DE102005023888B4

DE102005023888B4 - Zündkerze

Info

Publication number: DE102005023888B4
Application number: DE102005023888.2A
Authority: DE
Inventors: Keiji Kanao
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-05-25
Filing date: 2005-05-24
Publication date: 2016-10-20
Anticipated expiration: 2025-05-25
Also published as: DE102005023888A1; JP4375119B2; US20050264152A1; US7224109B2; JP2005339864A

Abstract

Zündkerze, mit: einem Metallgehäuse (10), das auf seiner Außenfläche einen Befestigungsschraubenabschnitt (11) hat, um über den Befestigungsschraubenabschnitt (11) in einen Motor eingebaut zu werden; einen in dem Metallgehäuse (10) befestigten Isolator (20), von dem ein Endabschnitt (20a) von einem Endabschnitt (10a) des Metallgehäuses (10) vorragt; einer in einem Axialloch (21) des Isolators (20) befestigten Mittelelektrode (30), von der ein Endabschnitt (30a) von dem einen Endabschnitt (20a) des Isolators (20) vorragt; und einer Masseelektrode (40), die einen am Metallgehäuse (10) befestigten Endabschnitt (41), einen an einem mittleren Abschnitt von ihr gelegenen gebogenen Abschnitt (42) und einen anderen Endabschnitt (43) hat, der dem einen Endabschnitt (30a) der Mittelelektrode (30) so gegenüberliegt, dass ein Funkenspalt (50) gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Masseelektrode (40) entweder Ni oder Fe als Hauptbestandteil und mindestens einen aus der aus Cr und Al bestehenden Gruppe gewählten Zusatz enthält, die Querschnittsfläche (S) der Masseelektrode (40) nicht weniger als 2 mm2 und nicht mehr als 3 mm2 beträgt und die Masseelektrode (40) eine derartige Gestaltung hat, dass der Mittelwert (D) der Kristallkorndurchmesser in Dickenrichtung ursprünglich nicht mehr als 50 μm beträgt und wenn an der Masseelektrode (40) eine Wärmebehandlung von 30 Minuten bei 900°C oder mehr vorgenommen wird, die eine Rekristallisation hervorruft, zumindest am gebogenen Abschnitt (42) der Masseelektrode (40) der Mittelwert (D) der Kristallkorndurchmesser in Dickenrichtung größer oder gleich 100 μm wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Zündkerze für einen Verbrennungsmotor.
Im Allgemeinen enthält eine Zündkerze ein Metallgehäuse, das an seiner Außenfläche mit einem Befestigungsschraubenabschnitt versehen ist, um über diesen Befestigungsschraubenabschnitt in einen Motor eingebaut zu werden. Ein in dem Metallgehäuse befestigter Isolator hat einen Endabschnitt, der von einem Endabschnitt des Metallgehäuses vorragt. Eine in einem Axialloch des Isolators befestigte Mittelelektrode hat einen Endabschnitt, der von dem einen Endabschnitt des Isolators vorragt. Eine Masseelektrode hat einen am Metallgehäuse befestigten Endabschnitt, einen an einem mittleren Abschnitt von ihr gelegenen gebogenen Abschnitt und einen anderen Endabschnitt, der dem einen Endabschnitt der Mittelelektrode so gegenüberliegt, dass ein Funkenspalt gebildet wird.
Aus der JP 2002-343 533 A , die dem US Patent US 6 794 803 B2 entspricht, ist zum Beispiel eine herkömmliche Zündkerze bekannt, die basierend auf einer Verbesserung des Zusammenhangs zwischen der Oberfläche und dem Volumen der Masseelektrode gute Wärmewiderstandseigenschaften der Masseelektrode bewirken kann.
Fortgeschrittenere Motoren erfordern im Allgemeinen einen geringen Kraftstoffverbrauch und eine hohe Ausgangsleistung. Um bei einem mageren Kraftstoffgemisch eine stabile Verbrennung zu bewirken, nimmt die Einströmgeschwindigkeit des Kraftstoffgemisches am Funkenentladungsabschnitt der Zündkerze tendenziell zu.
Eine Verbesserung des Zündvermögens hängt im Allgemeinen vom Wachstum des nach der Funkenentladung gebildeten Flammenkerns ab. Wenn die Gemischeinströmgeschwindigkeit hoch ist, verlagert sich der Flammenkern jedoch zur Masseelektrode und kommt mit der Masseelektrode in Kontakt. Sobald der Flammenkern die Masseelektrode berührt, verliert er seine Wärmeenergie. Dieses Phänomen wird auch als Abschreckeffekt bezeichnet. Der Abschreckeffekt vermindert das Zündvermögen.
Um den Abschreckeffekt zu vermindern, ist es wirkungsvoll, die Dicke der Masseelektrode zu verringern. Allerdings vermindert eine Verringerung der Dicke der Masseelektrode die Wärmekapazität der Masseelektrode. Die Masseelektrode hat dann unzureichende Wärmebeständigkeitseigenschaften.
Angesichts dieser Probleme ist es vielversprechend, eine Zündkerze zur Verfügung zu stellen, die beruhend auf einer Verbesserung der Zusammensetzung der Masseelektrode auch dann, wenn die Dicke dieser Masseelektrode verringert wird, ausreichende Wärmebeständigkeitseigenschaften bewirken kann.
So ist es nach Aussage des Erfinders vorzuziehen, dass die Masseelektrode entweder Ni oder Fe als Hauptbestandteil und mindestens einen aus der aus Cr und Al bestehenden Gruppe gewählten Zusatz enthält. Eine solche Masseelektrode wird auch von der JP 2003-142 227 A verwendet, die eine Masseelektrode mit Ni als Hauptbestandteil und mindestens 10 Gew.-% Cr und 1,5 Gew.-% Al als Zusatz vorschlägt. Außerdem schlagen die JP 2001-257 053 A und die DE 602 26 090 T2 eine Masseelektrode vor, bei der zumindest die Oberfläche aus einer wärmebeständigen Ni- oder Fe-Legierung besteht, die eine bestimmte Härte hat, die sich durch eine Wärmebehandlung der Legierung erreichen lässt. Die DE 602 26 090 T2 warnt davor, die Masseelektrode bei der Herstellung auf über 1150°C zu erwärmen, da sich die verwendete Legierung ansonsten aufgrund von Störungen wie einer Vergrößerung der Kristallkörnung nicht mehr biegen ließe.
Unter Hochtemperatur-Motorbetriebsbedingungen oxidieren Zusatzelemente mit einer verhältnismäßig geringen freien Standardbildungsenthalpie leichter als Hauptbestandteile mit einer verhältnismäßig großen freien Standardbildungsenthalpie. Dementsprechend bewegen sich die Zusatzelemente zur Oberfläche der Masseelektrode und bilden dort Oberflächenoxide.
Die Zugabe von Cr oder Al als Zusatzelement zur Masseelektrode ermöglicht es also der Masseelektrode, auf der Oberfläche eine stabile Oberflächenoxidschicht (d. h. eine Überzugsschicht) aus dem Zusatzelement zu bilden, da Cr und Al jeweils eine kleinere freie Standardbildungsenthalpie als die Hauptbestandteile haben. Da der oben beschriebene Oberflächenoxidüberzug stabil auf der Oberfläche der Masseelektrode ausgebildet wird, pflanzt sich das Oxidationsphänomen nicht in das Innere der Masseelektrode fort. Es ist daher möglich, bei der Masseelektrode hervorragende Wärmebeständigkeits- und Oxidationsbeständigkeitseigenschaften zu bewirken.
Wenn die Dicke verringert wird, kann die Masseelektrode jedoch brechen. So ist die Masseelektrode zum Beispiel unter harten Motorbetriebsbedingungen starken Schwingungen ausgesetzt. Daher muss die Masseelektrode ausreichende Bruchwiderstandseigenschaften haben.
Angesichts des obigen Problems liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Zündkerze zur Verfügung zu Stellen, die auch bei hohen Gemischeinströmgeschwindigkeit ein hohes Zündvermögen bewirken kann und auch, wenn die Masseelektrode dünner gemacht wird, zufriedenstellende Wärmebeständigkeitseigenschaften und Bruchwiderstandseigenschaften gewährleisten kann.
Nach Aussage des Erfinders spielt bei einer dünneren Masseelektrode der Zustand der Kristallkörner eine wichtige Rolle bei der Bewirkung zufriedenstellender Bruchwiderstandseigenschaften. Es versteht sich von selbst, dass die Festigkeit der Masseelektrode ein vorbestimmtes Maß erreichen sollte.
Wenn es unter Hochtemperaturbedingungen zu einer Rekristallisation der Massenelektrode kommt, nehmen die Kristallkorndurchmesser der Masseelektrode im Allgemeinen zu und verringert sich die Festigkeit der Masseelektrode. Eine Vergrößerung der Kristallkorndurchmesser ist demnach nachteilig bei der Gewährleistung der Bruchwiderstandseigenschaften.
