DE102011077279A1

DE102011077279A1 - Elektrode für eine Zündkerze sowie Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102011077279A1
Application number: DE201110077279
Authority: DE
Inventors: Thomas Kretschmar; Andreas Benz; Jochen Fischer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-06-09
Filing date: 2011-06-09
Publication date: 2012-12-13
Also published as: EP2719037A1; US20140203701A1; JP2014519169A; JP5965997B2; WO2012167972A1; US9263856B2; CN103582985A; CN103582985B; ES2552519T3; EP2719037B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektrode für eine Zündkerze, umfassend ein Elektrodengrundmaterial (4) und ein Edelmetallelement (5; 50), wobei das Edelmetallelement (5; 50) mittels einer Schweißverbindung (6; 60) am Elektrodengrundmaterial (4) befestigt ist, wobei die Schweißverbindung eine maximale Ausdehnung (T) senkrecht zu einer Fläche (20) der Elektrode, an der das Edelmetallelement befestigt ist, aufweist und die Schweißverbindung eine maximale Breite (B) an der Fläche (20) aufweist, und wobei ein Verhältnis der maximalen Ausdehnung (T) zur maximalen Breite (B) größer oder gleich 3 ist.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrode für eine Zündkerze sowie ein Verfahren zu deren Herstellung, wobei eine hervorragende Dauerhaltbarkeit eines Edelmetallelements auf einem Elektrodengrundmaterial bereitgestellt wird.
Aus der DE 102 05 078 A1 ist eine Elektrode für eine Zündkerze bekannt, bei welcher ein Edelmetallplättchen auf ein Grundmaterial der Elektrode mittels Laserschweißen aufgeschweißt ist. Hierbei entsteht ein großer Schmelzabschnitt aus miteinander verschmolzenen Materialien der Grundelektrode und des Edelmetallplättchens von mehr als 50 Vol.-% des Edelmetallplättchens. Hierdurch ist es notwendig, eine große Menge an teurem Edelmetall zur Herstellung der Elektrode zu verwenden. Dies führt jedoch zu hohen Herstellkosten der Elektrode.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Elektrode mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine Menge an Edelmetall für die Elektrode signifikant reduziert werden kann. Erfindungsgemäß wird nun eine Schweißverbindung zwischen dem Edelmetallelement und einem Elektrodengrundmaterial erzeugt, welche ein Verhältnis einer maximalen Tiefe T der Schweißverbindung senkrecht zu einer Oberfläche der Elektrode zu einer maximalen Breite B der Schweißverbindung an der Elektrodenoberfläche aufweist, welches größer oder gleich 3 ist (T/B ≥ 3). Durch Einhalten dieses Verhältnisses bei der Schweißnaht zwischen Edelmetallelement und Elektrodengrundmaterial wird sichergestellt, dass die Schweißnaht nicht zu groß wird und zu viel Material des Edelmetallelements in einem Schmelzabschnitt der Schweißverbindung verbraucht wird. Dadurch können Elektroden für Zündkerzen hergestellt werden, welche trotz Verwendung kleinerer Edelmetallelemente trotzdem ausreichend Edelmetall an der Elektrode bereitstellen. Hierdurch kann die Dauerhaltbarkeit der Elektrode signifikant verbessert werden.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Vorzugsweise sind 50 Vol.-% oder weniger des Edelmetallmaterials mit dem Elektrodengrundmaterial in der Schweißnaht verschmolzen. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Schweißnaht nicht übermäßig dick wird und ausreichend Edelmetallmaterial für eine lange Dauerhaltbarkeit der Zündkerze vorhanden ist.
Besonders bevorzugt ist ein Volumen des Edelmetallelements vor dem Verschweißen in einem Bereich von 0,015 bis 0,2 mm³, vorzugsweise zwischen 0,075 bis 0,15 mm³ und weiter bevorzugt ungefähr 0,1 mm³.
Eine besonders gute Dauerhaltbarkeit der erfindungsgemäßen Elektrode wird erreicht, wenn das Edelmetallelement eine Kugel ist. Die Kugel weist vorzugsweise einen Durchmesser von 0,3 bis 0,75 mm, vorzugsweise 0,4 bis 0,6 mm, und weiter bevorzugt ungefähr 0,5 mm auf.
