung es, dass die Masseelektrode innen von der Metallhülle und senkrecht zu der Längsachse der Metallhülle verläuft. Dies erlaubt es, die Länge der Masseelektrode zu minimieren, wodurch der Hitzeabbau von der Masseelektrode weiter gesteigert wird.
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Die Masseelektrode kann aus einem Plattenelement bestehen, das von der Schweißstelle der Metallhülle aus geradlinig zu einer Längsachse der Metallhülle hin verläuft. Die Verwendung eines solchen Plattenelements führt verglichen mit einer herkömmlichen L-förmigen Masseelektrode zu einer geringeren Länge der Masseelektrode, die der Brennkammer des Motors ausgesetzt ist, was bei laufendem Motor zu einer geringeren Temperatur der Masseelektrode führt.
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Die Spitze der Mittelelektrode kann in Längsrichtung der Metallhülle außerhalb der Endfläche der Metallhülle vorsteht, wodurch das Ausbreiten des Flammenkerns in der Brennkammer des Motors verbessert wird, um dadurch die Zündfähigkeit des Luft-Kraftstoff-Gemisches zu verbessern. Die Verlängerung kann in Längsrichtung der Metallhülle außen von der Spitze der Mittelelektrode verlaufen, wodurch die Länge der Masseelektrode verringert werden kann, um den Hitzeabbau von der Masseelektrode zu steigern.
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Die Schweißstelle wird gebildet, indem die Masseelektrode und die Endfläche der Metallhülle aufgeschmolzen werden und ein Abschnitt der Endfläche der Metallhülle in Längsrichtung der Metallhülle in die Masseelektrode abgesenkt wird. Die Absenktiefe der Metallhülle beträgt vorzugsweise 0,4 mm oder mehr, wodurch in der Praxis eine ausreichende Festigkeit der Verbindungsstelle zwischen der Masseelektrode und der Metallhülle gewährleistet wird. Die Absenktiefe beträgt vorzugsweise 1,0 mm oder weniger, wodurch Schweißgrate auf eine für die Praxis zulässige Größe vermindert werden.
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Die Verlängerung kann eine in Umfangsrichtung der Endfläche der Metallhülle verlaufende Länge haben, die größer als eine Breite der Masseelektrode ist, wodurch zwischen der Masseelektrode und der Metallhülle eine Schweißstellenverbindungsfläche gewährleistet wird, die ausreicht, den Hitzeabbau von der Masseelektrode zuwege zu bringen, ohne dass die Hitzebeständigkeit der Masseelektrode verloren ginge.
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Die Länge der Verlängerung reicht vorzugsweise über die Hälfte oder weniger des Umfanges der Endfläche der Metallhülle, wodurch eine Störung der Ausbreitung des Flammenkerns in der Brennkammer des Motors durch die Verlängerung minimiert wird.
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Die Masseelektrode kann 50 Gew.-% oder mehr an entweder Ni oder Fe enthalten.
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Gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung ist ein Herstellungsverfahren für eine Zündkerze vorgesehen, das die Merkmale des Patentanspruchs 11 aufweist. Und zwar wird das Verschweißen der Masseelektrode mit der Metallhülle erreicht, während die Masseelektrode fest zwischen der ersten Elektrode und einer Endfläche des Anschlags der zweiten Elektrode eingeklemmt ist. Die Lage und Orientierung der Masseelektrode bezüglich der Metallhülle wird auf diese Weise durch die Endfläche des Anschlages bestimmt, wodurch ein gewisser Grad an Parallelität einer Entladungsfläche der Masseelektrode mit einer Endfläche der Metallhülle gewährleistet wird. Dadurch lässt sich vermeiden, dass die Orientierung der Masseelektrode nach dem Verschweißen mit der Metallhülle eingestellt werden muss, und wird eine hochfeste Verbindungsstelle zwischen der Masseelektrode und der Metallhülle gewährleistet.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die zweite Elektrode aus einem zylinderförmigen Element bestehen, bei dem der Elektrodenkontakt und der Anschlag miteinander eine Einheit bilden. Dies erleichtert das Einführen der zweiten Elektrode in die Metallhülle.
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Die erste und zweite Elektrode können jeweils aus einer Kupferlegierung bestehen.
