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Die Erfindung betrifft eine Zündkerze und ein Verfahren zu ihrer Herstellung, welche einen Innenleiter, einen den Innenleiter umgebenden Isolator, einen den Isolator umgebenden Zündkerzenkörper und zwei einen Zündspalt bildende Elektroden enthält, wobei eine erste Elektrode eine elektrisch leitend mit dem Innenleiter verbundene Mittelelektrode und eine zweite Elektrode eine elektrisch leitend mit dem Zündkerzenkörper verbundene Masseelektrode ist, und wobei wenigstens eine der Elektroden einen Elektrodenkörper aufweist, auf welchem ein den Abbrand der Elektrode verminderndes Armierungsbauteil mittels Widerstandsschweißen befestigt wird, welches den Zündspalt begrenzt und zwei Schichten aufweist, von denen eine erste Schicht eine dem Elektrodenkörper zugewandte Basisschicht und eine zweite Schicht eine dem Zündspalt zugewandte Edelmetallschicht ist.
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Aus der
EP 2 012 397 A2 ist eine Zündkerze dieser Art und ein Verfahren zu ihrer Herstellung bekannt. Das Armierungsbauteil wird hergestellt, indem ein Edelmetallformteil mit dem stumpfen Ende eines drahtförmigen Halbzeugs zunächst durch elektrisches Widerstandsschweißen vorläufig verschweißt wird. Anschließend wird die Verbindungszone mit einem Laser aufgeschmolzen, so dass in der Verbindungszone eine Legierung ausgebildet wird, welche aus den Bestandteilen der Werkstoffe des Formteils und des drahtförmigen Halbzeugs besteht. Anschließend wird ein Verbundteil, welches aus dem Formteil, der Verbindungszone und einem Zwischenstück aus dem Halbzeug besteht, vom Halbzeug abgetrennt. Dieses Verbundteil wird als Armierungsbauteil auf eine Masseelektrode einer Zündkerze aufgeschweißt. Das Formteil wird auf ein Zwischenstück aus einem Werkstoff geschweißt, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient nicht oder allenfalls unwesentlich vom thermischen Ausdehnungskoeffizienten der unedlen Masseelektrode abweicht.
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Eine Zündkerze der eingangs genannten Art und ein Verfahren zu ihrer Herstellung ist auch in der
JP 2005-203110 A offenbart, bei welchem ebenfalls ein Edelmetallbauteil durch Laserschweißen mit einem Zwischenstück verbunden und anschließend durch Widerstandsschweißen auf eine Masseelektrode aufgeschweißt wird. Das Edelmetallbauteil und das Zwischenstück werden an ihrer Berührfläche durch einen Laserstrahl bis in die Tiefe aufgeschmolzen, so dass in der Verbindungszone eine Legierung aus den beiden Materialen gebildet wird. Der Elektrodengrundkörper kann aus demselben Material wie das Zwischenstück bestehen, so dass kein Unterschied im Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Zwischenstück und dem Elektrodenkörper besteht und durch Widerstandsschweißen eine stabile Verbindung der beiden erreichbar ist.
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In der
EP 2 738 890 A1 ist eine plattierte Elektrode für eine Zündkerze und ein Herstellungsverfahren dafür offenbart, welche als Mittelelektrode oder Masseelektrode verwendbar ist und aus einer Edelmetallspitze und einem Basismaterial, mit welchem die Edelmetallspitze verbunden ist, besteht. Ein Verbindungsbereich zwischen der Edelmetallspitze und dem Basismaterial ist im Wesentlichen eben und es wird eine 5 μm bis 100 μm dicke Diffusionsschicht in dem Verbindungsbereich der plattierten Elektrode gebildet. Die plattierte Elektrode wird hergestellt, indem eine säulenförmige Edelmetallspitze mit kreisförmigem Querschnitt auf eine Oberfläche des Basismaterials aufgesetzt und damit durch Widerstandsschweißen vorläufig verbunden wird. Anschließend wird ein Teil, in welchem das Basismaterial und die Edelmetallspitze integriert sind, ausgestanzt. Dann wird durch eine Wärmebehandlung eine Diffusionsverbindung des Basismaterials und der Edelmetallspitze hergestellt.