Alternativ ist das Edelmetallelement ein Edelmetallplättchen, vorzugsweise mit einer zylindrischen Form mit einem Durchmesser zwischen 0,4 bis 2,6 mm. Für Fahrzeugmotoren liegt der Durchmesser vorzugsweise zwischen 0,4 bis 0,8 mm, vorzugsweise 0,5 bis 0,7 mm und besonders bevorzugt ungefähr 0,6 mm. Für stationäre Gasmotoren liegt der Durchmesser vorzugsweise zwischen 2,2 bis 2,6 mm und ist bevorzugt ungefähr 2,4 mm. Eine Dicke des Edelmetallplättchens ist vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0,2 bis 0,7 mm, vorzugsweise 0,25 bis 0,6 mm, und besonders bevorzugt ungefähr 0,3 mm. Für Fahrzeugmotoren ist die Dicke vorzugsweise ungefähr 0,3 mm, für stationäre Gasmotoren vorzugsweise ungefähr 0,6 mm.
Besonders bevorzugt ist die Schweißnaht im Wesentlichen senkrecht zu einer Elektrodenoberfläche vorgesehen. Alternativ ist die Schweißnaht in einem Winkel zur Elektrodenoberfläche, vorzugsweise in einem Winkel von 0° bis 60° vorgesehen (hier bitte bevorzugte Winkelmaße, wenn möglich, einfügen).
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Schweißnaht ohne Unterbrechung am äußeren Umfang des Edelmetallelements gebildet. Weiter bevorzugt ist eine maximalen Breite der Schweißnaht in einem Bereich von 0,1 bis 0,3 mm, und besonders bevorzugt ca. 0,2 mm. Eine maximale Tiefe ist vorzugsweise in einem Bereich von 0,3 bis 0,9 mm und besonders bevorzugt 0,6 mm.
Weiter bevorzugt betrifft die Erfindung eine Zündkerze mit einer erfindungsgemäßen Elektrode sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode, wobei in einem ersten Schritt ein Elektrodengrundmaterial bereitgestellt wird und ein Edelmetallelement auf einer Oberfläche des Elektrodengrundmaterials angeordnet wird. Anschließend wird das Edelmetallelement auf das Elektrodengrundmaterial derart aufgeschweißt, dass ein Aspektverhältnis einer Tiefe T der Schweißverbindung zu einer an der Außenseite vorhandenen Breite B der Schweißverbindung ≥ 3 ist. Das Schweißen erfolgt dabei besonders bevorzugt mittels eines Lasers, insbesondere eines Faserlasers. Weiter bevorzugt wird vom Edelmetallelement ein Anteil von 50 Vol.-% oder weniger verschweißt, so dass noch ausreichend reines Edelmetall am Edelmetallelement vorhanden ist, so dass die Dauerhaltbarkeit der Elektrode sehr gut ist, ohne dass eine zu große Menge von teuerem Edelmetall verwendet werden muss.
Zeichnung
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
1 eine schematische, teilweise geschnittene Seitenansicht eines brennraumseitigen Endes einer Zündkerze gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2 eine schematische Teildraufsicht auf die Masseelektrode von 1,
3 eine schematische Schnittansicht der Masseelektrode von 1,
4 eine schematische Schnittansicht einer Masseelektrode gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
5 eine schematische Schnittansicht einer Masseelektrode gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
6 eine schematische Schnittansicht einer Masseelektrode gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 eine Elektrode für eine Zündkerze 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
Wie aus der schematischen Ansicht von 1 ersichtlich ist, umfasst die Zündkerze 1 eine Masseelektrode 2 und eine Mittelelektrode 3, welche in einer Mittelachse X-X der Zündkerze angeordnet ist. In diesem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die erfindungsgemäße Elektrode die Masseelektrode 2. Es sei jedoch angemerkt, dass die erfindungsgemäße Elektrode auch die Mittelelektrode 3 sein kann oder beide Elektroden in erfindungsgemäßer Weise ausgeführt sein können.
