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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zündkerzenmasseelektrode mit mehrschichtigem Aufbau sowie ein Verfahren zur Herstellung der Zündkerzenmasseelektrode und eine Zündkerze, umfassend zumindest eine Zündkerzenmasseelektrode.
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Aus dem Stand der Technik sind Masseelektroden mit Edelmetallarmierung zur Verschleißreduzierung bekannt. Das Edelmetall wird dabei auf die Masseelektrode aufgesetzt und durch Widerstand- oder Laserschweißen befestigt oder mit dem Masseelektrodenwerkstoff zu einer Legierung verschmolzen. Diese vorbekannten Zündkerzenmasseelektroden bzw. die vorbekannten Zündkerzen eignen sich in der Fahrzeugtechnik für eine Laufleistung bis 100.000 km.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Zündkerzenmasseelektrode gemäß Patentanspruch 1 bzw. das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Patentanspruch 7 ermöglichen die Schaffung einer Zündkerze, insbesondere zur Verwendung in Stationärmotoren, deren Verschleißfestigkeit auch bei Betrieb mit Sondergasen, beispielsweise Deponiegas, eine Standzeit von mehr als 2000 Stunden ermöglicht. Erfindungsgemäß wird der verschleißresistente, mit Edelmetall versehene Bereich vergrößert. Des Weiteren reduziert sich die Wärmespannung der eingeschweißten Armierung, da deren Anbindung nicht direkt mit dem Masseelektrodenwerkstoff ausgestaltet ist. Erfindungsgemäß befindet sich zwischen der Armierungsschicht und der Basis aus Masseelektrodenwerkstoff eine Legierungsschicht, wodurch die Wärmeausdehnungskoeffizienten der in Berührung stehenden Schichten der Zündkerzenmasseelektrode angenähert werden. Nach einem gewissen Verschleiß an der erfindungsgemäßen Zündkerzenmasseelektrode bilden sich Kanten in der Verschleißzone durch unterschiedlichen Abtrag, hervorgerufen durch unterschiedliche Edelmetallgehalte in den verschiedenen Schichten. An diesen Kanten erhöht sich die elektrische Feldstärke, wodurch die Überschlagsspannung reduziert und dadurch zusätzlich der Funkenerosionsverschleiß verringert wird. All diese Vorteile werden erreicht durch die erfindungsgemäße Zündkerzenmasseelektrode mit mehrschichtigem Aufbau, umfassend eine Basis aus Masseelektrodenwerkstoff, eine in einen Bereich der Basis eingeschmolzene Legierungsschicht aus einem ersten Edelmetall und einem Teil des Masseelektrodenwerkstoffs, und eine in die Legierungsschicht eingeprägte und angeschweißte Armierungsschicht aus einem zweiten Edelmetall.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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In bevorzugter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Armierungsschicht ausschließlich mit der Legierungsschicht in Berührung steht. Das zweite Edelmetall der Armierungsschicht ist somit in die Legierung aus dem ersten Edelmetall und dem Masseelektrodenwerkstoff eingebettet. Die Armierungsschicht wird mittels der Legierungsschicht in die Basis und somit in die Zündkerzenmasseelektrode integriert. Die Wärmeausdehnungskoeffizienten der unterschiedlichen Materialien an den Schichtübergängen sind somit im Wesentlichen aneinander angeglichen, wodurch letztendlich die Wärmespannung im eingeschweißten Armierungsabschnitt reduziert wird.
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Ferner bevorzugt ist es, dass die Legierungsschicht von der Basis umgeben ist, wobei die Oberfläche einer Seite der Zündkerzenmasseelektrode durch die Basis und die Legierungsschicht und die Armierungsschicht gebildet ist. Diese eine Seite der Zündkerzenmasseelektrode liegt bevorzugt innerhalb der Zündkerze der Mittelelektrode gegenüber und wird deshalb als Arbeitsseite bezeichnet. Da die Arbeitsseite alle drei Schichten aus verschiedenen Materialien aufweist, wird sie unterschiedlich stark verschlissen, wodurch an den Übergängen von Armierungsschicht zu Legierungsschicht und von Legierungsschicht zur Basis Kanten entstehen. An diesen Kanten erhöht sich die elektrische Feldstärke, wodurch die Überschlagsspannung reduziert wird und folglich zusätzliche Funkenerosion verringert wird.