Unter großen Anstrengungen bei Forschung und Entwicklung ist der Erfinder jedoch zu dem Ergebnis gelangt, dass für den Fall, dass die Masseelektrode hervorragende Wärmebeständigkeitseigenschaften hat (d. h. wenn die Masseelektrode entweder Ni oder Fe als Hauptbestandteil und mindestens einen aus der aus Cr und Al bestehenden Gruppe gewählten Zusatz enthält), eine Masseelektrode mit kleinen Kristallkorndurchmessern die Tendenz zeigt, unter Hochtemperaturbedingungen leicht zu brechen.
Starke Motorschwingungen und der Verbrennungsdruck sind die Hauptursachen für die Brüche. Die Brüche treten hauptsächlich am gebogenen Abschnitt der Masseelektrode auf, wo die größte äußere Kraft anliegt. Bei der Untersuchung der Brüche an den gebogenen Abschnitten stellte der Erfinder fest, dass die Brüche an den Korngrenzen auftreten.
In einem normalen Temperaturbereich, der genügend niedriger als die angesprochenen Hochtemperaturbedingungen ist, ist die interkristalline Festigkeit im Allgemeinen höher als die transkristalline Festigkeit. Bei kleinen Korndurchmessern ist eine große Anzahl Korngrenzen vorhanden. Wenn die Kristallkorndurchmesser klein sind, widersteht die Masseelektrode daher Brüchen und ist robust.
Allerdings ist der gebogene Abschnitt der Masseelektrode während des Motorbetriebs verhältnismäßig hohen Temperaturen ausgesetzt. Unter solchen harten Temperaturbedingungen ist die transkristalline Festigkeit höher als die interkristalline Festigkeit. Es lässt sich daher sagen, dass größere Korndurchmesser bei Hochtemperaturbedingungen den Vorteil hervorragender Bruchwiderstandseigenschaften bieten.
Um unter den Hochtemperaturbedingungen hervorragende Bruchwiderstandseigenschaften zu gewährleisten, ist es nach Aussage des Erfinders von zentraler Bedeutung, am gebogenen Abschnitt eine große Kristallstruktur zu haben. Aufgrund dieser Erkenntnis und beruhend auf verschiedenen Untersuchungen und Auswertungen sieht die Erfindung die folgende Zündkerze vor.
Und zwar enthält die Zündkerze der Erfindung die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale.
Bei der Zündkerze der Erfindung enthält die Masseelektrode entweder Ni oder Fe als Hauptbestandteil und mindestens einen aus der aus Cr und Al bestehenden Gruppe gewählten Zusatz und beträgt die Querschnittsfläche der Masseelektrode nicht weniger als 2 mm² und nicht mehr als 3 mm². Daher kann die Zündkerze der Erfindung bei der Masseelektrode hervorragende Wärmebeständigkeitseigenschaften bewirken, da die Masseelektrode entweder Ni oder Fe als Hauptbestandteil und mindestens ein aus der aus Cr und Al bestehenden Gruppe gewählten Zusatz enthält. Darüber hinaus kann die Zündkerze der Erfindung, da die Querschnittsfläche der Masseelektrode nicht weniger als 2 mm² und nicht mehr als 3 mm² beträgt, ein hohes Zündvermögen bewirken, indem sie den Kühlverlust durch den Abschreckeffekt bei hohen Gemischeinströmgeschwindigkeiten verringert, wobei sie außerdem verhindern kann, dass die Temperatur in der Masseelektrode stark ansteigt.
Darüber hinaus beträgt zwar bei der Zündkerze der Erfindung der Mittelwert der Kristallkorndurchmesser in der Dickenrichtung an der Masseelektrode ursprünglich nicht mehr als 50 μm, doch wird der Mittelwert der Kristalldurchmesser in der Dickenrichtung zumindest am gebogenen Abschnitt der Massenelektrode größer oder gleich 100 μm, wenn die die Masseelektrode 30 Minuten lang bei 900°C oder mehr wärmebehandelt wird.
Wenn ein Motor unter harten Wärmelastbedingungen betrieben wird, die zu einem Bruch der Masseelektrode führen können, kommt es daher bei der Zündkerze der Erfindung am gebogenen Abschnitt der Masseelektrode zu einer Rekristallisation und werden die Kristallkorndurchmesser dementsprechend ausreichend größer, um hervorragende Bruchwiderstandseigenschaften zu bewirken. Die Zündkerze der Erfindung kann daher ausreichende Bruchwiderstandseigenschaften bewirken.
Wie oben beschrieben wurde, kann die dritte Zündkerze der Erfindung bei der Masseelektrode auch dann, wenn die Masseelektrode dünner gemacht wird, um bei hohen Gemischeinströmgeschwindigkeiten ein hohes Zündvermögen zu bewirken, zufriedenstellende Wärmebeständigkeitseigenschaften und Bruchwiderstandseigenschaften bewirken.
Bei der oben beschriebenen Zündkerze der Erfindung ist es vorzuziehen, dass die Masseelektrode eine Menge von nicht weniger als 0,5 Gewicht-% und nicht mehr als 2 Gewicht-% Al enthält und eine Menge von nicht weniger als 18 Gewicht-% und nicht mehr als 25 Gewicht-% Cr enthält.
Ersatzweise ist es bei der oben beschriebenen Zündkerze der Erfindung vorzuziehen, dass die Masseelektrode eine Menge von nicht weniger als 2 Gewicht-% und nicht mehr als 5 Gewicht-% Al enthält und eine Menge von nicht weniger als 10 Gewicht-% und nicht mehr als 18 Gewicht-% Cr enthält.
Darüber hinaus ist es bei der oben beschriebenen Zündkerze der Erfindung vorzuziehen, dass die Masseelektrode ein Seltenerdelement enthält. Die Zugabe des Seltenerdelements, etwa eines Lanthanoiden, zu der Masseelektrode hat die Wirkung, die Wärmebeständigkeitseigenschaften der Masseelektrode zu verbessern.
Darüber hinaus ist es bei der oben beschriebenen Zündkerze der Erfindung vorzuziehen, dass der Biegewinkel des gebogenen Abschnitts kleiner oder gleich 100° ist.
Diese Vorgabe beruht auf dem Ergebnis einer vom Erfinder durchgeführten Untersuchung. Wenn der Biegewinkel groß ist, kann der Flammenkern die Masseelektrode berühren und den Abschreckeffekt hervorrufen. Dadurch verringert sich das Zündvermögen. Wird der Biegewinkel jedoch auf kleiner oder gleich 100° eingestellt, lässt sich ein angemessenes Zündvermögen bewirken.
Darüber hinaus ist es bei der Zündkerze vorzuziehen, dass der Befestigungsschraubenabschnitt nach japanischem Industriestandard eine Größe von M10 oder weniger hat.
Bei einer Zündkerze mit einem Befestigungsschraubenabschnitt von M10 oder weniger hat die Masseelektrode eine ausreichend geringe Dicke. Es ist daher möglich, durch den Einsatz des oben beschriebenen Aufbaus einschlägige Wirkungen zu erzielen.
Die obigen und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung verdeutlicht, die im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen zu lesen ist. Es zeigen:
1 im Halbschnitt den Gesamtaufbau einer Zündkerze gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2A seitlich vergrößert einen Zündabschnitt der in 1 gezeigten Zündkerze;
2B eine Schnittansicht der Zündkerze entlang der Linie A-A von 2A;
3 die Abmessungen L und H einer Masseelektrode der Zündkerze gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
4 vergrößert im Schnitt einen gebogenen Abschnitt der Masseelektrode der Zündkerze gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
5 schematisch den Zusammenhang zwischen der Gemischeinströmgeschwindigkeit V und dem Flammenkern K bei einer Zündkerze;
6 grafisch den Zusammenhang zwischen der Gemischeinströmgeschwindigkeit V und der Kühlenergie;
7 grafisch den Zusammenhang zwischen der Querschnittsfläche S der Masseelektrode und der Kühlenergie;
8 grafisch den Zusammenhang zwischen der Querschnittsfläche S der Masseelektrode und einer Vorderendentemperatur der Masseelektrode;
9 ein Verfahren zur Auswertung der Bruchwiderstandseigenschaften;
10 grafisch den Zusammenhang zwischen dem Biegewinkel θ des gebogenen Abschnitts und der Kühlenergie;
11 grafisch den Zusammenhang zwischen der Höhe H und der Vorderendentemperatur der Masseelektrode; und
12 grafisch der Zusammenhang zwischen der Höhe H und der Biegeabschnitttemperatur der Masseelektrode.
Im Folgenden werden unter Bezugname auf die beigefügten Zeichnungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszahlen gleiche oder äquivalente Abschnitte bzw. Bauteile.
Erstes Ausführungsbeispiel
1 zeigt im Halbschnitt den Gesamtaufbau einer Zündkerze S1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. 2A zeigt vergrößert einen Zündabschnitt der in 1 gezeigten Zündkerze S1. 2B zeigt eine Schnittansicht der Zündkerze S1 entlang der Linie A-A von 2A.
