DE10201697A1 - Zündkerzenaufbau mit hohem Wärmewiderstand und hoher Haltbarkeit - Google Patents

Abstract

Es wird ein verbesserter Aufbau für eine Zündkerze vorgeschlagen, die eine innerhalb eines Metallmantels (10) gehaltene Mittelelektrode (30) und eine Masseelektrode (40) mit einer Edelmetallspitze (42) und einem mit dem Metallmantel (10) verbundenen Körper (41) umfasst. Die Edelmetallspitze (42) ist mit dem Körper (41) über einen Schmelzabschnitt bzw. eine Schweißung (44) verbunden und läuft zur Mittelelektrode (30) hin, so dass ein Funkenspalt (G) definiert ist. Die am nächsten zur Mittelelektrodenspitze (32) liegenden Abschnitte (43, 45) der Edelmetallspitze (42) und des Schmelzabschnitts (44) befinden sich innerhalb eines Bereichs, der von einer ersten Linie, die von der Mittelelektrodenspitze (32) aus in Seitenrichtung der Mittelelektrode (30) verläuft, und einer zweiten Linie definiert wird, die von dem am nächsten zur Masseelektrode (40) gelegenen Abschnitt (33) der Mittelelektrode (30) aus in Längsrichtung der Mittelelektrode verläuft, so dass sie sich in Seitenrichtung wie auch in Längsrichtung der Mittelelektrode (30) nicht mit der Mittelelektrodenspitze (32) überlappen. Dadurch wird die Stabilität der Funkenabfolge sichergestellt, ohne das Wachstum des Flammenkerns aufzugeben, und wird vermieden, dass zwischen der Seitenwand der Mittelelektrode (30) und dem Schmelzabschnitt (44) möglicherweise Funken auftreten, was den Verschleiß des Schmelzabschnitts minimiert. Dies führt zu einem besseren Wärmewiderstand und einer besseren Haltbarkeit der Masseelektrode (40) ...

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Zündkerze, die in Kraftfahrzeugen, Gaspumpen und Kogenerations­ systemen (Kogeneration: gleichzeitige Erzeugung zweier nutzbarer Energiearten) eingesetzt werden kann, und insbesondere auf eine Zündkerze, die so gestaltet ist, dass sie einen hohen Wärmewiderstand und eine hohe Haltbarkeit zeigt, ohne die Entzündbarkeit gasförmigen Kraftstoffs aufzugeben.

Zündkerzen weisen typischerweise eine über einen elektrischen Isolator in einem Metallmantel eingebaute Mittelelektrode und eine mit dem Metallmantel verbundene Masseelektrode auf. Die Masseelektrode ist der Spitze der Mittelelektrode über einen (auch als Funkenspalt bezeichneten) Luftspalt hinweg zugewandt, in dem eine Funkenabfolge erzeugt wird.

Um die Lebensdauer zu verlängern und die Leistung der Zündkerze zu verbessern, wurden in den letzten Jahren Zündkerzen verwendet, bei denen an dem zum Funkenspalt hin frei liegenden Ende der Masseelektrode ein Edel­ metallplättchen angeschweißt ist. Das Edelmetallplättchen besteht beispielsweise aus Pt (Platin) oder Ir (Iridium), die eine hervorragende Verschleißbeständigkeit haben. Diese Art Zündkerze ist jedoch mit dem Nachteil verbunden, dass sich nahe dem Funkenspalt ein Schmelz­ abschnitt befindet, der der Verschweißung zwischen dem Edelmetallplättchen und der Masseelektrode entspricht, so dass dieser innerhalb der Verbrennungskammer eines Motors einer starken Hitze ausgesetzt wird, was zu einem hohen Verschleiß des Schmelzabschnitts führt. Im schlimmsten Fall kommt es zu einer Ablösung des Edelmetallplättchens von der Masseelektrode und einer Vergrößerung des Funken­ spalts.