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Die bekannten Armierungsbauteile werden jeweils einzeln hergestellt. Dies verursacht einen hohen Aufwand bei der Herstellung und der anschließenden Handhabung der vielen kleinen Armierungsbauteile bei Transport und Lagerung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellung einer Zündkerze der eingangs genannten Art zu vereinfachen.
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Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine, insbesondere dadurch hergestellte, Zündkerze mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Für das Armierungsbauteil wird als Halbzeug ein Band verwendet, welches zwei Schichten aufweist, von denen eine erste Schicht eine Basisschicht und eine zweite Schicht eine Edelmetallschicht ist. Die Basisschicht kann aus einer korrosions- und wärmebeständigen Legierung, beispielsweise mit den Hauptkomponenten Nickel, Chrom und/oder Eisen, insbesondere einer Nickelbasislegierung, beispielsweise mit der Werkstoff-Nr. 2.4816 (auch bekannt unter dem Markennamen INCONEL 600), bestehen. Die Edelmetallschicht kann aus einem abbrandbeständigen Edelmetall, beispielsweise Platin oder Iridium, oder einer abbrandbeständigen Edelmetalllegierung, insbesondere einer Platin-Iridium-Legierung, beispielsweise Ptlr20, bestehen. Die Basisschicht und die Edelmetallschicht verlaufen in Längsrichtung des Bandes und sind durch Walzplattieren stoffschlüssig miteinander verbunden. Beim Walzplattieren wird ein Strang für die Basisschicht und ein Strang für die Edelmetallschicht zusammengeführt und durch ein Paar aus aneinandergepressten Walzen hindurchgeführt. Verfahren zur Walzplattierung sind an sich bekannt, beispielsweise aus der
DE 10 2008 036 435 B4 .
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Erfindungsgemäß wird bei der Herstellung der Zündkerze ein Abschnitt des Bandes abgetrennt, beispielsweise durch einen Stanz- oder Schneidvorgang. Dieser Abschnitt des Bandes wird anschließend als Armierungsbauteil auf dem Elektrodenkörper in der gewünschten Position positioniert und dort mittels Widerstandsschweißen fixiert. Der Elektrodenkörper kann aus einer ähnlichen oder derselben Legierung wie die Basisschicht bestehen, insbesondere ist eine Nickelbasislegierung mit der Werkstoff-Nr. 2.4851 (auch bekannt unter dem Markennamen INCONEL 601) geeignet. Beim Abtrennen der Armierungsbauteile entstehen an jedem Armierungsbauteil zwei Trennflächen, die sich gegenüberliegen. Das Armierungsbauteil weist in Draufsicht auf seine Edelmetallschicht eine rechteckige Außenkontur auf, welche insbesondere durch zwei einander gegenüberliegende Trennflächen und zwei einander gegenüberliegende Seitenflächen des Bandes gebildet wird.
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Die Erfindung hat wesentliche Vorteile:
- • Durch die Verwendung eines praktisch endlosen Bandes als Halbzeug für das Armierungsbauteil wird der Herstellungs- und Handhabungsaufwand verringert. Das Band lässt sich in Rollenform anliefern und handhaben, was wesentlich einfacher ist als eine Handhabung einer großen Stückzahl von sehr kleinen Armierungsbauteilen. Das Armierungsbauteil wird bevorzugt erst kurz vor dem Aufschweißen von dem Band abgetrennt.
- • Die Herstellung des Bandes mit seiner Basisschicht und seiner Edelmetallschicht durch Walzplattieren ist weit weniger aufwendig als die aus dem Stand der Technik bekannte Vorgehensweise, einzelne Edelmetallformteile auf einem Zwischenmaterial zu befestigen. Durch das Walzplattieren lässt sich im Verbindungsbereich von Edelmetall- und Basisschicht ein sehr günstiges metallisches Gefüge erreichen, welches nicht versprödet und auch bei der starken Temperatur-Wechselbeanspruchung im Motor eine dauerhaft sichere Verbindung gewährleistet. Abplatzungen der Armierung werden dadurch verhindert.