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Die Masseelektrode kann mit dem Ende der Metallhülle durch Widerstandsschweißen bei konstantem Druck verbunden werden.
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Die Metallhülle kann einen Vorsprung haben, der an einem Innenkantenabschnitt der Endfläche ausgebildet ist. In diesem Fall wird die Masseelektrode auf den Vorsprung auf der Endfläche der Metallhülle gesetzt. Der zwischen der ersten und zweiten Elektrode angelegte elektrische Strom konzentriert sich zunächst auf den Vorsprung, sodass der Vorsprung erweicht oder aufschmilzt, um so das Verschweißen der Masseelektrode mit der Metallhülle zu erleichtern.
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Ein vollständigeres Verständnis der Erfindung ergibt sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung, die jedoch nicht als Beschränkung der Erfindung auf bestimmte Ausführungsbeispiele aufgefasst werden sollten, sondern lediglich der Erläuterung und dem Verständnis dienen.
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Es zeigen:
- 1 im Teillängsschnitt eine Zündkerze gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 im Teilschnitt eine Schweißstelle zwischen einer Masseelektrode und einer Metallhülle der Zündkerze von 1;
- 3 eine Draufsicht auf 2;
- 4(a) eine Draufsicht auf eine Zündkerze, bevor eine Masseelektrode mit einer Metallhülle verschweißt wird;
- 4(b) einen Teilschnitt von 4(a);
- 5(a) und 5(b) im Teilschnitt Schritte beim Verschweißen einer Masseelektrode mit einer Metallhülle mittels Widerstandsschweißtechniken;
- 6 grafisch Auswertungsergebnisse zur Verbindungsstellenfestigkeit einer Masseelektrode von Zündkerzenmustern;
- 7 eine Draufsicht auf eine Zündkerze gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 8 eine Draufsicht auf eine Zündkerze gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 9 im Teilschnitt eine Zündkerze gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 10 im Teilschnitt eine Zündkerze gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 11 im Teilschnitt eine Zündkerze gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 12 im Teilschnitt eine Zündkerze gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 13 im Teilschnitt eine Zündkerze gemäß dem achten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 14 eine Draufsicht auf 13;
- 15 im Teilschnitt eine Zündkerze gemäß dem neunten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 16 eine Draufsicht auf 15;
- 17 im Teilschnitt eine Zündkerze gemäß dem zehnten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 18(a) eine Draufsicht auf eine abgewandelte Form einer Zündkerze, bei der direkt auf einer Endfläche einer Metallhülle ein Vorsprung ausgebildet ist; und
- 18(b) einen Teilschnitt von 18(a).
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In den Zeichnungen, in denen in verschiedenen Ansichten gleiche Bezugszahlen gleiche Teile bezeichnen, zeigt 1 eine Zündkerze 100, die dazu verwendet werden kann, in Verbrennungsmotoren ein Luft-Kraftstoff-Gemisch zu zünden.
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Die Zündkerze 100 hat ein zylinderförmiges Metallgehäuse bzw. eine Hülle 10, einen Porzellanisolator 20, eine Mittelelektrode 30 und eine Masseelektrode 40. Die Metallhülle 10 besteht aus beispielsweise Kohlenstoffstahl und hat in sich eingeschnitten ein Gewinde 11 zum Befestigen der Zündkerze 100 in einem (nicht gezeigten) Zylinderblock des Motors. Die Metallhülle 10 hat eine Endfläche 12, die im Folgenden als Bezugsfläche bezeichnet wird, und eine Verlängerung 13, die von der Bezugsfläche 12 aus parallel zur Längsachse C (d.h. zur Mittellinie) der Metallhülle 12 verläuft.
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Der aus einer Aluminiumoxidkeramik (Al2O3) bestehende Porzellanisolator 20 wird innerhalb der Metallhülle 10 gehalten. In dem Porzellanisolator 20 ist eine Axialbohrung 21 ausgebildet, innerhalb der die Mittelelektrode 30 gehalten wird, sodass sie gegenüber der Metallhülle 10 elektrisch isoliert ist. Die Mittelelektrode 30 hat einen Spitzenabschnitt, der außen vom Porzellanisolator 20 frei liegt und außerhalb der Bezugsfläche 12 der Metallhülle 10 in Längsrichtung der Metallhülle 10 vorsteht. Die Verlängerung 13 der Metallhülle 10 steht in Längsrichtung der Metallhülle 10 von dem Spitzenende der Mittelelektrode 30 aus vor.