Angesichts dieser Nachteile beim Stand der Technik liegt der Erfindung demnach die Aufgabe zugrunde, eine Zünd­ kerze zur Verfügung zu stellen, die so gestaltet ist, dass sie einen höheren Wärmewiderstand und eine höhere Haltbarkeit zeigt, ohne die Entzündbarkeit eines gasförmigen Kraftstoffs aufzugeben.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht eine Zündkerze vor, die in Kraftfahrzeugen, Gaspumpen und Kogenerations­ systemen eingesetzt werden kann und die zur Erzielung einer höheren Haltbarkeit und Produktivität Folgendes umfasst: (a) einen Metallmantel; (b) eine innerhalb des Metallmantels von dem Metallmantel isoliert gehaltene Mittelelektrode, die eine gegebenen Länge hat und eine aus dem Metallmantel vorragende Spitze aufweist; und (c) eine Masseelektrode mit einer Edelmetallspitze und einem Körper, der mit dem Metallmantel außerhalb der Mittel­ elektrode in Seitenrichtung der Zündkerze verbunden ist. Die Edelmetallspitze ist mit dem Körper über einen Schmelzabschnitt verbunden, der aus mit einen der verschmolzenen Materialien des Körpers und der Edel­ metallspitze gebildet ist, und läuft auf die Mittel­ elektrode zu, so dass zwischen der Edelmetallspitze und der Mittelelektrode ein Funkenspalt definiert ist. Wenn der am nächsten zur Mittelelektrodenspitze liegende Abschnitt der Edelmetallspitze der Masseelektrode als Masseelektrodenspitze und der am nächsten zur Mittel­ elektrodenspitze liegende Abschnitt des Schmelzabschnitts als Schmelzabschnittsspitze definiert werden, befinden sich die Masseelektrodenspitze und die Schmelzabschnitts­ spitze innerhalb eines Bereichs, der von einer ersten Linie, die von der Mittelelektrodenspitze aus in Seiten­ richtung der Mittelelektrode verläuft, und einer zweiten Linie definiert wird, die von dem am nächsten zur Masse­ elektrode liegenden Abschnitt der Mittelelektrode aus in Längsrichtung parallel zu einer Längsmittellinie der Mittelelektrode verläuft, so dass sich die Masse­ elektrodenspitze und die Schmelzabschnittsspitze in Seitenrichtung und in Längsrichtung der Mittelelektrode nicht mit der Mittelelektrodenspitze überlappen. Dadurch wird eine stabile Funkenabfolge sichergestellt, ohne das Wachstum eines Flammenkerns aufzugeben, was zu einer verbesserten Kraftstoffentzündbarkeit führt. Der Schmelz­ abschnitt befindet sich nicht auf einer durch den Funken­ spalt gehenden Linie, wodurch das Ablösen der Edelmetall­ spitze von dem Masseelektrodenkörper durch funken­ bedingten Verschleiß des Schmelzabschnitts verhindert wird. Der Schmelzabschnitt weist zur Mittelelektrode eine Lagebeziehung auf, wonach er sich mit der Mittelelektrode nicht in Radial- und Vertikalrichtung der Mittelelektrode überlappt. Dadurch wird vermieden, dass zwischen der Seitenwand der Mittelelektrode und dem Schmelzabschnitt möglicherweise Funken auftreten, was den Verschleiß des Schmelzabschnitts minimiert. Dies führt zu einem besseren Wärmewiderstand und einer besseren Haltbarkeit der Mittelelektrode, was die Lebensdauer der Zündkerze verlängert.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Minimalabstand zwischen der Schmelzabschnittsspitze und der Mittelelektrodenspitze um mindestens 0,2 mm größer als der Funkenspalt.

Die Edelmetallspitze der Masseelektrode besteht aus einem zylinderförmigen Element mit einem Durchmesser von 0,4 mm bis 0,8 mm.

Die Edelmetallspitze der Masseelektrode hat eine bis zum Schmelzabschnitt reichende Länge von 0,3 mm bis 1,0 mm.

Der Masseelektrodenkörper weist einen ersten und zweiten Abschnitt auf, wobei der erste Abschnitt mit dem angesprochenen Metallmantel verbunden ist und der zweite Abschnitt von dem ersten Abschnitt auf die Längsmittel­ linie der Mittelelektrode zuläuft. Die Längsmittellinie des zweiten Abschnitts verläuft parallel zur Längsmittel­ linie der Edelmetallspitze der Masseelektrode.