Zündkerzenaufbau
Die Zündkerze S1 findet vorzugsweise bei einem Kraftfahrzeugmotor 1 Anwendung, wobei sie in ein Gewindeloch eingeschraubt wird, das sich in einem (nicht gezeigten) Motorkopf befindet, der in sich eine Brennkammer definiert.
Die Zündkerze S1 enthält ein zylinderförmiges Metallgehäuse 10 aus elektrisch leitendem Stahlblech (z. B. ein Stahl mit geringem Kohlenstoffgehalt). An der Außenzylinderfläche des Metallgehäuses 10 befindet sich ein Befestigungsschraubenabschnitt 11, damit das Metallgehäuse 10 in einem (nicht gezeigten) Motorblock befestigt werden kann. Bei diesem Ausführungsbeispiel hat der Befestigungsschraubenabschnitt 11 nach JIS (japanischer Industriestandard) ein Größe von M10 oder weniger.
In dem Metallgehäuse 10 ist ein aus einer Aluminiumoxidkeramik (Al₂O₃) oder dergleichen bestehender Isolator 20 untergebracht und befestigt. Der Isolator 20 hat einen von einem Endabschnitt 10a des Metallgehäuses 10 vorragenden Endabschnitt 20a.
In einem Axialloch 21 des Isolators 20 ist eine Mittelelektrode 30 befestigt, sodass die Mittelelektrode 30 bezüglich des Metallgehäuses 10 in einem isolierten Zustand gehalten wird.
Die Mittelelektrode 30 kann zum Beispiel ein säulenförmiges Bauteil sein, dass aus einem durch Cu oder einem anderen Metallmaterial mit hervorragender Wärmeleitfähigkeit gebildeten Innenmaterial und einem durch eine Legierung auf Ni-Basis oder ein anderes Metallmaterial mit hervorragenden Wärmebeständigkeits- und Korrosionsbeständigkeitseigenschaften gebildeten Außenmaterial besteht.
Wie in 1 gezeigt ist, hat die Mittelelektrode 30 einen Endabschnitt 30a, der von dem einen Endabschnitt 20a des Isolators 20 vorragt. Die Mittelelektrode 30 wird daher bezüglich des Metallgehäuses 10 in einem isolierten Zustand gehalten, wobei der eine Endabschnitt 30a von dem einen Endabschnitt 10a des Metallgehäuses 10 vorragt.
Bei der Masseelektrode 40 handelt es sich um ein pfeilerförmiges Bauteil, das Ni oder Fe als Hauptbestandteil und mindestens einen aus der aus Cr und Al bestehenden Gruppe gewählten Zusatz enthält.
Die Masseelektrode 40 enthält bei diesem Ausführungsbeispiel entweder Ni oder Fe als Hauptbestandteil und mindestens einen aus der aus Cr und Al bestehenden Gruppe gewählten Zusatz, um bei der Masseelektrode 40 Wärmebeständigkeitseigenschaften bewirken.
Wie oben beschrieben wurde, oxidieren unter Hochtemperatur-Motorbetriebsbedingungen Zusatzelemente mit einer verhältnismäßig kleinen freien Standardbildungsenthalpie leichter als die Hauptbestandteile mit einer verhältnismäßig großen freien Standardbildungsenthalpie. Dementsprechend bewegen sich die Zusatzelemente zur Oberfläche der Masseelektrode 40 und bilden dort Oberflächenoxide.
Da Cr und Al jeweils eine kleinere freie Standardbildungsenthalpie als die Hauptbestandteile haben, ermöglicht die Zugabe von Cr oder Al als Zusatzelement zur Masseelektrode also, dass die Masseelektrode auf der Oberfläche eine stabile Oberflächenoxidschicht (d. h. Überzugsschicht) aus dem Zusatzelement bildet. Da der oben beschriebene Oberflächenoxidüberzug auf der Oberfläche der Masseelektrode stabil ist, pflanzt sich das Oxidationsphänomen nicht in das Innere der Masseelektrode fort. Es ist daher möglich, bei der Masseelektrode 40 hervorragende Wärmebeständigkeits- und Oxidationsbeständigkeitseigenschaften zu bewirken.
Und zwar enthält die Masseelektrode 40 eine Menge von nicht weniger als 0,5 Gewicht-% und nicht mehr als 2 Gewicht-% Al und eine Menge von nicht weniger als 18 Gewicht-% und nicht mehr als 25 Gewicht-% Cr. Ersatzweise enthält die Masseelektrode 40 eine Menge von nicht weniger als 2 Gewicht-% und nicht mehr als 5 Gewicht-% Al und eine Menge von nicht weniger als 10 Gewicht-% und nicht mehr als 18 Gewicht-% Cr.
Darüber hinaus hat die Masseelektrode 40 dieses Ausführungsbeispiels einen mit dem einen Endabschnitt 10a des Metallgehäuses 10 verschweißten Endabschnitt 41, einen am mittleren Abschnitt L-förmig gebogenen Abschnitt 42 und einen anderen Endabschnitt 43, der dem einem Endabschnitt 30a der Mittelelektrode 30 so gegenüberliegt, dass ein Funkenspalt 50 gebildet wird.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist mit dem einen Endabschnitt 30a der Mittelelektrode durch Laserschweißen oder Widerstandsschweißen eine Edelmetallspitze 35 verbunden. Die Edelmetallspitze 35 dient als ein Funkenabgabebauteil. Die Edelmetallspitze 35 ist beispielsweise ein säulenförmiges Bauteil aus einer Pt-Legierung oder einer Ir-Legierung. Der Funkenspalt 50 entspricht dem Zwischenraum (d. h. Spalt) zwischen dem fernen Endabschnitt der Edelmetallspitze 35 und dem anderen Endabschnitt 43 der Masseelektrode 40 (genauer gesagt der dem Funkenspalt 50 zugewandten Seitenfläche des Endabschnitts 43).
Die Abmessungen der Masseelektrode 40 werden nun unter Bezugnahme auf die 2A, 2B und 3 erläutert. 3 veranschaulicht die Abmessungen L und H der Masseelektrode 40 der Zündkerze S1.
Bei diesem Ausführungsbeispiel beträgt die Fläche S (d. h. Querschnittsfläche S) eines Querschnitts 40a der in 2B gezeigten Masseelektrode 40 nicht weniger als 2 mm² und nicht mehr als 3 mm². Bei dem in 2B gezeigten Beispiel entspricht die Masseelektrode 40 einem Viereckpfeiler mit rechteckigem Querschnitt. Die Masseelektrode 40 hat zum Beispiel eine Dicke d von 1,15 mm und eine Breite w von 2,2 mm.
Darüber hinaus zeigt 3 die Höhe H des gebogenen Abschnitts 42 der Masseelektrode 40 von dem einem Endabschnitt 10a (d. h. der vorderen Endfläche 10a) des Metallgehäuses 10 aus und die Länge L von dem gebogenen Abschnitt 42 zur vorderen Endfläche des anderen Endabschnitts 43.
Wie in 3 gezeigt ist, entspricht der Kreis A1 einem gedachten Kreis, der jeweils die vordere Endfläche des anderen Endabschnitts 43 der Masseelektrode 40, die dem Funkenspalt 50 zugewandte Seitenfläche des anderen Endabschnitts 43 und die gegenüberliegende Seitenfläche des anderen Endabschnitts 43 des Funkenspalts 50 berührt. Der Kreis A2 entspricht einem gedachten Kreis, der den Kreis A1 und die beiden Seitenflächen des anderen Endabschnitts 43 berührt. Durch die Mitten dieser Kreise A1 und A2 geht eine gedachte Linie L1.
Andererseits entspricht, wie in 3 gezeigt ist, der Kreis B1 einem gedachten Kreis, der die Grenzfläche zwischen der Masseelektrode 40 und dem Metallgehäuse 10, eine dem Funkenspalt 50 zugewandte Seitenfläche des einen Endabschnitts 41 und die gegenüberliegende Seitenfläche des einen Endabschnitts 41 berührt. Der Kreis B2 entspricht einem gedachten Kreis, der den Kreis B1 und die beiden Seitenflächen des einen Endabschnitts 41 berührt. Durch diese Kreise B1 und B2 geht eine gedachte Linie L2.
Die beiden gedachten Linien L1 und L2 schneiden sich an einem Punkt P. Der zwischen diesen gedachten Linien L1 und L2 gebildete Winkel ist als Biegewinkel θ des gebogenen Abschnitts 42 definiert. Es ist wünschenswert, dass der Biegewinkel θ kleiner oder gleich 100° ist.
Darüber hinaus ist die Höhe H des gebogenen Abschnitts 42 der Masseelektrode 40 von der vorderen Endfläche 10a des Metallgehäuses 10 aus so definiert, dass sie dem Abstand des Schnittspunkts P zur vorderen Endfläche 10a des Metallgehäuses 10 entspricht. Außerdem ist die Länge L vom gebogenen Abschnitt 42 der Masseelektrode 40 zu der vorderen Endfläche des anderen Endabschnitts 43 so definiert, dass sie dem Abstand vom Schnittpunkt P zur vorderen Endfläche des anderen Endabschnitts 43 entspricht. Die Länge L liegt in einem Bereich von 3 mm bis 5 mm.