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Wie in 2 gezeigt ist, besteht die Mittelelektrode 30 aus einem Körper 31 und einem Ir-Legierungsplättchen 32. Der Körper 31 besteht aus einem zylinderförmigen Element, das sich aus einem Kernabschnitt, der aus einem Metallmaterial wie Cu mit höherer Leitfähigkeit besteht, und einem Außenabschnitt zusammensetzt, der aus einem Metallmaterial wie einer Legierung auf Ni-Basis mit höherer Wärme- und Korrosionsbeständigkeit besteht. Das Ir-Legierungsplättchen 32 ist scheibenförmig und durch Laserschweißen oder Lichtbogenschweißen mit einem Ende des Körpers 31 verbunden.
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Wie in den 2 und 3 gezeigt ist, umfasst die Masseelektrode 40 einen Plattenkörper 41 aus einer Legierung auf Ni-Basis wie Inconel™ und ein mit dem Plattenkörper 41 durch Laserschweißen oder Lichtbogenschweißen verbundenes Plättchen 42. Das Plättchen 42 besteht aus einer Pt-Legierungsplatte. Der Plattenkörper 41 ist mit der Verlängerung 13 der Metallhülle 10 durch Widerstandsschweißen verbunden und verläuft von der Verlängerung 13 aus geradlinig, sodass er die Längsachse C senkrecht kreuzt. Das Plättchen 42 ist dem Plättchen 32 der Mittelelektrode 30 über den Funkenspalt zugewandt.
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Wie deutlich in 2 gezeigt ist, erfolgt die Verbindung des Plattenkörpers 41 der Masseelektrode 40 mit der Verlängerung 13 der Metallhülle 10, indem der Plattenkörper 41, wie durch die gestrichelte Linie angegeben ist, auf das Ende der Verlängerung 13 gesetzt wird und der Plattenkörper 41 unter Druck mit Strom beaufschlagt wird, um die mit der Verlängerung 13 in Kontakt befindliche Oberfläche des Plattenkörpers 41 aufzuschmelzen, wodurch das Ende der Verlängerung 13 bis auf die durch die durchgezogene Linie angegebene Tiefe in den Plattenkörper 41 absinkt, um eine Verbindungsstelle des Plattenkörpers 41 mit der Verlängerung 13 zu bilden, die sich von dem Ende aus zu einem Innenumfangsabschnitt der Verlängerung 13 fortsetzt.
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Der Abstand L1 zwischen der Spitze des Plättchen 32 der Mittelelektrode 30 und der Bezugsfläche 12 der Metallhülle 10 beträgt in Längsrichtung der Metallhülle 10 0,5 mm. Der Abstand L2 zwischen einer Verbindungsfläche M der Masseelektrode 40 mit der Verlängerung 13 und der Bezugsfläche 12 beträgt in Längsrichtung der Metallhülle 10 1,0 mm.
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Die Verbindung der Masseelektrode 40 mit der Metallhülle 10 wird wie oben beschrieben dadurch erreicht, dass die Masseelektrode 40 aufgeschmolzen wird, um einen Abschnitt der Verlängerung 13 in der Masseelektrode 40 einzubetten, was die Festigkeit der Verbindungsstelle der Masseelektrode 40 mit der Metallhülle 10 verbessert. Die Verbindungsstelle reicht vom Innenumfang der Verlängerung 13 und bis zu ihrem Ende, was zu einer größeren Verbindungsfläche der Verbindungsstelle mit der Verlängerung 13 führt und eine festere Verbindungsstelle gewährleistet.
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Gewöhnlich ist die Temperatur der Schweißstellenzone beim Widerstandsschweißen geringer als beim Laserschweißen, sodass die Schweißstellenzone langsam abkühlt und Erstarrungsrissen widersteht. Das Widerstandsschweißen hat also die Wirkung, zuverlässiger für eine feste Verbindungsstelle der Masseelektrode 40 mit der Metallhülle 10 zu sorgen.