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Bevorzugt ist die Armierungsschicht auf der Oberfläche mittig angeordnet und die Legierungsschicht umgibt die Armierungsschicht ringförmig. Die Legierungsschicht und die Armierungsschicht sind, betrachtet mach die Arbeitsseite der Zündkerzenmasseelektrode in Draufsicht, bevorzugt rund oder oval ausgestaltet. Die Legierungsschicht ist dabei bevorzugt etwas länger und/oder breiter als die Armierungsschicht, so dass die Armierungsschicht vollständig von der Legierungsschicht umgeben ist.
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Des Weiteren ist es von Vorteil, dass das erste Edelmetall gleich oder ungleich dem zweiten Edelmetall ist, wobei das erste Edelmetall und/oder das zweite Edelmetall Platin und/oder Iridium und/oder Rhodium und/oder Ruthenium und/oder Rhenium und/oder Palladium umfasst. Das erste und/oder zweite Edelmetall kann also wiederum selbst aus einer Legierung bestehen, wobei als Basis für die Legierung bevorzugt Platin oder Iridium verwendet wird. Bevorzugter Masseelektrodenwerkstoff ist eine Ni-Legierung.
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Die Erfindung umfasst des Weiteren eine Zündkerze, umfassend zumindest eine soeben beschriebene Zündkerzenmasseelektrode, wobei die Zündkerze insbesondere zur Verwendung in gasbetriebenen Stationärmotoren ausgebildet ist. In besonders vorteilhafter Anwendung kommt die Zündkerze in Stationärmotoren, welche mit Sondergasen, insbesondere Deponiegasen, betrieben werden, zur Anwendung. Alternativ bevorzugt ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Zündkerze in Ottomotoren, insbesondere für Kraftfahrzeuge.
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Ferner umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Zündkerzenmasseelektrode mit mehrschichtigem Aufbau, umfassend die folgenden Schritte: Bereitstellen einer Basis aus Masseelektrodenwerkstoff, Einprägen eines ersten Drahtabschnitts aus einem ersten Edelmetall in die Basis, Aufschmelzen des ersten Drahtabschnitts, so dass eine Legierungsschicht aus dem ersten Edelmetall und einem Teil des Masseelektrodenwerkstoffs entsteht, Einprägen eines zweiten Drahtabschnitts aus einem zweiten Edelmetall in die Legierungsschicht, und Verschweißen des zweiten Drahtabschnitts mit der Legierungsschicht, so dass eine Armierungsschicht entsteht. Somit wird in die Basis aus Masseelektrodenwerkstoff ein erster Drahtabschnitt einlegiert. Dabei wird der erste Drahtabschnitt in die Masseelektrode eingeprägt und vollständig aufgeschmolzen. Es ergibt sich eine Legierungszone, bestehend aus dem ersten Edelmetall und einem Teil des Masseelektrodenwerkstoffs. Anschließend wird in diese Legierungszone bzw. in diese Legierungsschicht ein zweiter Drahtabschnitt eingepresst und angeschweißt.
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In bevorzugter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der erste Drahtabschnitt mit einem Laser aufgeschmolzen und/oder der zweite Drahtabschnitt mit einem Laser angeschweißt.
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In weiterer bevorzugter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der erste Drahtabschnitt vollständig aufgeschmolzen wird und/oder der zweite Drahtabschnitt lediglich an seiner Kontaktfläche zur Legierungsschicht für die Verschweißung angeschmolzen wird. Durch das vollständige Aufschmelzen des ersten Drahtabschnitts erreicht man eine möglichst große Legierungsschicht, in welche dann der zweite Drahtabschnitt eingeprägt werden kann. Der zweite Drahtabschnitt wird bevorzugt nur an seiner Kontaktfläche zur Legierungsschicht angeschmolzen und somit mit dieser verschweißt. Dadurch bleibt der Großteil des zweiten Edelmetalls der Armierungsschicht erhalten und bildet somit die verschleißresistenteste Schicht der Zündkerzenmasseelektrode.