Des Weiteren zeigt 4 bei diesem Ausführungsbeispiel den gebogenen Abschnitt 42 der Masseelektrode 40 vergrößert im Schnitt. Die mikroskopische Betrachtung der Schnittfläche zeigt die Kristallstruktur der die Masseelektrode 40 bildenden Metalle.
Bei diesem Ausführungsbeispiel beträgt der Mittelwert D der Kristallkorndurchmesser in der Dickenrichtung zumindest am gebogenen Abschnitt 42 der Masseelektrode 40 nicht weniger als 100 μm. Und zwar lassen sich entlang der durch die Linie B-B in 4 angegebenen Stelle eine Vielzahl von Kristallkörnern beobachten. Diese Vielzahl von Kristallkörner hat Korndurchmesser, deren Mittelwert D größer oder gleich 100 μm ist. Die Linie B-B entspricht einer Linie, die vom Schnittpunkt P ausgeht und den Biegewinkel θ in gleiche Winkelanteile aufteilt.
Der mittlere Korndurchmesser D lässt sich zum Beispiel mit Hilfe des folgenden Verfahrens ermitteln.
Zunächst wird die Masseelektrode 40 entlang der Längsachse durchschnitten, sodass eine blanke Schnittfläche gebildet wird, wie sie in 4 gezeigt ist. Dann wird die blanke Schnittfläche der Masseelektrode 40 mit einer Ätzflüssigkeit, etwa mit Oxalsäure behandelt, um die Korngrenzen sichtbar zu machen. Dann werden mit einem Mikroskop die Korndurchmesser der auf der behandelten Schnittfläche entlang der Linie B-B angeordneten Kristallkörner gemessen. Schließlich wird anhand der gemessenen Korndurchmesser dieser Kristallkörner der Mittelwert D der Kristallkorndurchmesser berechnet.
Indem an der Masseelektrode 40 eine Wärmebehandlung vorgenommen wird, die eine Rekristallisation hervorruft, ist es zum Beispiel möglich, in der Dickenrichtung zumindest am gebogenen Abschnitt 42 der Masseelektrode 40 Kristallkorndurchmesser mit einem Mittelwert D von nicht weniger als 100 μm zu erzielen. Wenn die Wärmebehandlungstemperatur hoch ist, ist der Mittelwert D der Kristallkorndurchmesser in der Dickenrichtung tendenziell größer.
Wie in 1 gezeigt ist, ist bei der Zündkerze S1 dieses Ausführungsbeispiels außerdem der Isolator 20 in dem Metallgehäuse 10 eingefügt. Das Metallgehäuse 10 hat einen an ihrem anderen Endabschnitt 10b ausgebildeten Verstemmungsabschnitt 12. Der Isolator 20 und das Metallgehäuse 10 werden miteinander durch Verformen des Verstemmungsabschnitts 12 verbunden.
Darüber hinaus befinden sich an diesem Verstemmungsabschnitt 12 zwischen dem Metallgehäuse 10 und dem Isolator 20 zwei Metallbauteile 60 und Talk 61, die zusammen den Zwischenraum zwischen dem Metallgehäuse 10 und dem Isolator 20 abdichten. Der Talk 61 befindet sich zwischen den beiden Metallringen 60.
Darüber hinaus hat der Isolator 20, wie in 1 gezeigt ist, einen Tonnenabschnitt 22, an dem der Durchmesser des Isolators 20 maximal ist. Und zwar befindet sich der Tonnenabschnitt 22 des Isolators 20 in dem Metallgehäuse 10 und bildet einen Stufenabschnitt mit maximalem Durchmesser.
Mit einem solchen Stufenabschnitt (d. h. Tonnenabschnitt 22) lässt sich der Verstemmungsvorgang effektiv durchführen, da die Metallbauteile 60 und das Talk 61 sicher zwischen dem Verstemmungsabschnitt 12 und dem Tonnenabschnitt 22 gehalten werden können.
Darüber hinaus hat der Isolator 20 im Metallgehäuse 10 einen von dem Tonnenabschnitt 22 zu dem einen Endabschnitt 20a verlaufenden Etagenabschnitt 23. Der Etagenabschnitt 23 hat einen kleineren Durchmesser als der Tonnenabschnitt 22. Mit anderen Worten gibt es zwischen dem Tonnenabschnitt 22 und dem Etagenabschnitt 23 eine Stufe (d. h. einen radialen Differenzbetrag).
Wie oben beschrieben wurde, weist der Isolator 20 den Tonnenabschnitt 22 auf, um die Verstemmung des Metallgehäuses 10 zu gewährleisten und um die Dichtungsbauteile stabil festzuhalten. Darüber hinaus ist der Durchmesser des Isolators 20 an dem neben dem Tonnenabschnitt 22 liegenden Etagenabschnitt 23, der zu dem einen Endabschnitt 20a des Isolators 20 (d. h. zum Funkenabgabeabschnitt) verläuft, dünner.
Darüber hinaus ist der andere Endabschnitt 30b der Mittelelektrode 30, wie in 1 gezeigt ist, in dem Axialloch 21 des Isolators 20 über ein elektrisch leitendes Glasdichtungsbauteil 70 elektrisch mit einem Widerstandselement 75 verbunden.
Darüber hinaus ist das Wiederstandselement 75, wie in 1 gezeigt ist, in dem Axialloch 21 nahe dem anderen Endabschnitt 20b des Isolators 20 über das elektrisch leitende Glasdichtungsbauteil 70 elektrisch mit einem Endabschnitt 80a einer Anschlusselektrode (d. h. einem Stiel) 80 verbunden.
Der andere Endabschnitt 80b der Anschlusselektrode 80 ragt aus dem anderen Endabschnitt 20b des Isolators 20 heraus. Mit dem anderen Endabschnitt 80b der Anschlusselektrode 80 ist eine (nicht gezeigte) Zündspule verbunden.
Abmessungszusammenhänge
Bei diesem Ausführungsbeispiel liegt die Querschnittsfläche S der Masseelektrode 40 in einem Bereich von nicht weniger als 2 mm² und nicht mehr als 3 mm² und beträgt der Mittelwert D der Kristallkorndurchmesser in der Dickenrichtung zumindest am gebogenen Abschnitt 42 der Masseelektrode 40 nicht weniger als 100 μm. Der Abmessungszusammenhang des oben beschriebenen Ausführungsbeispiels basiert auf den Untersuchungs- und Versuchsergebnissen des Erfinders.
Der Erfinder hat zunächst den Zusammenhang zwischen der Gemischeinströmgeschwindigkeit und dem Zündvermögen ermittelt. 5 zeigt schematisch den Zusammenhang zwischen der Gemischeinströmgeschwindigkeit V und dem Flammenkern K in einer Zündkerze. Wenn die Gemischeinströmgeschwindigkeit V hoch ist, besteht die Möglichkeit, dass der Flammenkern K die Masseelektrode 40 berührt und es zu einem Abschreckeffekt kommt. Das Zündvermögen vermindert sich.
Angesichts dessen hat der Erfinder den Zusammenhang zwischen der Gemischeinströmgeschwindigkeit V, der Querschnittsfläche S (siehe 2B) der Masseelektrode 40 und dem Zündvermögen analysiert. Dabei entsprach die Querschnittsfläche S der Masseelektrode 40 der Querschnittsfläche der Masseelektrode 40 in einem Abstand LA (siehe 2A) von 2 mm von der vorderen Endfläche des anderen Endabschnitts 43.
Der Erfinder untersuchte unter der Annahme einer Gemischeinströmgeschwindigkeit V, bei der sich das Zündvermögen am meisten verschlechtert, d. h. der Einströmgeschwindigkeit V, bei der der Flammenkern K mit der Masseelektrode 40 in Kontakt gebracht wurde, die Kühlenergie Q der Masseelektrode 40 (d. h. den Energieverlust, wenn der Flammenkern K durch die Masseelektrode 40 abgekühlt wird). Die 6 und 7 zeigen das Ergebnis dieser Untersuchung.
6 zeigt grafisch den Zusammenhang zwischen der Gemischeinströmgeschwindigkeit V und der Kühlenergie und 7 grafisch den Zusammenhang zwischen der Querschnittsfläche S der Glaselektrode 40 und der Kühlenergie. In den 6 und 7 wird die Kühlenergie als relatives Verhältnis, d. h. als Kühlenergieverhältnis ausgedrückt.
Wie in 6 gezeigt ist, zeigt der Flammenkern K die Tendenz, die Masseelektrode 40 zu berühren, wenn die Gemischeinströmgeschwindigkeit V groß ist, und nimmt dementsprechend die Kühlenergie Q zu. Mit anderen Worten ist die Wirkung des Kühlverlusts größer und das Zündvermögen geringer, wenn die Gemischeinströmgeschwindigkeit V zunimmt.