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Das Verschweißen der Masseelektrode 40 mit der Verlängerung 13 der Metallhülle 10 erlaubt es, das Volumen der Masseelektrode 40 um die Menge zu verringern, die der Länge der Verlängerung 13 entspricht, wodurch der Hitzeabbau von der Masseelektrode 40 gesteigert wird. Dadurch, dass die Verlängerung 13 auf der Metallhülle 10 ausgebildet ist, kann die Masseelektrode 40 von der Verbindungsstelle der Verlängerung 13 aus geradlinig in senkrechter Richtung zur Längsachse C der Metallhülle 10 verlaufen. Dies erlaubt es, die Länge der Masseelektrode 40 verglichen mit einer L-förmigen Masseelektrode zu minimieren, wodurch der Hitzeabbau von der Masseelektrode 40 weiter gesteigert wird.
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Der Spitzenabschnitt der Masseelektrode 30 steht wie oben beschrieben von der Bezugsfläche 12 der Metallhülle 10 aus vor, wodurch eine Ausdehnung des Flammenkerns innerhalb der Brennkammer des Motors erleichtert und die Zündfähigkeit des Luft-Kraft-Gemisches verbessert wird. Die Verlängerung 13 der Metallhülle 10 steht von der Spitze der Mittelelektrode 30 aus vor, was es erlaubt, die Länge der Masseelektrode 40 zu kürzen, um den Hitzeabbau von der Masseelektrode 40 zu steigern.
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Es wird nun genauer die Widerstandsverschweißung der Masseelektrode 40 mit der Metallhülle 10 der Zündkerze 100 beschrieben. 4(a) zeigt eine Draufsicht auf die Metallhülle 10, bevor die Masseelektrode 40 mit der Metallhülle 10 verschweißt wird. 4(b) ist ein Teilschnitt von 4(a). Wie deutlich in 4(b) gezeigt ist, ist auf dem Spitzenende der Verlängerung 13 eine Stufe oder ein Vorsprung 15 ausgebildet. In 4(b) fehlt zur Vereinfachung der Darstellung das mit der Masseelektrode 40 zu verbindende Plättchen 42.
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Die Metallhülle 10 weist wie oben beschrieben die Verlängerung 13 auf, die, wie in 4(a) zu erkennen ist, eine Bogenform hat. Die Verlängerung 13 weist den Vorsprung 15 auf, der ebenfalls bogenförmig ist und an einer Innenkante ihres oberen Endes ausgebildet ist.
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Die 5(a) und 5(b) zeigen einen Teilschnitt der Masseelektrode 40 vor und nach dem Verschweißen mit der Metallhülle 10.
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Zunächst werden eine obere und untere Elektrode 51 und 52 angefertigt. Die obere Elektrode 51 ist zum Beispiel eine zylinderförmige Elektrode und wird dazu verwendet, die Masseelektrode 40 gegen die Verlängerung 13 der Metallhülle 10 zu drücken. Die untere Elektrode 52 ist dem Umriss der Innenwand der Metallhülle 10 nachgebildet und befindet sich innerhalb der Metallhülle 10, wobei außerhalb der Bezugsfläche 12 ein Spitzenabschnitt vorsteht. Und zwar umfasst die untere Elektrode 52 einen Elektrodenkontakt, der gegen eine Innenschulter 14 der Metallhülle 10 stoßen gelassen wird, und einen von dem Elektrodenkontakt aus in der Zeichnung nach oben verlaufenden Anschlag. Der Anschlag bildet mit dem Elektrodenkontakt eine Einheit und wird so platziert, dass er von der Bezugsfläche 12 der Metallhülle 10 aus vorsteht. Die obere und untere Elektrode 51 und 52 bestehen beispielsweise aus einer Kupferlegierung, etwa aus einer Kupfer-Chrom-Legierung.
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Wie in 5(a) gezeigt ist, ist die Endfläche 52a der unteren Elektrode 52 über einen Luftspalt einer Entladungsfläche der Masseelektrode 40 zugewandt. Der Abstand zwischen der Endfläche 52a der unteren Elektrode 52, deren Elektrodenkontakt gegen die Innenschulter 14 der Metallhülle 10 stößt, und einer Unterkante der Innenschulter 15 der Metallhülle 10 wird durch den Abstand „C“ ausgedrückt, der so gewählt ist, dass die Masseelektrode 40 bezüglich der Metallhülle 10 positioniert wird.