- • Die für ein einzelnes Armierungsbauteil bzw. für eine fertige Zündkerze benötigte Menge an Edelmetallen lässt sich stark reduzieren. Dies senkt die Materialkosten bei der Herstellung erheblich. Beim eingangs beschriebenen Stand der Technik werden zunächst Edelmetallformteile hergestellt. Diese müssen, um handhabbar zu sein, eine gewisse Mindestdicke aufweisen, auch um eine gewisse Stabilität aufzuweisen. Dies ist bei der vorliegenden Erfindung nicht mehr erforderlich, da die Stabilität des Bandes und auch des davon abgeschnittenen Armierungsbauteils durch die Basisschicht aus preiswertem Material erreicht wird. Die auf der Basisschicht angebrachte Edelmetallschicht kann so dünn gewählt werden, dass ihre Dicke den Abbrand der Elektrode im gewünschten Ausmaß vermindert. Eine Eigenstabilität braucht die Edelmetallschicht nicht aufzuweisen. Die Dicke der Edelmetallschicht kann auch auf ein Maß begrenzt werden, um welches sich der Zündspalt während der Lebensdauer der Zündkerze vergrößern darf, da, insbesondere bei Zündkerzen, bei denen sich die Größe des Zündspalts nicht nachstellen lässt, die Zündkerze bei Erreichen der maximal zulässigen Zündspaltgröße ausgetauscht wird.
- • Das Material der Basisschicht kann so gewählt werden, dass das Armierungsbauteil allein durch Widerstandsschweißen auf dem Elektrodenkörper fixiert werden kann. Werden sehr ähnliche Werkstoffe für die Basisschicht des Armierungsbauteils und den Elektrodenkörper verwendet, kann auch mit einer Widerstandsschweißung eine sehr haltbare Verbindung gewährleistet werden, welche sogar haltbarer ist als eine Laserschweißung, bei der ein Edelmetallbauteil ohne Zwischenschicht auf einen Elektrodenkörper aufgeschweißt wird.
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In Ausgestaltung der Erfindung kann das verwendete Band eine von der Edelmetallschicht gebildete Oberseite und eine von der Basisschicht gebildete Unterseite aufweisen, wobei auf der Unterseite zwei langgestreckte Erhebungen angeordnet sind, die voneinander beabstandet sind und in Längsrichtung des Bandes verlaufen. Das verwendete Armierungsbauteil kann eine von der Edelmetallschicht gebildete Oberseite und eine von der Basisschicht gebildete Unterseite aufweisen, wobei auf der Unterseite zwei langgestreckte Erhebungen angeordnet sind, die voneinander beabstandet sind und parallel zueinander verlaufen. Die Oberseite und/oder die Unterseite kann eben sein. Die Breite des Bandes bzw. des Armierungsbauteils kann zwischen 0,5 mm und 5 mm liegen. Die Dicke des Bandes bzw. des Armierungsbauteils kann von 0,2 mm bis 1 mm betragen. Die Breite der Erhebungen und die Höhe der Erhebungen über der Unterseite können 1/50 bis 1/10 der Breite des Bandes bzw. des Armierungsbauteils betragen.