Bei herkömmlichen Motoren beträgt die Gemischeinströmgeschwindigkeit V ungefähr 5 m/s. In fortgeschritteneren Motoren beträgt die Gemischeinströmgeschwindigkeit V dagegen ungefähr 15 m/s. die Kühlenergie ist dann 1,5 Mal so groß wie der herkömmliche Wert.
Darüber hinaus nimmt die Kühlenergie, wie in 7 gezeigt ist, mit zunehmender Querschnittsfläche S der Masseelektrode 40 zu. Wenn die Querschnittsfläche S der Masseelektrode 40 weniger als 3 mm² beträgt, ist die Wirkung des Kühlverlusts geringer und kann dementsprechend das Zündvermögen hinlänglich sichergestellt werden.
Wenn die Masseelektrode 40 jedoch zu dünn ist, nimmt die Temperatur am vorderen Endabschnitt der Masseelektrode 40, d. h. am anderen Endabschnitt 43 stark auf bis zu ungefähr 1100°C zu.
Wenn die Temperatur mehr als 1100°C beträgt, kommt es am vorderen Endabschnitt der Masseelektrode 40 vor der im Funkenspalt 50 auftretenden regulären Zündung zu einer irregulären Zündung (d. h. zu einer sogenannten Vorzündung). Solche irregulären Zündungen können den Motor beschädigen.
Bei herkömmlichen Zündkerzen beträgt die Querschnittsfläche S der Masseelektrode 40 ungefähr 4,4 mm². In diesem Fall steigt die Vorderendentemperatur bei gewöhnlichen Motorbetriebsbedingungen auf maximal 1000°C. Was die Abmessungen der Masseelektrode 40 betrifft, beträgt die Dicke d 1,6 mm und die Breite w 2,8 mm (siehe 2B).
Der Erfinder hat den Zusammenhang zwischen der Querschnittsfläche S der Masseelektrode 40 und der Vorderendentemperatur der Masseelektrode 40 unter Verwendung des Finite-Elemente-Verfahrens anhand einer Temperaturanalyse ermittelt. 8 zeigt das Ergebnis dieser Untersuchung. Wie in 8 gezeigt ist, nimmt die Vorderendentemperatur der Masseelektrode 40 stark zu, wenn die Querschnittsfläche S der Masseelektrode 40 weniger als 2 mm² beträgt. Aus dem in dem 6 bis 8 gezeigten Untersuchungsergebnis ergibt sich, dass, wenn die Querschnittsfläche S der Masseelektrode 40 nicht weniger als 2 mm² und nicht mehr als 3 mm² beträgt, die Wirkung des Kühlverlustes aufgrund des Abschreckeffekts bei hohen Gemischeinströmgeschwindigkeiten vermindert und dementsprechend ein hohes Zündvermögen bewirkt werden kann, ohne dass es zu einem starken Temperaturanstieg der Masseelektrode 40 kommt. Das ist der Grund, warum die Querschnittsfläche S der Masseelektrode 40 bei diesem Ausführungsbeispiel auf nicht weniger als 2 mm² und nicht mehr als 3 mm² eingestellt wird.
Um bei der Masseelektrode 40 unter Hochtemperaturbedingungen, etwa in einem Temperaturniveau von mehr als 1000°C, Wärmebeständigkeitseigenschaften zu bewirken, ist es wie oben beschrieben wirksam, wenn die Masseelektrode 40 Ni oder Fe als Hauptbestandteil und Cr oder Al als Zusatz enthält.
Der Erfinder hat daher Untersuchungen bezüglich der Bruchwiderstandseigenschaften einer Masseelektrode 40 durchgeführt, die eine Querschnittsfläche S von 2,5 mm² (entspricht einer Dicke d = 1,15 mm und einer Breite w = 2,2 mm) hatte und als Material Ni-15 Gew.-% Cr-2,5 Gew.-% Al verwendete.
9 erläutert ein Verfahren zur Auswertung der Bruchwiderstandseigenschaften der Masseelektrode 40. Wie in 9 gezeigt ist, wird für eine beschleunigte Prüfung mit Hilfe eines Schwingers F (mit einer Prüfleistung von 10 G) eine große Kraft auf den gebogenen Abschnitt 42 aufgebracht. Obwohl die Länge L der Masseelektrode in der Praxis gewöhnlich in einem Bereich zwischen 3 mm und 5 mm liegt, wurde die Länge L der überprüften Masseelektrode auf 100 mm eingestellt. Darüber hinaus hatte die überprüfte Masseelektrode eine Höhe H von 6 mm.
Darüber hinaus wurde die Temperatur der Masseelektrode 40 in dem Bereich vom vorderen Endabschnitt 43 bis zum gebogenen Endabschnitt 42 mit Hilfe eines Gasbrenners auf 900°C erhöht, um Motorbetriebsbedingungen zu realisieren.
Dann wurde der eine Endabschnitt 41 der Masseelektrode 40, wie in 9 gezeigt ist, an dem Schwinger F befestigt. Durch Einstellen der Frequenz (z. B. 60 Hz) des Schwingers F wurde der vordere Endabschnitt 43 in Schwingungen versetzt, um so Brüche zu erzwingen.
Der Erfinder untersuchte die Bruchwiderstandseigenschaften der Masseelektrode 40, indem er am gebogenen Abschnitt 42 den Mittelwert D der Kristallkorndurchmesser in der Dickenrichtung änderte. Die Kristallkorndurchmesser lassen sich z. B. durch Einstellen der Wärmebehandlungsbedingungen ändern, um dann die Bruchwiderstandseigenschaften auswerten zu können.
Genauer gesagt erfolgte die Auswertung der Bruchwiderstandseigenschaften der Masseelektrode 40 bei Mittelwerten D der Kristallkorndurchmesser von 30 μm, 75 μm, 100 μm und 160 μm. Der Mittelwert D der Kristallkorndurchmesser der Masseelektrode 40 betrug ursprünglich 30 μm und erhöhte sich auf 75 μm, als die Masseelektrode 40 einer 30-minütigen Wärmebehandlung bei 850°C unterzogen wurde. Darüber hinaus erhöhten sich die Mittelwerte D der Kristallkorndurchmesser der Masseelektrode 40 auf 100 μm, als sie einer 30-minütigen Wärmebehandlung bei 900°C unterzogen wurde, und auf 160 μm, als sie einer 30-minütigen Wärmebehandlung bei 1000°C unterzogen wurde.
Die folgende Tabelle 1 zeigt das Auswertungsergebnis hinsichtlich der Bruchwiderstandseigenschaften der Masseelektrode 40. Und zwar gibt Tabelle 1 das Vorhandensein von Brüchen bezüglich des Mittelwerts D der Kristallkorndurchmesser in der Dickenrichtung des gebogenen Abschnitts 42 der Masseelektrode 40 an. In der Zeile ”Vorhandensein eines Bruchs” von Tabelle 1 steht das Zeichen X für das Vorhandensein von Brüchen und das Zeichen O für das Fehlen von Brüchen. Tabelle 1

D 30 75 100 160

Vorhandensein eines Bruchs X X O O
Wie in Tabelle 1 angegeben ist, kommt es zu keinem Bruch, wenn der Mittelwert D der Kristallkorndurchmesser in der Dickenrichtung am gebogenen Abschnitt 42 der Masseelektrode 40 nicht weniger als 100 μm beträgt.
Angesichts des obigen Auswertungsergebnisses kommt bei diesem Ausführungsbeispiel eine Wärmebehandlung zur Anwendung, welche die Temperatur der Masseelektrode 40 auf 900°C oder mehr erhöht, damit der Mittelwert D der Kristallkorndurchmesser in der Dickenrichtung zumindest am gebogenen Abschnitt 42 der Masseelektrode 40 größer oder gleich 100 μm wird.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist es erforderlich, dass die Bedingung, wonach der Mittelwert D der Kristallkorndurchmesser in der Dickenrichtung nicht weniger als 100 μm beträgt, zumindest an dem gebogenen Abschnitt 42 der Masseelektrode 40 erfüllt ist, der relativ schwach ist und zu Brüchen neigt. Es ist jedoch vorzuziehen, dass die obige Bedingung (D ≥ 100 μm) im gesamten Bereich der Masseelektrode 40 erfüllt ist. Dennoch ist es natürlich auch akzeptabel, wenn die obige Bedingung (D ≥ 100 μm) nur am gebogenen Abschnitt 42 erfüllt ist.