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Wie in 5(b) gezeigt ist, wird als nächstes die obere Elektrode 51 in der Zeichnung nach unten bewegt, um die Masseelektrode 40 gegen die Verlängerung 13 zu drücken. Gleichzeitig wird zwischen der oberen und unteren Elektrode 51 und 52 der elektrische Strom zugeführt. Der Druck, mit dem die obere Elektrode 51 gegen die untere Elektrode 52 gedrückt wird, beträgt etwa 40 kgf. Der zwischen der oberen und unteren Elektrode 51 und 52 fließende Strom beträgt ungefähr 2,6 kA.
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Der Strom fließt zunächst von der oberen Elektrode 51 zur Masseelektrode 40 und dann zum Vorsprung 15, zur Verlängerung 13, zum Körper der Metallhülle 10, zur Innenschulter 14 der Metallhülle 10 und zur unteren Elektrode 52. Dabei konzentriert sich der Strom an dem Vorsprung 15 der Metallhülle 10, was den Vorsprung 15 dazu bringt, vollständig aufzuschmelzen. Danach beginnt die Verlängerung 13 aufzuschmelzen.
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Während der Vorsprung 15 und die Verlängerung 13 der Metallhülle 10 aufschmelzen, wird die Masseelektrode 40 durch die obere Elektrode 51 gegen die Metallhülle 10 gedrückt, sodass die Verlängerung 13 teilweise in die Masseelektrode 40 einsinkt und mit ihr verschweißt wird. Die Verlängerung 13 sinkt in der Masseelektrode 40 ab, bis die Entladungsfläche der Masseelektrode 40 gegen die Endfläche 52a der unteren Elektrode 52 stößt, also bis der Abstand zwischen der Entladungsfläche der Masseelektrode 40 und der Unterkante der Innenschulter 14 der Metallhülle 10 den Abstand C erreicht.
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Auf diese Weise wird die Masseelektrode 40 bei konstantem Druck mit der Verlängerung 13 der Metallhülle 10 verschweißt und mit einem gewünschten Grad an Parallelität der Endladungsfläche der Masseelektrode 40 mit der Bezugsfläche 12 der Metallhülle 10 an einer gewählten Position zur Metallhülle 10 gehalten. In der Endfläche 52a der unteren Elektrode 52 ist ein (nicht gezeigtes) Loch ausgebildet, in dem das Plättchen 52 der Masseelektrode 40 platziert wird, wenn die Masseelektrode 40 auf die Verlängerung 13 der Metallhülle 10 gepresst wird.
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Im Anfangszustand des Widerstandsschweißens konzentriert sich der Strom wie oben beschrieben an dem Vorsprung 15 der Metallhülle 10, sodass der Vorsprung 15 vollständig aufschmilzt. Dadurch wird das Verschweißen des Vorsprungs 15 mit einem entsprechenden Bereich der Masseelektrode 40 unterstützt, was die Festigkeit der Verbindungsstelle dazwischen erhöht. Dies minimiert, wie später ausführlich beschrieben wird, Schwankungen der Zugfestigkeit.
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Nachdem die Masseelektrode 40 auf die obige Weise mit der Metallhülle 10 verschweißt wurde, wird die untere Elektrode 52 aus der Metallhülle 10 entfernt.
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Schließlich wird der Porzellanisolator 20 mit der in ihm gehaltenen Mittelelektrode 30 in die Metallhülle 10 eingeführt. Das Ende der Metallhülle 10 wird gequetscht, um den Porzellanisolator 20 festzuhalten und die Zündkerze 100 wie in 1 dargestellt fertig zu stellen.
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Es werden nun Auswertungsergebnisse zur Verbindungsstellenfestigkeit der Masseelektrode 40 der Zündkerze 100 beschrieben.
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Der Betrag der Tiefe, mit dem die Verlängerung 13 in Längsrichtung der Metallhülle 10 in die Masseelektrode 40 absinkt, ist in 2 mit „A“ ausgedrückt. Es wurden mehrere Zündkerzenmuster angefertigt, wobei für verschiedene Werte der Absenktiefe A die Zugfestigkeit der Verbindungsstelle zwischen der Masseelektrode 40 und der Metallhülle 10 gemessen wurde, um die Festigkeit der Verbindungsstellen zu beurteilen.