Die Edelmetallspitze der Masseelektrode besteht entweder aus einer Ir-Legierung oder einer Pt-Legierung.

Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen anhand von bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispielen beschrieben, die jedoch nicht als Einschränkung der Erfindung verstanden werden sollten, sondern lediglich der Erläuterung dienen. Es zeigen:

Fig. 1 in Teilschnittansicht eine Zündkerze mit erfindungsgemäßer Lagebeziehung zwischen der Masse­ elektrode und der Mittelelektrode;

Fig. 2 teilweise vergrößert einen Spitzenabschnitt der Zündkerze von Fig. 1;

Fig. 3 eine Darstellung des erfindungsgemäßen Lage­ bereichs der Masseelektrode;

Fig. 4 eine Darstellung der Lagebeziehung zwischen der Spitze einer Masseelektrode und der Spitze einer Mittel­ elektrode bei in Versuchen verwendeten Zündkerzenprobe­ körpern;

Fig. 5(a) bis Fig. 5(d) Zündkerzenprobekörper, die in Versuchen verwendet wurden, mit denen die Lagebeziehung zwischen einer Masseelektrode und einer Mittelelektrode herausgefunden werden sollte, die eine gewünschte Entzündbarkeit sicherstellt, ohne das Wachstum eines Flammenkerns zu beeinträchtigen;

Fig. 6 eine grafische Darstellung des Zusammenhangs zwischen einem Minimalabstand zwischen den Kanten einer Masse- und Mittelelektrode und einer Entzündbarkeits­ grenze für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis bei jedem Zündkerzenprobekörper;

Fig. 7 die Zusammenhänge zwischen einem Minimalabstand zwischen den Kanten einer Masse- und Mittelelektrode und einer Entzündbarkeitsgrenze für das Luft-Kraftstoff- Verhältnis bei Zündkerzenprobekörpern mit verschiedenen Durchmesserwerten De der Edelmetall-Masseelektroden­ spitze;

Fig. 8 eine grafische Darstellung der Zusammenhänge zwischen einem Minimalabstand zwischen den Kanten einer Masse- und Mittelelektrode und dem Prozentanteil an einem Schmelzabschnitt der Masseelektrode auftretender Funken bei Zündkerzenprobekörpern mit verschiedenen Funkenspalt­ werten;

Fig. 9(a) bis Fig. 9(d) Abwandlungen der erfindungs­ gemäßen Zündkerze; und

Fig. 10 eine Vergleichszündkerze, deren Aufbau mit dem der erfindungsgemäßen Zündkerze verglichen werden soll.

In den Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen in verschiedenen Ansichten gleiche Teile bezeichnen, zeigt Fig. 1 eine Zündkerze 100, die in Kraftfahrzeug­ verbrennungsmotoren oder bei Kogenerationssystemen in Gasmotoren von Generatoren verwendet werden kann. Fig. 2 ist eine vergrößerte Ansicht, die den (auch als Luftspalt bezeichneten) Funkenspalt G der Zündkerze 100 zeigt.

Die Zündkerze 100 weist ein zylinderförmiges Metall­ gehäuse bzw. einen Metallmantel 10, einen Porzellan­ isolator 20, eine Mittelelektrode 30 und eine Masse­ elektrode 40 auf. In den Metallmantel 10 ist ein Gewinde 11 geschnitten, um die Zündkerze 100 in einen (nicht gezeigten) Motorblock einzubauen. Der Porzellanisolator 20 besteht aus einer Aluminiumoxidkeramik (Al₂O₃) und wird innerhalb des Metallmantels 10 gehalten. Der Porzellanisolator 20 hat eine Spitze 21, die an einem Ende des Metallmantels 10 nach außen hin freiliegt.