Wirkungen
Die Zündkerze S1 dieses Ausführungsbeispiels enthält das Metallgehäuse 10, das auf seiner Außenfläche den Befestigungsschraubenabschnitt 11 hat, damit sie über den Gewindeabschnitt 11 in einen Motor eingebaut werden kann. Der in dem Metallgehäuse 10 befestigte Isolator 20 hat den von dem einen Endabschnitt 10a des Metallgehäuses 10 vorragenden Endabschnitt 20a. Die in dem Axialloch 21 des Isolators 20 befestigte Mittelelektrode 30 hat den von dem einen Endabschnitt 20a des Isolators 20 vorragenden Endabschnitt 30a. Die Masseelektrode hat den am Metallgehäuse 10 befestigten Endabschnitt 41, den an ihrem mittleren Abschnitt gelegenen gebogenen Abschnitt 42 und den anderen Endabschnitt 43, der dem einen Endabschnitt 30a der Mittelelektrode 30 so gegenüberliegt, dass der Funkenspalt 50 gebildet wird.
Die Zündkerze S1 dieses Ausführungsbeispiels ist dadurch gekennzeichnet, dass die Masseelektrode 40 entweder Ni oder Fe als Hauptbestandteil und mindestens einen aus der aus der Cr und Al bestehenden Gruppe gewählten Zusatz enthält. Die Querschnittsfläche S der Masseelektrode 40 beträgt nicht weniger als 2 mm² und nicht mehr als 3 mm². Außerdem beträgt der Mittelwert D der Kristallkorndurchmesser in der Dickenrichtung zumindest am gebogenen Abschnitt 42 nicht weniger als 100 μm.
Da die Masseelektrode 40 entweder Ni oder Fe als Hauptbestandteil und mindestens einen aus der aus Cr und Al bestehenden Gruppe gewählten Zusatz enthält, kann die Zündkerze S1 dieses Ausführungsbeispiels also bei der Masseelektrode 40 hervorragende Wärmebeständigkeitseigenschaften und auch eine hinreichende Festigkeit bewirken.
Da die Querschnittsfläche S der Masseelektrode 40 nicht weniger als 2 mm² und nicht mehr als 3 mm² beträgt, kann die Zündkerze S1 dieses Ausführungsbeispiels außerdem ein hohes Zündvermögen bewirken, indem sie den Kühlverlust aufgrund des Abschreckeffekts bei hohen Gemischeinströmgeschwindigkeiten verringert, wobei sie auch verhindern kann, dass die Temperatur in der Masseelektrode 40 stark ansteigt.
Da der Mittelwert D der Kristallkorndurchmesser in der Dickenrichtung zumindest am gebogenen Abschnitt 42 der Masseelektrode 40 nicht weniger als 100 μm beträgt, kann die Zündkerze S1 dieses Ausführungsbeispiels außerdem bei harten Temperatur- und Schwingungsbedingungen während des Motorbetriebs Brüche der Masseelektrode 40 unterdrücken.
Wie oben beschrieben wurde, kann die Zündkerze S1 dieses Ausführungsbeispiels bei der Masseelektrode 40 auch dann, wenn die Masseelektrode 40 dünner gemacht wird, um bei hohen Gemischeinströmgeschwindigkeiten ein hohes Zündvermögen zu bewirken, zufriedenstellende Wärmebeständigkeitseigenschaften und Bruchwiderstandseigenschaften bewirken.
Darüber hinaus enthält die Masseelektrode 40 bei diesem Ausführungsbeispiel eine Menge von nicht weniger als 0,5 Gewicht-% und nicht mehr als 2 Gewicht-% Al und eine Menge von nicht weniger als 18 Gewicht-% und nicht mehr als 25 Gewicht-% Cr. Es ist auch vorzuziehen, dass die Masseelektrode 40 eine Menge von nicht weniger als 2 Gewicht-% und nicht mehr als 5 Gewicht-% Al enthält und eine Menge von nicht weniger als 10 Gewicht-% und nicht mehr als 18 Gewicht-% Cr enthält.
Wie oben beschrieben wurde, hat die Zugabe von sowohl Cr als auch Al jeweils die Wirkung, ausreichende Wärmebeständigkeitseigenschaften zu bewirken. Allerdings verschlechtert eine übermäßige Zugabe dieser Elemente die Bearbeitbarkeit der Masseelektrode 40, beispielsweise beim Bilden des Spaltes. So hat insbesondere die Menge des zugegebenen Al eine große Wirkung auf die Verarbeitbarkeit. Es ist daher vorzuziehen, dass die Masseelektrode die oben beschrieben Zusammensetzung hat, wenn die Wärmebeständigkeitseigenschaften und die Verarbeitbarkeit Berücksichtigung finden.
Darüber hinaus ist es bei diesem Ausführungsbeispiel vorzuziehen, dass die Masseelektrode 40 Seltenerdelemente wie Sc, Y und die Lanthanoiden enthält. Wenn die Masseelektrode 40 eine kleine Menge (z. B. 0,5 Gewicht-%) der Lanthanoiden oder anderer Seltenerdelemente enthält, können die Wärmebeständigkeitseigenschaften der Masseelektrode 40 verbessert werden.
Darüber hinaus ist es bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel vorzuziehen, dass der Biegewinkel θ (siehe 3) des gebogenen Abschnitts 42 der Masseelektrode 40 kleiner oder gleich 100° ist.
Dies basiert auf den Ergebnissen einer von dem Erfinder durchgeführten Untersuchung. Wenn der Biegewinkel θ groß ist, besteht die Tendenz, dass der Flammenkern K die Masseelektrode 40 berührt und es zum Abschreckeffekt kommt. Das Zündvermögen vermindert sich.
Der Erfinder hat die angesprochene Untersuchung auf Basis einer Masseelektrode 40 mit einer Querschnittsfläche S von 2,5 mm² (entspricht einer Masseelektrode mit einer Dicke d = 1,15 mm und einer Breite w = 2,2 mm) bei einer Gemischeinströmgeschwindigkeit V von 15 m/s durchgeführt. 10 zeigt das Ergebnis dieser Untersuchung.
10 zeigt grafisch den Zusammenhang zwischen dem oben angesprochenen Biegewinkel θ und der Kühlenergie. In 10 ist die Kühlenergie als relatives Verhältnis, d. h. als Kühlenergieverhältnis ausgedrückt.
Wie in 10 gezeigt ist, wird die Kühlenergie Q deutlich größer, wenn der Biegewinkel θ mehr als 100° beträgt. Es ist daher vorzuziehen, dass der Biegewinkel θ kleiner oder gleich 100° ist. Wird der Biegewinkel θ auf kleiner oder gleich 100° eingestellt, lässt sich ein hinreichendes Zündvermögen bewirken.
Wenn die Spaltbildung der Masseelektrode 40 unter einer übermäßigen Verringerung des Biegewinkels θ erfolgt, kann es in dem gebogenen Abschnitt 42 aufgrund einer zu starken Verformung zu Rissen kommen. Es ist daher wünschenswert, dass der Biegewinkel θ größer oder gleich 80° ist.
Zweites Ausführungsbeispiel
Es wird nun unter Bezugname auf die Zeichnungen, die zur Erläuterung des ersten Ausführungsbeispiels verwendet wurden, eine Zündkerze gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert. Im Folgenden werden ausführlich die Unterschiede zwischen dem ersten und dem zweiten Ausführungsbeispiel beschrieben.
Die Zündkerze des zweiten Ausführungsbeispiels enthält das Metallgehäuse 10, das auf seiner Außenfläche den Befestigungsschraubenabschnitt 11 hat, damit sie über den Befestigungsschraubenabschnitt 11 in einen Motor eingebaut werden kann. Der in dem Metallgehäuse 10 befestigte Isolator 20 hat den von dem einen Endabschnitt 10a des Metallgehäuses 10 vorragenden Endabschnitt 20a. Die im Axialloch 21 des Isolators 20 befestigte Mittelelektrode 30 hat den von dem einen Endabschnitt 20a des Isolators 20 vorragenden Endabschnitt 30a. Die Masseelektrode 40 hat den am Metallgehäuse 10 befestigten Endabschnitt 41, den an ihrem mittleren Abschnitt gelegenen gebogenen Abschnitt 42 und den anderen Endabschnitt 43, der dem einen Endabschnitt 30a der Mittelelektrode 30 so gegenüberliegt, dass der Funkenspalt 50 gebildet wird.
Die Zündkerze des zweiten Ausführungsbeispiels ist dadurch gekennzeichnet, dass die Masseelektrode 40 entweder Ni oder Fe als Hauptbestandteil und mindestens einen aus der aus Cr und Al bestehenden Gruppe gewählten Zusatz enthält. Die Querschnittsfläche S der Masseelektrode 40 beträgt nicht weniger als 2 mm² und nicht mehr als 3 mm². Der Mittelwert D der Kristallkorndurchmesser in der Dickenrichtung beträgt nicht mehr als 50 μm. Außerdem beträgt die Höhe H des gebogenen Abschnitts 42 von dem einen Endabschnitt 10a des Metallgehäuses 10 aus nicht weniger als 4 mm und nicht mehr als 6,5 mm.