Wie aus 1 ersichtlich ist, weist die Masseelektrode 2 eine Fläche 20 auf, welche zur anderen Elektrode gerichtet ist und dabei senkrecht zur Mittelachse X-X angeordnet ist. Die Mittelelektrode 3 weist eine Fläche 30 auf, welche zur Masseelektrode gerichtet ist und ebenfalls senkrecht zur Mittelachse X-X ausgerichtet ist.
Die Masseelektrode 2 umfasst ein Elektrodengrundmaterial 4 aus einem Material, welches kein Edelmetall enthält, beispielsweise eine Nickellegierung. Ferner umfasst die Masseelektrode 2 ein Edelmetallelement 5, welches mittels einer Schweißverbindung 6 am Elektrodengrundmaterial 4 befestigt ist. Das Edelmetallelement 5 ist in diesem Ausführungsbeispiel eine Kugel und die Schweißverbindung 6 ist ringförmig um die Kugel herum ausgebildet, wie in 2 gezeigt.
Wie in der Vergrößerung von 3 ersichtlich ist, ist die Schweißverbindung 6 derart ausgebildet, dass die Schweißverbindung 6 in axialer Richtung X-X eine maximale Tiefe T, d.h. maximale Ausdehnung der Schweißnaht parallel zur Mittelachse X-X, aufweist. Parallel zur Fläche 20 weist die Schweißverbindung 6 ferner eine maximale Breite B an der Oberfläche auf (vergleiche auch 2). Die Breite B der Schweißverbindung 6 ist definiert als maximale Länge der Schweißnaht in einer radialen Richtung von der Mittelachse X-X der Zündkerze an der Oberfläche der Schweißverbindung 6. Die Schweißverbindung 6 dieses Ausführungsbeispiels ist mittels eines Faserlasers hergestellt, so dass eine hohe Strahlqualität sichergestellt ist, um die Schweißverbindung 6 möglichst homogen herzustellen. Für die Schweißverbindung 6 wird dabei sowohl Material des Edelmetallelements 5 als auch des Elektrodengrundmaterials 4 aufgeschmolzen und das miteinander verschmolzene Material bildet dann die Schweißverbindung 6. Ein Aspektverhältnis einer maximalen Ausdehnung der Schweißverbindung 6 in axialer Richtung X-X zu einer maximalen Breite B parallel zur Fläche 20 ist dabei größer oder gleich 3 (T/B ≥ 3). Wie aus 3 deutlich wird, wird dabei weniger als 50% des Volumens des Edelmetallelements 50 in die Schweißverbindung 6 eingebunden. Hierdurch bleibt ein großes Edelmetallvolumen (in diesem Ausführungsbeispiel mehr als 80%) vorhanden, wodurch eine sehr hohe Dauerhaltbarkeit der Zündkerze bei minimalem Einsatz von Edelmetall erhalten wird. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine maximale Breite B 0,2 mm und eine maximale Ausdehnung in Axialrichtung X-X 0,7 mm, so dass ein Aspektverhältnis von 3,5 erhalten wird (0,7/0,2 = 3,5).
Der Schweißvorgang zur Befestigung des Edelmetallelements 5 am Elektronengrundmaterial 4 wird dabei in einem Schritt vorgenommen, bevor die Masseelektrode 2 um 90° umgebogen wird. Ein ursprünglicher Durchmesser des kugelförmigen Edelmetallelements war dabei 0,5 mm. Für das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit insbesondere die Verwendung eines Faserlasers, dass eine sehr exakte Schweißnaht mit sehr konstanter Breite und sehr konstanter Ausdehnung in axialer Richtung X-X der Zündkerze erhalten werden kann. Alternativ kann statt eines Faserlasers auch ein anderer Laser zum Schweißen verwendet werden.
Somit zeigt die vorliegende Erfindung auf überraschend einfache Weise einen Weg, wie Edelmetall bei Zündkerzen eingespart werden kann, ohne dass dadurch eine Dauerhaltbarkeit der Zündkerze reduziert wird. Durch die Einsparung von Edelmetall kann dabei insbesondere eine Herstellung der Zündkerze signifikant verbilligt werden. Da es sich bei Zündkerzen um Massenbauteile handelt, ergeben sich hierdurch große Einsparpotentiale. Es sei weiter angemerkt, dass die Dauerhaltbarkeit der Zündkerze weiter verbessert werden kann, wenn sowohl die Masseelektrode 2 als auch die Mittelelektrode 3 ein gemäß der erfindungsgemäßen Definition des Aspektverhältnisses von ≥ 3 angeschweißtes Edelmetallelement aufweist.