Die Mittelelektrode 30 ist in einer Zentralkammer 22 des Porzellanisolators 20 befestigt und elektrisch von dem Metallmantel 10 isoliert. Die Mittelelektrode 30 hat eine Spitze 33, die von der Spitze 21 des Porzellanisolators 20 aus vorsteht. Die Mittelelektrode 30 besteht aus einem zylinderförmigen Körper 31 und einer (nachstehend als Edelmetall-Mittelelektrodenspitze bezeichneten) Edel­ metallspitze 32. Der zylinderförmige Körper 31 setzt sich aus einem Kernabschnitt, der aus einem metallischen Material mit höherer Wärmeleitfähigkeit wie etwa Cu besteht, und einem äußeren Abschnitt zusammen, der aus einem metallischen Material mit höherem Wärme- und Korrosionswiderstand wie etwa einer Legierung auf Ni- Basis besteht. Die Edelmetall-Mittelelektrodenspitze 32 ist scheibenförmig und mit einem Ende des Körpers 31 verschweißt, so dass sie die Spitze 33 definiert.

Die Masseelektrode 40 ist aus einem zylinderförmigen Körper 41, der aus einer Legierung auf Ni-Basis oder einer Legierung auf Fe-Basis besteht, und einer (nachstehend als Edelmetall-Masseelektrodenspitze bezeichneten) zylinderförmigen Edelmetallspitze 42 gefertigt, die mit einem Ende des zylinderförmigen Körpers 41 verbunden ist. Wie in Fig. 2 deutlich zu erkennen ist, sind die Edelmetall-Mittelelektrodenspitze 32 und die Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 mit dem zylinderförmigen Körper 31 bzw. 41 laserverschweißt, so dass sie (nachstehend als Schmelzabschnitte bezeichnete) Verschweißungen 34 und 44 aufweisen. Der Schmelzabschnitt 34 ist aus Materialien des zylinderförmigen Körpers 31 und der Edelmetall-Mittelelektrodenspitze 32 gebildet, die durch Laserbestrahlung miteinander verschmolzen sind. Entsprechend ist der Schmelzabschnitt 44 aus durch Laser­ bestrahlung miteinander verschmolzenen Materialien des zylinderförmigen Körpers 41 und der Edelmetall-Masseelek­ trodenspitze 42 gebildet.

Der zylinderförmige Körper 41 der Masseelektrode 40 ist durch Verschweißung an einer Endfläche 12 des Metall­ mantels 10 befestigt und verläuft neben der Mittel­ elektrode 30. Wie in Fig. 2 deutlich zu erkennen ist, ist der zylinderförmige Körper 41 aus einer L-förmigen Stange gefertigt und besteht aus drei Abschnitten: einem Fuß 41a, einer zentralen Biegung 41b und einer Spitze 41c. Der Fuß 41a ist mit der Endfläche 12 des Metallmantels 10 verschweißt und verläuft parallel zu der in Fig. 3 gezeigten Längsmittellinie J3 der Mittelelektrode 30 (d. h. längs zur Zündkerze 100). Die Spitze 41c ist über den Schmelzabschnitt 44 mit der Edelmetall-Masse­ elektrodenspitze 42 verbunden und verläuft, wie in Fig. 2 dargestellt, von der zentralen Biegung 41b aus senkrecht zur Längsmittellinie J3 der Mittelelektrode 30 in Horizontalrichtung.

Die Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 verläuft senkrecht zur Längsmittellinie J3 der Mittelelektrode 30, so dass sie eine Ecke oder Kante 43 aufweist, die einer Ecke oder Kante 33 der Mittelelektrode 30 zugewandt ist. Und zwar hat die Spitze 41c, die einem Abschnitt des von der Biegung 41b zu dem Schmelzabschnitt 44 verlaufenden zylinderförmigen Körpers 41 entspricht, eine Längsmittel­ linie J2, die senkrecht zur Längsmittellinie J3 der Mittelelektrode 30 verläuft. Die Edelmetall-Masse­ elektrodenspitze 42 weist eine Längsmittellinie J1 auf, die parallel zur Längsmittellinie J2 der Spitze 41c des zylinderförmigen Körpers 40 verläuft (wobei die Linie J1 bei diesem Ausführungsbeispiel mit der Linie J2 zusammen­ fällt).