Da die Masseelektrode 40 entweder Ni oder Fe als Hauptbestandteil und mindestens einen aus der aus Cr und Al bestehenden Gruppe gewählten Zusatz enthält und die Querschnittsfläche S der Masseelektrode 40 nicht weniger als 2 mm² und nicht mehr als 3 mm² beträgt, bringt die Zündkerze des zweiten Ausführungsbeispiels im Wesentlichen die gleiche Funktionsweise und Wirkungen wie die Zündkerze S1 des ersten Ausführungsbeispiels mit sich.
Darüber hinaus erfüllt die Masseelektrode 40 bei der Zündkerze des zweiten Ausführungsbeispiels die Bedingung, dass zwar der Mittelwert D der Kristallkorndurchmesser in der Dickenrichtung nicht mehr als 50 μm beträgt, dass aber die Höhe H des gebogenen Abschnitts 42 von dem einen Endabschnitt 10a des Metallgehäuses 10 aus nicht weniger als 4 mm und nicht mehr als 6,5 mm beträgt.
Der oben beschriebene Bereich der Höhe H basiert auf dem Ergebnis einer vom Erfinder durchgeführten Untersuchung.
Hinsichtlich der Kristallkorndurchmesser der Masseelektrode 40 in der Dickenrichtung ist im ursprünglichen Zustand ein kleinerer Mittelwert D akzeptabel, sofern der Mittelwert D später aufgrund einer Rekristallisation am gebogenen Abschnitt 42, der während des Motorbetriebs erhitzt wird, auf den erforderlichen Wert, also auf 100 μm oder mehr erhöht werden kann. Tatsächlich treten Brüche der Masseelektrode 40 unter Hochgeschwindigkeits- und Hochlastmotorbetriebsbedingungen auf. Unter solchen harten Bedingungen hat die Masseelektrode 40 eine hohe Temperatur.
Der Erfinder führte daher gemäß dem Finite-Elemente-Verfahren mit der oben beschriebenen Höhe H als variablem Parameter die folgende Untersuchung durch.
Wie oben beschrieben wurde, muss, um das Auftreten einer Vorzündung zu unterdrücken, verhindert werden, dass die Temperatur des vorderen Endabschnitts 43 der Messeelektrode 40 (d. h. die Vorderendentemperatur) 1100°C überschreitet. Die Masseelektrode 40 hat im Allgemeinen bei einer größeren Länge L oder einer kleineren Querschnittsfläche S schlechte Wärmeableitungseigenschaften, weswegen die Vorderendentemperatur tendenziell ansteigt.
Der Erfinder führte die Untersuchung auf Basis einer Zündkerze gemäß diesem Ausführungsbeispiels durch, die eine Länge L von 5 mm und eine Querschnittsfläche S von 2 mm² Hatte. (Dies sind repräsentative Abmessungen, die zu einem harten Temperaturanstieg am Vorderende der Masseelektrode führen.) 11 zeigt das Ergebnis dieser Untersuchung.
11 zeigt grafisch den Zusammenhang zwischen der Höhe H und der Vorderendentemperatur der Masseelektrode. Wie in 11 gezeigt ist, nimmt die Vorderendentemperatur der Masseelektrode zu, wenn die Höhe H größer wird. Wenn die Höhe H kleiner oder gleich 6,5 mm ist, bleibt die Vorderendentemperatur unter 1100°C.
Wenn die Temperatur des gebogenen Abschnitts 42 (d. h. die Biegeabschnittstemperatur) größer oder gleich 900°C ist, kommt es am gebogenen Abschnitt 42 der Masseelektrode 40 zu einer Rekristallisation und ist es dementsprechend möglich, den Mittelwert D der Kristallkorndurchmesser in der Dickenrichtung am gebogenen Abschnitt 42 auf nicht weniger als 100 μm einzustellen. Wenn die Länge L kürzer oder die Querschnittsfläche S größer ist, hat die Masseelektrode 40 hervorragende Wärmeableitungseigenschaften und nimmt dementsprechend die Biegeabschnittstemperatur nicht so sehr zu.
Der Erfinder hat daher die Untersuchung auf Basis einer Zündkerze gemäß diesem Ausführungsbeispiels durchgeführt, die eine Länge L von 3 mm und eine Querschnittsfläche S von 3 mm² hatte (Dies sind repräsentative Abmessungen, die am Vorderende der Masseelektrode keinen harten Temperaturanstieg verursachen.) 12 zeigt das Ergebnis dieser Untersuchung.
12 zeigt grafisch den Zusammenhang zwischen der Höhe H und der Biegeabschnittstemperatur der Masseelektrode. Wie in 12 gezeigt ist, nimmt die Biegeabschnittstemperatur der Masseelektrode ab, wenn die Höhe H kleiner ist. Wenn die Höhe H größer oder gleich 4 mm ist, überschreitet die Biegeabschnittstemperatur 900°C.
Wie aus den in diesen 11 und 12 gezeigten Ergebnissen hervorgeht, stellt dieses Ausführungsbeispiel die Höhe H des gebogenen Abschnitts 42 von dem einen Endabschnitt 10a des Metallgehäuses 10 aus auf nicht weniger als 4 mm und nicht mehr als 6,5 mm ein.
Wird die Höhe H innerhalb des oben beschriebenen Bereichs eingestellt, lässt sich der Temperaturanstieg in der Masseelektrode 40 hinreichend unterdrücken und lässt sich außerdem der Mittelwert D der Kristallkorndurchmesser in der Dickenrichtung während des Motorbetriebs auf 100 μm oder mehr erhöhen.
Und zwar kommt es bei der Zündkerze des zweiten Ausführungsbeispiels, das die Höhe H wie oben beschrieben einstellt, am gebogenen Abschnitt 42 auch dann, wenn die ursprünglichen Kristallkorndurchmesser klein sind, zu einer Rekristallisation, wenn die Zündkerze unter Hochtemperatur-Motorbetriebsbedingungen verwendet wird, und werden die Kristallkorndurchmesser dementsprechend ausreichend größer, so dass hervorragende Bruchwiderstandseigenschaften bewirkt werden. Die Zündkerze des zweiten Ausführungsbeispiels kann daher ausreichende Bruchwiderstandseigenschaften bewirken.
Wie oben beschrieben wurde, kann das zweite Ausführungsbeispiel eine Zündkerze zur Verfügung stellen, die bei der Masseelektrode 40 auch dann, wenn die Masseelektrode 40 dünner gemacht wird, um bei hohen Gemischeinströmgeschwindigkeiten ein hohes Zündvermögen zu bewirken, zufriedenstellende Wärmebeständigkeitseigenschaften und Bruchwiderstandseigenschaften bewirken.
Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel sind die ursprünglichen Kristallkorndurchmesser der Masseelektrode 40 nicht größer als 50 μm. Da die Temperatur des vom gebogenen Abschnitt 42 der Masseelektrode 40 zum Metallgehäuse 10 reichenden Bereichs verhältnismäßig gering ist, ist es unter dem Gesichtspunkt der Festigkeit wünschenswert, in diesem Bereich kleinere Kristallkorndurchmesser zu haben.
Drittes Ausführungsbeispiel
Unter Bezugname auf die Zeichnungen, die zur Erläuterung des ersten Ausführungsbeispiels verwendet wurden, wird nun eine Zündkerze gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert. Im Folgenden werden ausführlich die Unterschiede zwischen dem ersten und dritten Ausführungsbeispiel erläutert.
Die Zündkerze des dritten Ausführungsbeispiels enthält das Metallgehäuse 10, das auf seiner Außenfläche mit dem Befestigungsschraubenabschnitt 11 versehen ist, damit sie über den Gewindebefestigungsabschnitt 11 in einen Motor eingebaut werden kann. Der in dem Metallgehäuse 10 befestigte Isolator 20 hat den von dem einen Endabschnitt 10a des Metallgehäuses 10 vorragenden Endabschnitt 20a. Die im Axialloch 21 Isolators 20 befestigte Mittelelektrode hat den von dem einen Endabschnitt 20a des Isolators 20 vorragenden Endabschnitts 30a. Die Masseelektrode 40 hat den am Metallgehäuse 10 befestigten Endabschnitt 41, den an ihrem mittleren Abschnitt gelegenen gebogenen Abschnitt 42 und den anderen Endabschnitt 43, der den einen Endabschnitt 30a der Mittelelektrode 30 so gegenüberliegt, dass der Funkenspalt 50 gebildet wird.
Die Zündkerze des dritten Ausführungsbeispiels ist dadurch gekennzeichnet, dass die Masseelektrode 40 entweder Ni oder Fe als Hauptbestandteil und mindestens einen aus der aus Cr und Al bestehenden Gruppe gewählten Zusatz enthält. Die Querschnittsfläche S der Masseelektrode 40 beträgt nicht weniger als 2 mm² und nicht mehr als 3 mm². Außerdem beträgt der Mittelwert D der Kristallkorndurchmesser in der Dickenrichtung nicht mehr als 50 μm.