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Die Absenktief A wurde wie folgt ermittelt. Zunächst wurde die Dicke T des Plattenkörpers 41 der Masseelektrode 40 gemessen. Dann wurde die Dicke B eines gegen das Spitzenende der Verlängerung 13 stoßenden Abschnitts des Plattenkörpers 41 gemessen. In der Praxis wurde die Dicke B an einem Punkt N gemessen, der sich um 1,5 mm innen vom Außenumfang der Verlängerung 13 befand. Die Absenktiefe A wurde durch Subtrahieren der Dicke B von der Dicke T berechnet (d.h. A = T - B).
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Die Spezifikationen jedes einzelnen Zündkerzenmusters, die für die Auswertung zur Verbindungsstellenfestigkeit der Masseelektrode 40 verwendet wurde, waren wie folgt. Die Metallhülle 10 bestand aus S25C. Der Plattenkörper 41 der Masseelektrode 40 bestand aus Incone™ (d.h. aus einer Legierung auf Ni-Basis). Die Dicke T des Plattenkörpers 41 betrug 1,6 mm. Die in 3 gezeigte Breite W des Plattenkörpers 41 betrug 3,3 mm.
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6 zeigt grafisch die Auswertungsergebnisse zur Verbindungsstellenfestigkeit der Masseelektrode 40 der Zündkerzenmuster. Die vertikale Achse gibt die Zugfestigkeit an und die horizontale Achse die Absenktiefe A. Die Grafik zeigt, dass die Zugfestigkeit bei einer Absenktiefe A von weniger als 0,4 mm gering ist, was zu einem Ablösen der Masseelektrode 40 von der Verlängerung 13 führt, wohingegen eine Absenktiefe A von 0,4 mm oder mehr eine für die Praxis ausreichende Zugfestigkeit ergibt.
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Wenn die Absenktiefe A mehr als 1,0 mm beträgt, führt dies zu größeren Schweißgraten, was den Spalt zwischen den Schweißgraten und der Mittelelektrode 30 verringert, sodass es dazwischen zu Funken kommen kann. Anders ausgedrückt führt eine Absenktiefe A von weniger als 1,0 mm zu kleineren Schweißgraten, was die Möglichkeit ausschließt, dass zwischen den Schweißgraten und der Mittelelektrode 30 Funken erzeugt werden.
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Es wurde außerdem eine andere Art Zündkerzenmuster angefertigt, bei der der Plattenkörper 41 der Masseelektrode 40 aus aluminiumhaltigem Inconel™ bestand und die Breite W des Plattenkörpers 41 4,1 mm betrug, wobei die Verbindungsstellenfestigkeit auf die gleiche Weise wie oben beschrieben beurteilt wurde. Die Auswertungsergebnisse zeigten die gleichen Effekte wie bei den obigen Zündkerzenmustern. Und zwar ergab eine Absenktiefe A von 0,4 mm oder mehr eine für die Praxis ausreichende Zugfestigkeit. Eine Absenktiefe A von weniger als 1,0 mm führte zu kleineren Schweißgraten, was die Möglichkeit ausschließt, dass zwischen den Schweißgraten und der Mittelelektrode 30 Funken erzeugt werden.
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Das Verhältnis der Absenktiefe A zur Dicke T des Plattenkörpers 41 der Masseelektrode 40 der Zündkerze 100 (d.h. A/T) wird so gewählt, dass es innerhalb eines Bereichs von 0,2 bis 0,7 liegt. Ein kleinerer Wert des A/T-Verhältnisses gibt an, dass der Betrag, um den die Verlängerung 13 in die Masseelektrode 40 eingebettet ist, geringer ist. Wenn der Wert des A/T-Verhältnisses innerhalb des obigen Bereichs gewählt wird, wird eine gewünschte Festigkeit der Verbindungsstelle der Masseelektrode 40 mit der Metallhülle 10 gewährleistet, ohne dass die der Masseelektrode 40 eigene mechanische Festigkeit verloren ginge.
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7 zeigt eine Zündkerze gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, die sich von der des ersten Ausführungsbeispiels lediglich im Hinblick auf die Größe der Verlängerung 13 der Metallhülle 10 unterscheidet. Der übrige Aufbau ist identisch, weswegen auf eine ausführliche Erläuterung verzichtet wird.