Der Funkenspalt G wird von den einander gegenüber liegenden Eckabschnitten der Edelmetall-Masseelektroden­ spitze 42 und der Edelmetall-Mittelelektrodenspitze 32 gebildet. In der folgenden Diskussion werden die in Fig. 3 durch Kreise gekennzeichneten gegenüber liegenden Eckabschnitte der Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 und der Edelmetall-Mittelelektrodenspitze 32, die den kürzesten Abstand zueinander haben, aus Gründen der Einfachheit als die Kanten 43 und 33 bezeichnet. Abgesehen davon wird der am nächsten zur Kante 33 der Edelmetall-Mittelelektrodenspitze 32 gelegene Abschnitt der Eckspitze des Schmelzabschnitts 44 der Masseelektrode 40 als Kante 45 des Schmelzabschnitts 44 bezeichnet.

Die Edelmetall-Mittelelektrodenspitze 32 und die Edel­ metall-Masseelektrodenspitze 42 können aus einer Ir- Legierung oder einer Pt-Legierung bestehen. Die Ir- Legierung enthält vorzugsweise 50 Gew.-% oder mehr Iridium (Ir). So kann zum Beispiel ein Material verwendet werden, das als Hauptkomponente mehr als 50 Gew.-% Ir und zusätzlich mindestens einen der Stoffe Rh (Rhodium), Pt (Platin), Ru (Ruthenium), Pd (Palladium) und W (Wolfram) enthält (z. B. eine Ir-10Rh-Legierung mit 90 Gew.-% Ir und 10 Gew.-% Rh).

Die gestrichelte Linie K1 in Fig. 3 stellt eine (im Folgenden als erste imaginäre Linie bezeichnete) imaginäre Linie dar, die von der Kante 33 der Edelmetall- Mittelelektrodenspitze 32 aus in Radialrichtung der Mittelelektrode 30 (d. h. der Zündkerze 100) verläuft. Die gestrichelte Linie K2 stellt eine (im Folgenden als zweite imaginäre Linie bezeichnete) imaginäre Linie dar, die von der Kante 33 der Edelmetall-Mittelelektroden­ spitze 32 aus in Längsrichtung der Mittelelektrode 30 verläuft. A gibt den Abstand zwischen den Kanten 33 und 43 der Mittelelektrode 30 und der Masseelektrode 40 in Radialrichtung der Mittelelektrode 30 (d. h. der Zündkerze 100) an. B bezeichnet die Länge der Edelmetall-Masse­ elektrodenspitze 42. G gibt den Abstand zwischen den Kanten 33 und 43 der Mittelelektrode 30 und der Masse­ elektrode 40 (d. h. den Funkenspalt) an. Dc gibt den Durchmesser der Edelmetall-Mittelelektrodenspitze 32 und De den Durchmesser der Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 an. L gibt den Minimalabstand zwischen der Kante 33 der Edelmetall-Mittelelektrodenspitze 32 und der Kante 45 des Schmelzabschnitts 44 an. α bezeichnet den Winkel, den die (im Folgenden als dritte imaginäre Linie bezeichnete) gestrichelte Linie K3, die durch die Kanten 33 und 43 der Mittel- und Masseelektrode 30 und 40 geht, mit der ersten imaginären Linie K1 bildet.

Ein Hauptmerkmal dieses Ausführungsbeispiels ist, dass sich die Kante 43 der Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 innerhalb eines (im Folgenden als Masseelektroden- Lagebereich bezeichneten) Bereichs befindet, der innerhalb der imaginären Linien K1 und K2 definiert ist, so dass sie sich, wie in Fig. 3 gezeigt ist, in Vertikal- und Horizontalrichtung nicht mit der Edelmetall-Mittel­ elektrodenspitze 32 überlappt. Mit anderen Worten sind die Kanten 33 und 43 der Mittel- und Masseelektroden 30 und 40 so angeordnet, dass sie eine Lagebeziehung eingehen, in der der Abstand A zwischen den Kanten 33 und 43 größer gleich null (0) und der Winkel α zwischen den imaginären Linien K1 und K3 zwischen 0° und 90° beträgt.