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Das Armierungsbauteil kann vollflächig mit dem Elektrodenkörper verschweißt werden. Es kann aber auch nur mit einem Teil seiner Unterseite mit dem Elektrodenkörper verschweißt werden, so dass ein anderer Teil seiner Unterseite über eine Außenfläche des Elektrodenkörpers übersteht. Beim Befestigen des Armierungsbauteils auf dem Elektrodenkörper durch Widerstandsschweißen haben die beiden Erhebungen die Vorteile, dass durch sie sehr leicht erkennbar ist, mit welcher Seite das Armierungsbauteil auf den Elektrodenkörper zu schweißen ist, so dass Fehler beim Aufschweißen vermieden werden; dass sie eine definierte Auflage des Armierungsbauteils auf dem Elektrodenkörper gewährleisten; und dass durch sie ein definierter Anfangsstrom zum Anschmelzen der Werkstoffe der Basisschicht und des Elektrodenköpers entsteht und somit eine Stromregulierung beim Widerstandsschweißen erreicht wird. Dies ermöglicht ein einfaches Widerstandsschweißen und sichert zudem eine qualitativ hochwertige Schweißverbindung.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung beträgt die Dicke der Edelmetallschicht des Armierungsbauteils bzw. des Bandes weniger als die Hälfte der Gesamtdicke des Armierungsbauteils bzw. des Bandes. Insbesondere beträgt die Dicke der Edelmetallschicht zwischen 1/4 und 1/3 der Gesamtdicke des Armierungsbauteils bzw. des Bandes. Der Wärmeausdehnungskoeffizient des Materials der Basisschicht des Armierungsbauteils, gemessen bei etwa 100°C, kann sich von dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Materials des Elektrodenkörpers um nicht mehr als 1·10–6 1/K, insbesondere um nicht mehr als 0,5·10–6 1/K, unterscheiden. Hierdurch lässt sich eine besonders gute und sehr feste Verbindung beim Widerstandsschweißen erreichen. Das Armierungsbauteil kann auf den Elektrodenkörper der Masseelektrode aufgeschweißt werden. Insbesondere wird der Elektrodenkörper der Masseelektrode an den Zündkerzenkörper angeschweißt, dann wird das Armierungsbauteil auf den Elektrodenkörper der Masseelektrode aufgeschweißt und nachfolgend wird die Masseelektrode gebogen, so dass die Edelmetallschicht des Armierungsbauteils mit der Mittelelektrode den Zündspalt bildet. Der Zündspalt kann insbesondere zwischen dem Armierungsbauteil und der Stirnseite der Mittelelektrode gebildet werden.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren, wobei gleiche Teile durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Es zeigen:
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1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Zündkerze,
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2 eine Ansicht von unten auf die Zündkerze der 1,
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3 eine vergrößerte Ansicht des unteren Bereichs der 1,
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4 eine vergrößerte Darstellung eines Armierungsbauteils für die Zündkerze der 1,
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5 eine Ansicht von unten auf das Armierungsbauteil der 4,
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6 eine Ansicht ähnlich 3 auf eine Variante einer erfindungsgemäßen Zündkerze.
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In den 1 bis 3 ist eine Zündkerze 1 mit einem Zündkerzenkörper 2 zum Einschrauben in einen Verbrennungsmotor in an sich bekannter Weise dargestellt, wozu der Zündkerzenkörper 2 ein Außengewinde 4 aufweist. Die Zündkerze 1 enthält einen Innenleiter 6 und einen den Innenleiter 6 umgebenden Isolator 8, welcher in einem Durchgang des Zündkerzenkörpers 2 sitzt. Die Zündkerze 1 enthält zwei einen Zündspalt 10 bildende Elektroden 11, 12, wobei eine erste Elektrode 11 eine elektrisch leitend mit dem Innenleiter 6 verbundene Mittelelektrode und die zweite Elektrode 12 eine elektrisch leitend mit dem Zündkerzenkörper 2 verbundene Masseelektrode ist.
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Wie insbesondere in 3 erkennbar ist, enthält die Mittelelektrode 11 einen Elektrodenkörper 13, auf welchem ein den Abbrand der Elektrode 11 verminderndes Armierungsbauteil 15 befestigt ist. Der Elektrodenkörper 13 enthält einen Kern 17 aus einem gut wärmeleitfähigen Material, beispielsweise Kupfer. Die Masseelektrode 12 enthält einen Elektrodenkörper 14, welcher stabförmig ausgebildet ist und einen rechteckigen Querschnitt sowie eine Biegung 20 aufweist. Der Elektrodenkörper 14 enthält einen Kern 18 aus einem gut wärmeleitfähigen Material. Der Elektrodenkörper 14 ist an der Stirnseite 22 des Zündkerzenkörpers 2 angeschweißt. Der Elektrodenkörper 14 besteht an seinen mit den Verbrennungsgasen in Kontakt kommenden Oberflächen aus einer temperaturbeständigen und korrosionsbeständigen Nickellegierung, welche den Kern 18 umgibt.