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Des Weiteren ist es von Vorteil, dass der zweite Drahtabschnitt rückseitig angeschweißt wird, wobei die zum Schweißen benötigte Energie auf einer dem zweiten Drahtabschnitt gegenüberliegenden Seite der Zündkerzenmasseelektrode eingebracht wird. Der zweite Drahtabschnitt wird somit auf der Arbeitsseite der Zündkerzenmasseelektrode in die Legierungsschicht eingeprägt, wobei die Energie zum Schweißen auf einer der Arbeitsseite gegenüberliegenden Seite der Zündkerzenmasseelektrode eingebracht wird. Hierzu wird bevorzugt ein geregeltes Laserschweißverfahren verwendet.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Nachfolgend werden drei Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
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1 einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Zündkerzenmasseelektrode gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
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2 eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße Zündkerzenmasseelektrode gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
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3 eine rückseitige Verschweißung einer Armierungsschicht in der erfindungsgemäßen Zündkerzenmasseelektrode gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
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4 die erfindungsgemäße Zündkerzenmasseelektrode gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel nach Verschleiß,
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5 eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße Zündkerzenmasseelektrode gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, und
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6 eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße Zündkerzenmasseelektrode gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Im Folgenden wird anhand der 1 bis 4 eine erfindungsgemäße Zündkerzenmasseelektrode 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben.
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1 zeigt einen kompletten Querschnitt der Zündkerzenmasseelektrode 1 mit Basis 2, Legierungsschicht 3 und Armierungsschicht 4. Beim Einbau der Zündkerzenmasseelektrode 1 in eine Zündkerze liegt eine Arbeitsseite 5 der Zündkerzenmasseelektrode 1 einer Mittelelektrode gegenüber. Die der Arbeitsseite 5 gegenüberliegende Seite der Zündkerzenmasseelektrode 1 ist als Rückseite 6 bzw. gegenüberliegende Seite bezeichnet.
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Die 1 zeigt, wie die Legierungsschicht 3 in die Basis 2 eingebettet ist. Die Armierungsschicht 4 wiederum ist in die Legierungsschicht 3 eingebettet. Die Armierungsschicht 4 steht somit lediglich in Berührung mit der Legierungsschicht 3. Darüber hinaus ist die Oberfläche der Arbeitsseite 5, in dem unverschlissenen Zustand gemäß 1, plan und umfasst den reinen Masseelektrodenwerkstoff der Basis 2, die Legierung aus erstem Edelmetall und einem Teil des Masseelektrodenwerkstoffs in der Legierungsschicht 3 sowie das zweite Edelmetall in der Armierungsschicht 4.
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2 zeigt eine Draufsicht auf die Arbeitsseite 5 der Zündkerzenmasseelektrode 1. Dabei ist gut zu sehen, wie die Armierungsschicht 4 kreisförmig mit einem ersten Durchmesser D1 ausgebildet ist und mittig in der Zündkerzenmasseelektrode 1 liegt. Die Armierungsschicht 4 wird durch die ringförmige Legierungsschicht 3 mit zweitem Durchmesser D2 umfasst. Der erste Durchmesser D1 der Armierungsschicht 4 ist dabei kleiner als der zweite Durchmesser D2 der Legierungsschicht 3. Darüber hinaus sitzt die Armierungsschicht 4 mittig in der Legierungsschicht 3 und ist somit vollständig von der Legierungsschicht 3 umgeben. Dabei sind die Legierungsschicht 3 und die Armierungsschicht 4 konzentrisch zueinander mit gemeinsamen Mittelpunkt M, welcher mittig an der Zündkerzenmasseelektrode 1 angeordnet ist.