Die obige Lagebeziehung zwischen den Kanten 33 und 43 geht auf die Tatsache zurück, dass, wenn sich in Fig. 3 die Kante 33 der Edelmetall-Mittelelektrodenspitze 32 mit der Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 in Vertikal- und Horizontalrichtung überlappen würde, das Wachstum eines in dem Funkenspalt G erzeugten Flammenkerns von der Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 in Schach gehalten würde, wodurch sich die Gemischentzündbarkeit innerhalb der Motorverbrennungskammer verringern würde. Zu dieser Tatsache gelangten die Erfinder anhand von Untersuchun­ gen, die im Folgenden diskutiert werden.

Die Erfinder führten die folgenden Entzündbarkeits­ versuche durch, um mit Blick auf die durch die erste und zweite imaginäre Linie K1 und K2 gegebenen Grenzen die Lagebeziehung zwischen der Edelmetall-Masseelektroden­ spitze 42 und der Mittelelektrode 30 zu finden, die zur Sicherstellung einer gewünschten Entzündbarkeit erforderlich ist, ohne das Wachstums des Flammenkerns aufzugeben.

Es wurden zunächst Zündkerzenprobekörper vorbereitet, in denen die Kante 43 der Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 in Bezug auf die Kante 33 der Edelmetall-Mittel­ elektrodenspitze 32 eine Lagebeziehung aufwies, die der dicken durchgezogenen Linie auf dem Kreis in Fig. 4 entsprach. Der Radius des Kreises entspricht dem Funken­ spalt G, und seine Mitte befindet sich auf der Kante 33 der Edelmetall-Mittelelektrodenspitze 32. Die dicke durchgezogene Linie ergibt sich durch den Abstand A zwischen den Kanten 33 und 43 in Radialrichtung der Mittelelektrode 30 und ändert sich als Funktion des Winkels α. Wenn die durch die Kanten 33 und 43 gehende Linie mit der zweiten imaginären Linie K2 zusammenfällt, ist der Abstand A null (0). Wenn sich die Kante 43 der Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 über der Edelmetall- Mittelelektrodenspitze 32 außerhalb der zweiten imaginären Linie K2 befindet, hat der Abstand A einen negativen Wert. Wenn sich die Kante 43 der Edelmetall- Masseelektrodenspitze 42 innerhalb der zweiten imaginären Linie K2, d. h. in Fig. 3 auf der rechten Seite der imaginären Linie K2, befindet, hat der Abstand A einen positiven Wert.

Die Zündkerzenprobenkörper weisen als Funktion des Winkels α verschiedene Werte für den Abstand A auf. Wenn sich die Kante 43 der Edelmetallmasseelektrode 42 in dem innerhalb der ersten und zweiten imaginären Linie K1 und K2 definierten Masseelektroden-Lagebereich befindet, nimmt der Abstand A die Werte an, die einem konstanten Funkenspalt G entsprechen. Wenn sich die Kante 43 außerhalb des Masseelektroden-Lagebereichs befindet, liegen die Werte des Abstands A auf der Tangente des Kreises in Fig. 4.

Die Fig. 5(a) bis 5(d) veranschaulichen einige Beispiele der in den Entzündbarkeitsversuchen verwendeten Zündkerzenprobekörper. Der Zündkerzenprobekörper in Fig. 5(a) weist eine (im Folgenden als Masse-/Mittel­ elektroden-Beziehung bezeichnete) Lagebeziehung der Kante 43 zur Kante 33 auf, bei der der Abstand A gemäß Fig. 4 einen negativen Wert einnimmt. Und zwar befindet sich die Kante 43 der Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 außerhalb des Masseelektroden-Lagebereichs. Der Zündkerzenprobekörper in Fig. 5(b) weist eine Masse-/­ Mittelelektroden-Lagebeziehung auf, bei der der Abstand A null (0) ist (α = 90°). Der Zündkerzenprobekörper in Fig. 5(c) weist eine Masse-/Mittelelektroden-Lagebeziehung auf, bei der der Abstand A einen positiven Wert hat, der kleiner als die Länge des Funkenspalts G ist. Der Zündkerzenprobekörper in Fig. 5(d) weist eine Masse-/­ Mittelelektroden-Lagebeziehung auf, bei der der Abstand A einen positiven Wert hat, der der Länge des Funkenspalts G entspricht (α = 0). Die Zündkerzenprobekörper in den Fig. 5(b), 5(c) und 5(d) weisen Masse-/Mittel­ elektroden-Lagebeziehungen auf, die innerhalb des Masseelektroden-Lagebereichs des Ausführungsbeispiels liegen.