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Das Armierungsbauteil 16 weist zwei Schichten 24, 26 auf, siehe insbesondere 4. Die erste Schicht 24 ist eine Basisschicht, welche für die Stabilität des Armierungsbauteils 16 sorgt und mit ihrem Material an das Material des Elektrodenkörpers 14 angepasst ist, um eine gute Widerstandsschweißung zu ermöglichen. Die zweite Schicht 26 besteht aus einem oder mehreren Edelmetallen und wird deshalb als Edelmetallschicht 26 bezeichnet. Die Edelmetallschicht 26 ist dem Zündspalt 10 zugewandt und verhindert, dass die Masseelektrode 12 durch den dort entstehenden Zündfunken zu schnell abbrennt. Das Armierungsbauteil 16 hat eine ebene Oberseite 28, welche den Zündspalt 10 begrenzt, und eine Unterseite 30, mit welcher es mit dem Elektrodenkörper 14 verbunden ist.
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Bei der in den 1 bis 3 dargestellten Variante der Zündkerze 1 ist das Armierungsbauteil 16 nur mit einem Teil seiner Unterseite 30 mit dem Elektrodenkörper 14 verschweißt. Ein anderer Teil der Unterseite 30 steht über die Außenfläche 32 des Elektrodenkörpers 14, bei welcher es sich um seine Stirnseite handelt, über, siehe insbesondere 3. Zwei einander gegenüberliegende Seitenflächen am Elektrodenkörper 14 sind in einem Winkel A, siehe 2, zueinander angeordnet, so dass sich der Elektrodenkörper 14 zu seiner Stirnfläche 32 hin verjüngt. Der Winkel A beträgt beispielsweise 60°. Dies kann in vorteilhafter Weise den Verschleiß verringern und die Entflammung des Kraftstoff-Luft-Gemischs verbessern.
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Bei der in 6 dargestellten Variante der Zündkerze 1 ist demgegenüber das Armierungsbauteil 16 vollflächig mit dem Elektrodenkörper 14 verschweißt. Die Unterseite des Armierungsbauteils 16 liegt somit vollständig auf dem Elektrodenkörper 14 auf. Ansonsten entspricht die Variante der 6 der Zündkerze 1 gemäß der 1 bis 3.
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Als Halbzeug für das Armierungsbauteil 16 wird ein Band 40 verwendet, in welchem die Edelmetallschicht 26 und die Basisschicht 24 in Längsrichtung des Bandes 40 verlaufen und welches in 5 mit seinen Seitenflächen 37, 39 durch die gestrichelten Linien 40 angedeutet ist. Das Band 40 wird als Halbzeug bei der Zündkerzenherstellung zugeführt, beispielsweise in Form einer Rolle, auf welcher einige Meter dieses Bandes aufgewickelt sein können. Bei der Herstellung der Zündkerze, wenn die Masseelektrode 12 in gestreckter Form, also ohne die Biegung 20, bereits an die Stirnseite 22 des Zündkerzenkörpers 2 angeschweißt ist, wird ein Abschnitt des Bandes 40 abgetrennt und als Armierungsbauteil 16 auf dem noch nicht gebogenen Elektrodenkörper 14 positioniert und dort mittels Widerstandsschweißen in der gewünschten Position fixiert. Die Trennflächen des Armierungsbauteils 16, an welchen es mit anderen Armierungsbauteilen zu dem Band 40 verbunden war, sind mit den Bezugszahlen 36 und 38 bezeichnet. Die Trennflächen 36, 38 lassen sich aufgrund ihrer Oberflächenstruktur von den Seitenflächen 37, 39 unterscheiden. Das Band 40 als Halbzeug für das Armierungsbauteil 16 wird vorab hergestellt, indem ein Strang für die Basisschicht 24 und ein Strang für die Edelmetallschicht 26 zusammengeführt und durch Walzplattieren stoffschlüssig miteinander verbunden werden. Diese Vorgehensweise ermöglicht eine effiziente Herstellung des Bandes 40 und vermeidet, dass eine Vielzahl von sehr kleinen Armierungsbauteilen 16 bei Transport- und Lagervorgängen gehandhabt werden müssen. Die kleinen Armierungsbauteile 16 werden erst dann von dem Band abgeschnitten, wenn sie benötigt werden.