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Die Verlängerung 13 ist halbkreisförmig und reicht über den halben Umfang der Endfläche der Metallhülle 10. Wenn die Verlängerung 13 mehr als den halben Umfang der Endfläche der Metallhülle 10 belegt, stellt sie ein Hindernis dar, das die Ausbreitung des Flammenkerns innerhalb des Zylinders des Motors stark behindert. Es ist daher ratsam, dass die Verlängerung 13 höchstens die Hälfte des Umfanges der Endfläche der Metallhülle 10 belegt.
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8 zeigt eine Zündkerze gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das sich von der des ersten Ausführungsbeispiels lediglich im Hinblick auf die Größe der Verlängerung 30 der Metallhülle 10 unterscheidet. Der übrige Aufbau ist identisch, weswegen auf eine ausführliche Erläuterung verzichtet wird.
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Die Länge der Verlängerung 13 ist in Umfangsrichtung der Metallhülle 10 etwas größer als die Breite W der Masseelektrode 40. So beträgt der Innendurchmesser d der Metallhülle 10 beispielsweise 9 mm und die Breite W der Masseelektrode 40 3,3 mm. Die Verlängerung 13 reicht über ein Sechstel (1/6) des Umfanges der Endfläche der Metallhülle 10. Dies gewährleistet eine ausreichende Verbindungsfläche zwischen der Masseelektrode 40 und der Metallhülle 10, um einen gewünschten Umfang an Hitzabbau oder Wärmeübertragung der Masseelektrode 40 zur Metallhülle 10 zu erreichen, damit die Hitzebeständigkeit der Masseelektrode 40 gewährleistet ist.
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9 zeigt eine Zündkerze gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Zündkerze fehlt die Verlängerung 13. Und zwar ist die Zündkerze 40 direkt durch Widerstandsschweißen mit der Bezugsfläche 12 der Metallhülle 10 verbunden. Die Spitze der Mittelelektrode 30 befindet sich innerhalb der Metallhülle 10. Mit anderen Worten liegt die Spitze der Mittelelektrode 30 in Längsrichtung der Metallhülle 10 innen von der Bezugsfläche 12. Die Entladungsfläche der Masseelektrode 40, die der Mittelelektrode 30 zugewandt ist, liegt ebenfalls innerhalb der Metallhülle 10.
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Der Abstand L1 zwischen dem Spitzenende des Plättchen 32 der Mittelelektrode 30 und der Bezugsfläche 12 der Metallhülle 10 beträgt in Längsrichtung der Metallhülle 10 1,3 mm. Der Abstand L2 zwischen der Verbindungsfläche M der Masseelektrode 40 mit der Metallhülle 10 und der Bezugsfläche 12 in Längsrichtung der Metallhülle 10 beträgt 0,8 mm. Der übrige Aufbau ist mit dem des ersten Ausführungsbeispiels identisch, weswegen auf eine ausführliche Erläuterung verzichtet wird.
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Der Aufbau der Zündkerze gemäß diesem Ausführungsbeispiel führt zu einer Verkürzung der innerhalb der Brennkammer des Motors liegenden Länge der Zündkerze, wodurch die Temperatur der Zündkerze bei laufendem Motor gesenkt wird.
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10 zeigt eine Zündkerze gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Die Spitze der Mittelelektrode 30 befindet sich innerhalb der Metallhülle 10. Mit anderen Worten liegt die Spitze der Mittelelektrode 30 in Längsrichtung der Metallhülle 10 innen von der Bezugsfläche 12. Die Entladungsfläche der Masseelektrode 40, die der Mittelelektrode 30 zugewandt ist, fluchtet in Querrichtung der Metallhülle 10 mit der Bezugsfläche 12. Der Abstand L1 zwischen dem Spitzenende des Plättchens 32 der Mittelelektrode 30 und der Bezugsfläche 12 in der Längsrichtung der Metallhülle 10 beträgt 0,5 mm. Der übrige Aufbau ist mit dem des ersten Ausführungsbeispiels identisch, weswegen auf eine ausführliche Erläuterung verzichtet wird.