Die Erfinder führten also Entzündbarkeitsversuche durch, indem sie Zündkerzenprobekörper mit verschiedenen Masse-/­ Mittelelektroden-Lagebeziehungen der Kante 43 zur Kante 33 verwendeten.

Die Entzündbarkeitsversuche wurden durchgeführte indem jeder Zündkerzenprobekörper in einen 4-Zylinder- Verbrennungsmotor mit 1,6 Liter Hubraum eingebaut wurde, der bei 650 U/min betrieben wurde, und indem das Luft- Kraftstoff-Verhältnis eines Gemischs ausgehend vom Leerlaufmotorbetrieb nach und nach erhöht wurde, um so Fehlzündungen zu erfassen. Das Luft-Kraftstoff- Verhältnis, bei dem innerhalb von zwei Minuten zwei oder mehr Fehlzündungen auftraten, wurde als Entzündbarkeits­ grenze für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis festgelegt. Die Versuchsergebnisse sind in Fig. 6 gezeigt. Bei den Zündkerzenprobekörpern betrug der Funkenspalt G 1,0 mm, der Durchmesser Dc der Edelmetall-Mittelelektrodenspitze 32 0,7 mm und der Durchmesser De der Edelmetall-Masse­ elektrodenspitze 42 0,4 mm.

Die Zündkerzenprobekörper mit höheren Entzündbarkeits­ grenzen für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis wiesen ein hervorragendes Zündungsverhalten auf und konnten bei einer mageren Mischung zünden. Der Zündkerzenprobekörper, der in Fig. 6 mit einem weißen Kreis gekennzeichnet ist, hat die in Fig. 5(a) dargestellte Masse-/Mittelelektro­ den-Lagebeziehung mit einem Abstand A von -1,0 mm, was außerhalb des Masseelektroden-Lagebereichs dieses Ausführungsbeispiels liegt. Der Zündkerzenprobekörper mit einem Abstand A von 1,0 mm hat die in Fig. 5(d) dargestellte Masse-/Mittelelektroden-Lagebeziehung. Die grafische Darstellung in Fig. 6 zeigt, dass die Zünd­ kerzenprobekörper, die für den Abstand A positive Werte aufweisen, eine bessere Entzündbarkeit als diejenigen Zündkerzenprobekörper zeigen, die für den Abstand A negative Werte aufweisen.

Außerdem wurde festgestellt, dass der Zündkerzenprobe­ körper, bei dem sich die Kante 43 der Edelmetall- Masseelektrodenspitze 42 über der Mittelelektrode 30 außerhalb der ersten imaginären Linie K1 befindet (α < 90°), den Funkenspalt zwischen einer Seitenfläche der Edelmetall-Mittelelektrodenspitze 32 und der Kante 43 der Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 bildet, was zu Funken an dem Schmelzabschnitt 34 der Mittelelektrode 30 führt, und dass es wichtig ist, dass die Kante 43 der Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 zur Mittelelektrode 30 hin nicht jenseits der imaginären Linie K1 angeordnet wird.

Genauer gesagt können die in den Fig. 5(b) bis 5(d) gezeigten Zündkerzenprobekörper, bei denen die Kante 43 der Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 in dem innerhalb der imaginären Linien K1 und K2 definierten Masse­ elektroden-Lagebereich liegt, so dass sie sich in Längs- und Radialrichtung der Mittelelektrode 30 nicht mit der Edelmetall-Mittelelektrodenspitze 32 überlappen (d. h. Abstand A ≧ 0 und 0 ≦ α ≦ 90°), eine Funkenabfolge erzeugen, ohne das Wachstum des Flammenkerns zu behindern, was verglichen mit dem in Fig. 5(a) gezeigten Vergleichszündkerzenkörper zu einer verbesserten Entzündbarkeit führt.