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Auf der Unterseite 30 des Armierungsbauteils 16 sind zwei langgestreckte Erhebungen 42, 44 angeordnet, die voneinander beabstandet sind. Die Erhebungen 42, 44 verlaufen parallel zueinander in Längsrichtung des Bandes 40, also parallel zu den Seitenflächen 37, 39 von der Trennfläche 36 bis zur Trennfläche 38. Abgesehen von den Erhebungen 42, 44 ist die Unterseite 30 eben. Die Erhebungen 42, 44 werden bereits bei der Herstellung des Bandes 40 aus dem Material der Basisschicht 24 geformt. Die Erhebungen 42, 44 unterstützen das Widerstandsschweißen beim Befestigen des Armierungsbauteils 16 auf dem Elektrodenkörper 14 und verbessern dadurch den Schweißvorgang. Bei der in den 1 bis 3 dargestellten Variante der Zündkerze 1 wird das Armierungsbauteil 16 so auf dem Elektrodenkörper 14 befestigt, dass die Erhebungen 42, 44 parallel zu der Längsrichtung des Elektrodenkörpers 14 verlaufen. Auf dem über die Außenfläche 32 überstehenden Teil der Unterseite 30 sind somit beide Erhebungen 42 und 44 noch erkennbar und verlaufen quer zur Außenfläche 32.
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Zur Einsparung von Edelmetall beträgt die Dicke B der Edelmetallschicht 26 weniger als die Hälfte der Gesamtdicke C des Armierungsbauteils 16. Die Gesamtdicke C kann beispielsweise 0,5 mm betragen. Die Höhe D der Erhebungen 42, 44 über der Unterseite 30 kann beispielsweise 0,025 mm betragen. Die Breite E jeder Erhebung 42, 44 kann beispielsweise 0,05 mm betragen. Zwischen den Trennflächen 36 und 38 weist das Armierungsbauteil 16 eine Länge F auf. Die quer dazu gemessene Breite G entspricht der Breite des Bandes 40. In Draufsicht auf seine Oberseite 28 oder seine Unterseite 30, siehe 5, weist das Armierungsbauteil 16 eine rechteckige Außenkontur auf, wobei seine Länge F etwa mit seiner Breite G übereinstimmen kann. Die Länge F und die Breite G können beispielsweise jeweils etwa 1 mm betragen. Der Abstand H der Erhebungen 42, 44 zueinander kann einige Zehntel-Millimeter, beispielsweise 0,6 mm, betragen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zündkerze
- 2
- Zündkerzenkörper
- 4
- Außengewinde
- 6
- Innenleiter
- 8
- Isolator
- 10
- Zündspalt
- 11
- Mittelelektrode
- 12
- Masseelektrode
- 13
- Elektrodenkörper
- 14
- Elektrodenkörper
- 15
- Armierungsbauteil
- 16
- Armierungsbauteil
- 17
- Kern
- 18
- Kern
- 20
- Biegung
- 22
- Stirnseite
- 24
- Basisschicht
- 26
- Edelmetallschicht
- 28
- Oberseite
- 30
- Unterseite
- 32
- Außenfläche
- 36
- Trennfläche
- 37
- Seitenfläche
- 38
- Trennfläche
- 39
- Seitenfläche
- 40
- Band
- 42
- Erhebung
- 44
- Erhebung
- A
- Winkel
- B
- Dicke der Edelmetallschicht
- C
- Dicke des Armierungsbauteils
- D
- Höhe der Erhebungen
- E
- Breite der Erhebungen
- F
- Länge des Armierungsbauteils
- G
- Breite des Armierungsbauteils
- H
- Abstand
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2012397 A2 [0002]
- JP 2005-203110 A [0003]
- EP 2738890 A1 [0004]
- DE 102008036435 B4 [0008]