Die 4 bis 6 zeigen alternative Ausgestaltungen der Erfindung, wobei gleiche bzw. funktional gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel bezeichnet sind.
4 zeigt die Verwendung eines Plättchens aus Edelmetall als Edelmetallelement 50. Das Edelmetallplättchen ist als kleinerer Zylinder gebildet und mittels einer Schweißverbindung 6 an das Elektrodengrundmaterial 4 angeschweißt. Während beim ersten Ausführungsbeispiel in den 1 bis 3 ungefähr eine Tiefe der Schweißnaht in axialer Richtung X-X die axiale Ausdehnung der Schweißverbindung definierte, ist beim zweiten Ausführungsbeispiel die axiale Ausbreitung der Schweißnaht 6 zum großen Teil am seitlichen Umfangsrand des Edelmetallelements 50 gebildet. Auch dieses Aspektverhältnis der maximalen Tiefe T zur maximalen Breite B an der Oberfläche der Elektrode ist größer oder gleich 3.
Im dritten Ausführungsbeispiel von 5 wird wie beim zweiten Ausführungsbeispiel als Edelmetallelement 50 ein Edelmetallplättchen verwendet. Allerdings ist die Hauptschweißrichtung beim dritten Ausführungsbeispiel nicht mehr wie beim zweiten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen parallel zur Mittelachse X-X, sondern in einem Winkel α von ca. 40° gewählt. Hierdurch wird eine trichterförmige Schweißverbindung 6 erhalten, welche teilweise unterhalb des Edelmetallelements 50 liegt. Auch bei dieser Schweißverbindung 6 ist ein Aspektverhältnis T/B ≥ 3, wobei die Breite B der Schweißverbindung 6 durch eine Projektion der maximalen radial zur Mittelachse X-X gerichteten Ausbreitung der Schweißnaht 6 an der Oberfläche gegeben ist.
6 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei das Edelmetallelement 5, welches ursprünglich auch eine Kugel war, von einer entgegengesetzten Gegenseite 21 an der Masseelektrode 2 her geschweißt ist. Hierdurch ergibt sich einerseits keine ringförmige Schweißnaht, wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen, sondern eine im Wesentlichen zylindrische Schweißnaht, welche von der Gegenseite 21 bis zu einem Fußbereich des Edelmetallelements 5 reicht. Dabei ist die Schweißverbindung 60 derart ausgeführt, dass sie nicht aus dem Edelmetallelement 5 an der zur Mittelelektrode gerichteten Fläche 20 austritt. Somit ergibt sich eine besonders große Fläche des Edelmetallelements 5, welche zur Mittelelektrode gerichtet ist.
Die Schweißverbindung 60 dieses Ausführungsbeispiels ist in der Mittelachse X-X der Zündkerze ausgebildet und läuft leicht konisch in Richtung zum Edelmetallelement 5 zu. Eine Breite B des vierten Ausführungsbeispiels entspricht dabei einem Durchmesser der Schweißverbindung 60 an der Gegenseite 21. Eine in Richtung der Mittelachse X-X verlaufende Ausdehnung der Schweißverbindung 60 entspricht dabei der Tiefe T der Schweißverbindung in der Masseelektrode 2. Neben dem vorher erwähnten Vorteil, dass die gesamte zur anderen Elektrode gerichtete Fläche des Edelmetallelements 5 am Funkenerzeugungsbereich der Zündkerze zur Verfügung steht, weist das vierte Ausführungsbeispiel ferner den Vorteil auf, dass eine punktförmige Verschweißung möglich ist, so dass ein Anlagenaufwand für die Schweißanlage deutlich reduziert werden kann, da keine Relativbewegungen zwischen der Elektrode und der Schweißvorrichtung notwendig sind.