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11 zeigt eine Zündkerze gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Zündkerze fehlt die Verlängerung 13 auf der Metallhülle 10. Wie deutlich in der Zeichnung gezeigt ist, hat die Masseelektrode 40 eine gekrümmte Form und ist durch Widerstandsschweißen direkt mit der Bezugsfläche 12 der Metallhülle 10 verbunden. Der übrige Aufbau ist identisch mit dem des ersten Ausführungsbeispiels, weswegen auf eine ausführliche Erläuterung verzichtet wird.
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12 zeigt eine Zündkerze gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Masseelektrode 40 verläuft von der Verlängerung 13 aus in einem gegebenen, von 90° verschiedenen Winkel zur Längsachse C der Metallhülle 10. Der übrige Aufbau ist mit dem des dritten Ausführungsbeispiels identisch, weswegen auf eine ausführliche Erläuterung verzichtet wird.
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Die 13 und 14 zeigen eine Zündkerze gemäß dem achten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Zündkerze ist eine mit zwei L-förmigen Masseelektroden 40 ausgestattete Doppelmasseelektrodenzündkerze. Die Metallhülle 10 hat zwei bogenförmige Verlängerungen 13. Die L-förmigen Masseelektroden 40 sind jeweils durch Widerstandsschweißen mit einer der Verlängerungen 13 verbunden. Und zwar besteht jede Masseelektrode 40 aus einem horizontalen Streifen 40a und einem vertikalen Streifen 40b. Der horizontale Streifen 40a verläuft senkrecht zur Längsachse C der Metallhülle 10 und ist mit der Verlängerung 13 verbunden. Der vertikale Streifen 40b verläuft von dem horizontalen Streifen 40a aus parallel zur Längsachse C und hat eine dem Plättchen 32 der Mittelelektrode 30 zugewandte Entladungsfläche. Der übrige Aufbau ist mit dem des ersten Ausführungsbeispiels identisch, weswegen auf eine ausführliche Erläuterung verzichtet wird.
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Die 15 und 16 zeigen eine Zündkerze gemäß dem neunten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Zündkerze hat zwei auf der Metallhülle 10 ausgebildete Verlängerungen 13, mit denen die Enden einer Masseelektrode 40 durch Widerstandsschweißen verbunden sind. Der übrige Aufbau ist mit dem des ersten Ausführungsbeispiels identisch, weswegen auf eine ausführliche Erläuterung verzichtet wird.
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17 zeigt eine Zündkerze gemäß dem zehnten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Zündkerze hat zwei auf der Metallhülle 10 ausgebildete Verlängerungen 13 und eine Masseelektrode 40 mit einer zentralen Ausbuchtung. Die Masseelektrode 40 ist an ihren Enden durch Widerstandsschweißen mit den Verlängerungen 13 verbunden. Der übrige Aufbau ist identisch mit dem des ersten Ausführungsbeispiels, weswegen auf eine ausführliche Erläuterung verzichtet wird.
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Die in den obigen Ausführungsbeispielen verwendeten Masseelektroden 40 können aus einem Material bestehen, dass 50 Gew.-% oder mehr Ni oder 50 Gew.-% oder mehr Fe enthält.
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Die Zündkerze 100 des ersten Ausführungsbeispiels weist zwar, wie in den 4(a) und 4(b) dargestellt ist, den Vorsprung 15 auf, um die Stabilität der Verbindungsstellenfestigkeit der Masseelektrode 40 sicherzustellen, doch kann sie auch anders ausgeführt werden. So kann die Zündkerze 100 des ersten Ausführungsbeispiels wahlweise auch ohne den Vorsprung 15 auskommen.
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Wenn der Metallhülle 10 wie im vierten Ausführungsbeispiel die Verlängerung 13 fehlt, wird vorzugsweise auf mindestens einem Abschnitt der Metallhülle 10, mit dem die Masseelektrode 40 verschweißt wird, der Vorsprung 15 ausgebildet. Die 18(a) und 18(b) zeigen ein Beispiel, bei dem der Vorsprung 15 direkt auf der Bezugsfläche 12 der Metallhülle 10 ausgebildet ist. Und zwar verläuft der Vorsprung 15 auf einem Abschnitt einer Innenkante der Bezugsfläche 12, mit dem die Masseelektrode 40 verschweißt wird. Der übrige Aufbau ist mit dem des ersten Ausführungsbeispiels identisch.