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Die 3 zeigt einen Herstellungsschritt der Zündkerzenmasseelektrode 1. Vor dem in 3 dargestellten Herstellungsschritt wurde ein erster Drahtabschnitt in die Basis 2 eingeprägt und komplett aufgeschmolzen, wodurch die Legierungsschicht 3 entstand. In diese Legierungsschicht 3 wiederum wurde ein zweiter Draht bestehend aus einem zweiten Edelmetall in die Legierungsschicht 3 eingeprägt. 3 zeigt nun das rückseitige Anschweißen der Armierungsschicht 4 mittels des Lasers 8. Die Energie des Lasers 8 wird auf der Rückseite 6 der Zündkerzenmasseelektrode 1 eingebracht, wodurch ein Wärme-/Energieeintrag 7 entsteht. Dieser Wärme-/Energieeintrag 7 bewirkt ein rückseitiges Anschweißen der Armierungsschicht 4 an die Legierungsschicht 3.
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4 zeigt die Zündkerzenmasseelektrode 1 nach einem gewissen Verschleiß. Aufgrund der verschiedenen Materialien der Basis 2, der Legierungsschicht 3 und der Armierungsschicht 4 werden diese Schichten unterschiedlich stark verschlissen. Dadurch entsteht die erste Kante 9 um den gesamten Umfang der Legierungsschicht 3 am Übergang von der Legierungsschicht 3 zur Basis 2. Durch einen etwas geringeren Verschleiß der Armierungsschicht 4 entsteht eine zweite Kante 10, umlaufend um die Armierungsschicht 4, am Übergang von Armierungsschicht 4 zu Legierungsschicht 3. In diesem Ausführungsbeispiel ergeben sich jeweils kreisförmige Kanten 9, 10 mit vorzugsweise gleicher Kantenhöhe.
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Die 5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gleiche bzw. funktional gleiche Bauteile sind in allen Ausführungsbeispielen mit den gleichen Bezugzeichen gekennzeichnet.
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5 zeigt eine Draufsicht auf die Arbeitsseite 5 der Zündkerzenmasseelektrode 1. Dabei ist gut zu sehen, wie die Armierungsschicht 4 rechteckig ausgebildet ist und mittig in der Zündkerzenmasseelektrode 1 liegt. Die Armierungsschicht 4 wird durch die ebenfalls rechteckig ausgebildete Legierungsschicht 3 umfasst. Die Armierungsschicht 4 sitzt mittig in der Legierungsschicht 3 und ist somit vollständig von der Legierungsschicht 3 umgeben.
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Die 6 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gleiche bzw. funktional gleiche Bauteile sind in allen Ausführungsbeispielen mit den gleichen Bezugzeichen gekennzeichnet.
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6 zeigt eine Draufsicht auf die Arbeitsseite 5 der Zündkerzenmasseelektrode 1. Dabei ist gut zu sehen, wie die Armierungsschicht 4 rechteckig ausgebildet ist und mittig in der Zündkerzenmasseelektrode 1 liegt. Die Armierungsschicht 4 ist an drei Seiten durch die Legierungsschicht 3 umgeben. Dabei bleibt lediglich eine kurze Breitseite der Armierungsschicht 4 im direkten Kontakt mit der Basis 2.
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Anhand dieser Ausführungsbeispiele ist gut zu sehen, wie die Wärmespannung in der Armierungsschicht 4 reduziert werden kann, indem sich der Wärmeausdehnungskoeffizient an den verschiedenen Schichtgrenzen nur geringfügig ändert. Durch Bildung der ersten Kante 9 und der zweiten Kante 10 findet eine Erhöhung der elektrischen Feldstärke statt, die die Überschlagspannung reduziert und folglich den funkenerosiven Verschleiß verringert. Somit ist durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Zündkerzenmasseelektrode 1 die Herstellung einer Zündkerze mit erheblich erhöhter Stand- bzw. Laufzeit möglich. Besonders vorteilhaft wird diese Zündkerzenmasseelektrode 1 in Stationärmotoren, insbesondere in Gasmotoren zur Verwendung für Sondergas, verwendet.