Somit kann erfindungsgemäß eine verbesserte Elektrode für Zündkerzen bereitgestellt werden, welche trotz geringerem Edelmetalleinsatz eine sehr hohe Dauerhaltbarkeit aufweist. Auch kann erfindungsgemäß sichergestellt werden, dass eine Schweißnaht relativ klein gehalten wird. Insbesondere ist es erfindungsgemäß möglich, dass Edelmetallelemente mit einem Volumen im Bereich von 0,015 bis 0,2 mm³ aufschweißbar sind, wobei 50% oder weniger des Edelmetallvolumens mit dem Elektrodengrundmaterial verschmolzen werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10205078 A1 [0002]

Claims

Elektrode für eine Zündkerze, umfassend – ein Elektrodengrundmaterial (4) und – ein Edelmetallelement (5; 50), – wobei das Edelmetallelement (5; 50) mittels einer Schweißverbindung (6; 60) am Elektrodengrundmaterial (4) befestigt ist, – wobei die Schweißverbindung eine maximale Ausdehnung (T) senkrecht zu einer Fläche (20) der Elektrode, an der das Edelmetallelement befestigt ist, aufweist und die Schweißverbindung eine maximale Breite (B) an der Fläche (20) aufweist, und – wobei ein Verhältnis der maximalen Ausdehnung (T) zur maximalen Breite (B) größer oder gleich 3 ist.
Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass 50 Vol.-% oder weniger des Materials des Edelmetallelements (5; 50) mit dem Elektrodengrundmaterial (4) in der Schweißverbindung (6; 60) verschmolzen ist.
Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Volumen des Edelmetallelements (50) zwischen 0,015 bis 0,2 mm³ liegt und insbesondere ca. 0,1 mm³ ist.
Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Edelmetallelement (5) eine Kugel ist.
Elektrode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Edelmetallelement (5) einen Durchmesser zwischen 0,3 bis 0,75 mm, insbesondere 0,4 bis 0,6 mm und weiter insbesondere ungefähr 0,5 mm aufweist.
Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Edelmetallelement (50) ein Edelmetallplättchen mit einem Durchmesser von 0,4 bis 0,8 mm, insbesondere 0,5 bis 0,7 mm, und weiter insbesondere ungefähr 0,6 mm ist und/oder eine Dicke in einem Bereich von 0,2 bis 0,4 mm, insbesondere ungefähr 0,3 mm, aufweist.
Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißnaht (6; 60) im Wesentlichen senkrecht zu einer Elektrodenoberfläche (20) ist.
Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißnaht in einem Winkel (α) zur Elektrodenoberfläche (20) gebildet ist.
Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Schweißverbindung (6) ohne Unterbrechung am äußeren Umfang des Edelmetallelements (5; 50) gebildet ist oder – dass die Schweißverbindung (60) von einer zur Fläche (20) entgegengerichteten Gegenseite (21) der Elektrode eingebracht ist und das Edelmetallelement (5) an einer zum Elektrodengrundmaterial (4) gerichteten Seite des Edelmetallelements (5) fixiert.
Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Breite der Schweißverbindung zwischen 0,1 bis 0,3 mm liegt und/oder eine Tiefe der Schweißverbindung zwischen 0,3 bis 0,9 mm liegt.
Zündkerze, umfassend wenigstens eine Elektrode, insbesondere zwei Elektroden (2, 3), nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zur Herstellung einer Elektrode (2), umfassend die Schritte: – Bereitstellen eines Elektrodengrundmaterials (4), – Anordnen eines Edelmetallelements (5; 50) auf dem Elektrodengrundmaterial (4) und – Anschweißen des Edelmetallelements (5; 50) auf das Elektrodengrundmaterial (4) derart, dass eine Schweißnaht mit einem Verhältnis einer maximalen Ausdehnung (T) der Schweißnaht senkrecht zu einer Elektrodenoberfläche (20) zu einer maximalen Breite (B) der Schweißnaht an der Oberfläche (20) der Elektrode die Gleichung T/B ≥ 3 erfüllt.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass 50 Vol.-% oder weniger des Materials des Edelmetallelements (5; 50) mit dem Elektrodengrundmaterial (4) zur Schweißnaht (6) verschmolzen werden.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Schweißen mittels eines Lasers, insbesondere eines Faserlasers, erfolgt.