Darüber hinaus ist die Zündkerze des dritten Ausführungsbeispiels dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelwert D der Kristallkorndurchmesser in der Dickenrichtung zumindest am gebogenen Abschnitt 42 der Masseelektrode 40 größer oder gleich 100 μm wird, wenn diese Zündkerze 10 Stunden lang oder länger in einem Motor mit 2000 ccm Hubraum unter der Bedingung eingesetzt wird, dass die Drehzahl 5600 U/min beträgt und die Drossel voll geöffnet ist.
Da die Masseelektrode 40 entweder Ni oder Fe als Hauptbestandteil und mindestens einen aus der aus Cr und Al bestehenden Gruppe gewählten Zusatz enthält und die Querschnittsfläche S der Masseelektrode 40 nicht weniger als 2 mm² und nicht mehr als 3 mm² beträgt, bringt die Zündkerze des dritten Ausführungsbeispiels im Wesentlichen die gleiche Funktionsweise und Wirkungen wie die Zündkerze S1 des ersten Ausführungsbeispiels mit sich.
Darüber hinaus beträgt zwar bei der Zündkerze des dritten Ausführungsbeispiels der Mittelwert D der Kristallkorndurchmesser in der Dickenrichtung nicht mehr als 50 μm, doch erfüllt die Masseelektrode 40 die Bedingung, dass der Mittelwert D der Kristallkorndurchmesser in der Dickenrichtung zumindest am gebogenen Abschnitt 42 der Masseelektrode 40 größer oder gleich 100 μm wird, wenn die Zündkerze 10 Stunden lang oder länger in einem Motor mit 2000 ccm Hubraum unter der Bedingung eingesetzt wird, dass die Drehzahl 5600 U/min beträgt und die Drossel voll geöffnet ist.
Dieser Aufbau lässt sich zum Beispiel durch den oben beschriebenen Aufbau des zweiten Ausführungsbeispiels realisieren, das die Höhe H einstellt. Abgesehen davon können die oben beschriebenen Verwendungsbedingungen dieses Ausführungsbeispiels nach dem Versand der Zündkerze realisiert werden, da die Zündkerze in der Praxis sowieso im Motor eingesetzt wird. Ersatzweise ist es auch möglich, die oben beschriebenen Verwendungsbedingungen vor dem Versand der Zündkerze zu realisieren, indem eine geeignete Anlage vorbereitet wird, um solche Bedingungen bei der Herstellung der Zündkerze zu realisieren.
Kurz gesagt werden bei dem dritten Ausführungsbeispiel die Kristallkorndurchmesser des gebogenen Abschnitts 42, wenn die Motorbetriebsbedingungen in der Praxis zu einer harten Wärmebelastung führen, die in der Masseelektrode zu Brüchen führen kann, durch Rekristallisation hinreichend größer. Die Zündkerze des dritten Ausführungsbeispiels kann demnach hervorragende Bruchwiderstandseigenschaften bewirken.
Wie oben beschrieben wurde, kann das dritte Ausführungsbeispiel eine Zündkerze zur Verfügung stellen, die bei der Masseelektrode 40 auch dann, wenn die Masseelektrode 40 dünner gemacht wird, um bei hohen Gemischeinströmgeschwindigkeiten ein hohes Zündvermögen zu bewirken, zufriedenstellende Wärmebeständigkeitseigenschaften und Bruchwiderstandseigenschaften bewirken.
Weitere Ausführungsbeispiele
Bei der Erfindung ist es vorzuziehen, dass die Masseelektrode 40 der Zündkerze ein Kernmaterial aus Cu hat, um ihre Wärmeableitungseigenschaften zu verbessern.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele beziehen sich zwar auf eine Zündkerze, bei der die Masseelektrode 40 dünner gemacht wird, um bei hohen Gemischeinströmgeschwindigkeiten ein hohes Zündvermögen zu bewirken, und bei der der Befestigungsschraubenabschnitt 11 der Zündkerze eine geringe Größe von M10 oder weniger hat, sodass eine dünnere Masseelektrode verwendet werden kann, doch versteht es sich von selbst, dass die erfindungsgemäße Zündkerze auch einen Befestigungsschraubenabschnitt 11 haben kann, der größer als M10 ist.

Claims

Zündkerze, mit: einem Metallgehäuse (10), das auf seiner Außenfläche einen Befestigungsschraubenabschnitt (11) hat, um über den Befestigungsschraubenabschnitt (11) in einen Motor eingebaut zu werden; einen in dem Metallgehäuse (10) befestigten Isolator (20), von dem ein Endabschnitt (20a) von einem Endabschnitt (10a) des Metallgehäuses (10) vorragt; einer in einem Axialloch (21) des Isolators (20) befestigten Mittelelektrode (30), von der ein Endabschnitt (30a) von dem einen Endabschnitt (20a) des Isolators (20) vorragt; und einer Masseelektrode (40), die einen am Metallgehäuse (10) befestigten Endabschnitt (41), einen an einem mittleren Abschnitt von ihr gelegenen gebogenen Abschnitt (42) und einen anderen Endabschnitt (43) hat, der dem einen Endabschnitt (30a) der Mittelelektrode (30) so gegenüberliegt, dass ein Funkenspalt (50) gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Masseelektrode (40) entweder Ni oder Fe als Hauptbestandteil und mindestens einen aus der aus Cr und Al bestehenden Gruppe gewählten Zusatz enthält, die Querschnittsfläche (S) der Masseelektrode (40) nicht weniger als 2 mm² und nicht mehr als 3 mm² beträgt und die Masseelektrode (40) eine derartige Gestaltung hat, dass der Mittelwert (D) der Kristallkorndurchmesser in Dickenrichtung ursprünglich nicht mehr als 50 μm beträgt und wenn an der Masseelektrode (40) eine Wärmebehandlung von 30 Minuten bei 900°C oder mehr vorgenommen wird, die eine Rekristallisation hervorruft, zumindest am gebogenen Abschnitt (42) der Masseelektrode (40) der Mittelwert (D) der Kristallkorndurchmesser in Dickenrichtung größer oder gleich 100 μm wird.
Zündkerze nach Anspruch 1, bei der die Höhe (H) des gebogenen Abschnitts (42) von dem einen Endabschnitt (10a) des Metallgehäuses (10) aus nicht weniger als 4 mm und nicht mehr als 6,5 mm beträgt, wobei die Höhe (H) des gebogenen Abschnitts (42) so definiert ist, dass sie dem Abstand des einen Endabschnitts (10a) des Metallgehäuses (10) zu einem Schnittpunkt (P) zwischen ersten und zweiten gedachten Linien (L1, L2) entspricht, die erste gedachte Linie (L1) durch die Mitten erster und zweiter gedachter Kreise (A1, A2) geht, wobei der erste gedachte Kreis (A1) eine vordere Endfläche des anderen Endabschnitts (43) der Masseelektrode (40), eine dem Funkenspalt (50) zugewandte Seitenfläche des anderen Endabschnitts (43) der Masseelektrode (40) und eine vom Funkenspalt (50) weggewandte Seitenfläche des anderen Endabschnitts (43) der Masseelektrode (40) berührt und der zweite gedachte Kreis (A2) den ersten gedachten Kreis (A1), die dem Funkenspalt (50) zugewandte Seitenfläche des anderen Endabschnitts (43) der Masseelektrode (40) und die vom Funkenspalt weggewandte Seitenfläche des anderen Endabschnitts (43) der Masseelektrode (40) berührt, und die zweite gedachte Linie (L2) durch die Mitten dritter und vierter gedachter Kreise (B1, B2) geht, wobei der dritte gedachte Kreis (B1) eine Grenzfläche zwischen der Masseelektrode (40) und dem Metallgehäuse (10), eine dem Funkenspalt (50) zugewandte Seitenfläche des einen Endabschnitts (41) der Masseelektrode (40) und eine vom Funkenspalt (50) weggewandte Seitenfläche des einen Endabschnitts (41) der Masseelektrode (40) berührt und der vierte gedachte Kreis (B2) den dritten gedachten Kreis (B1), die dem Funkenspalt (50) zugewandte Seitenfläche des einen Endabschnitts (41) der Masseelektrode (40) und die vom Funkenspalt weggewandte Seitenfläche des einen Endabschnitts (41) der Masseelektrode (40) berührt.
Zündkerze nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Masseelektrode (40) eine Menge von nicht weniger als 0,5 Gewicht-% und nicht mehr als 2 Gewicht-% Al enthält und eine Menge von nicht weniger als 18 Gewicht-% und nicht mehr als 25 Gewicht-% Cr enthält.
Zündkerze nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Masseelektrode (40) eine Menge von nicht weniger als 2 Gewicht-% und nicht mehr als 5 Gewicht-% Al enthält und eine Menge von nicht weniger als 10 Gewicht-% und nicht mehr als 18 Gewicht-% Cr enthält.
Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Masseelektrode (40) ein Seltenerdelement enthält.
Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der der Biegewinkel (θ) des gebogenen Abschnitts (42) kleiner oder gleich 100° ist.
Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der der Befestigungsschraubenabschnitt (11) nach japanischem Industriestandard eine Größe von M10 oder weniger hat.