Der Durchmesser De der Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 beträgt vorzugsweise zwischen 0,4 mm und 0,8 mm und ihre Länge B vorzugsweise zwischen 0,3 mm und 1,0 mm. Diese Abmessungsbereiche ergaben sich aus den folgenden Untersuchungen der Erfinder.

Im Allgemeinen ist die Wahrscheinlichkeit, dass der Flammenkern auf die Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 trifft, umso geringer, je dünner die Edelmetall- Masseelektrodenspitze 42 ist. Die Erfinder bereiteten daher Zündkerzenprobekörper mit verschiedenen Werten für den Durchmesser De der Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 vor und führten damit die gleichen Versuche wie oben beschrieben durch. Die Versuchsergebnisse sind in Fig. 7 gezeigt.

Wie in Fig. 7 angegeben ist, betrugen die Durchmesser De der in den Versuchen verwendeten Zündkerzenprobekörper 0,4 mm, 0,6 mm, 0,8 mm und 1,0 mm. Die grafische Darstellung in Fig. 7 gibt den Zusammenhang zwischen dem Abstand A und der Entzündbarkeitsgrenze für das Luft- Kraftstoff-Verhältnis der Zündkerzenprobekörper an. Die grafische Darstellung zeigt, dass die Entzündbarkeit des Gemisches umso größer ist, je kleiner der Durchmesser De der Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 ist, wobei sich allerdings im Falle eines Durchmessers De von 1 mm die Entzündbarkeit stark verringert.

Die von den Erfindern vorgenommenen Untersuchungen zeigten, dass die Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 zwar einen hervorragenden Wärmewiderstand und eine hervorragende Verschleißbeständigkeit besaß, ein Durchmesser De von weniger als 0,4 mm jedoch dazu führte, dass sich die Funken an der Edelmetall-Masseelektroden­ spitze 42 sammelten, was zu einem erhöhten Verschleiß führte. Es stellte sich daher heraus, dass der Durchmesser De der Edelmetall-Masseelektrodenspitze vorzugsweise zwischen 0,4 mm und 0,8 mm betragen sollte, um eine stabile Entzündbarkeit sicherzustellen.

Der Durchmesser De der Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 ist bei diesem Ausführungsbeispiel kleiner als der Durchmesser Dc der Edelmetall-Mittelelektrodenspitze 32, um das Wachstum des Flammenkerns sicherzustellen.

Des weiteren liegt der zylinderförmige Körper 41 der Masseelektrode 40 umso näher an dem Funkenspalt G, je kürzer die Länge B der Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 ist. Der zylinderförmige Körper 41 kann daher ein Faktor sein, der das Flammenkernwachstum behindert und zu einer geringen Entzündbarkeit beiträgt. Es liegt daher auf der Hand, dass die Entzündbarkeit um so größer ist, je größer die Länge B der Edelmetall-Masseelektroden­ spitze 42 ist.

Die Untersuchungen der Erfinder zeigten, dass die Entzündbarkeit maximiert wird, wenn die Länge B der Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 0,3 mm beträgt. Wenn die Länge B beispielsweise zwischen 0 und 0,3 mm liegt, erhöht sich die Entzündbarkeitsgrenze für das Luft- Kraftstoff-Verhältnisses um zwei (2), während sich die Entzündbarkeitsgrenze für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis bei einer Länge von B von 0,3 mm oder mehr um lediglich ungefähr 0,3 erhöht.

Darüber hinaus wurde festgestellt, dass, wenn die Länge B der Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 mehr als 1,0 mm beträgt, es zu einer starken Temperaturerhöhung am Ende der Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 kommt, so dass sie schmilzt. Die Länge B beträgt daher im Hinblick auf die Entzündbarkeit vorzugsweise zwischen 0,3 mm und 1,0 mm.

Der zwischen der Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 und dem zylinderförmigen Körper 41 gebildete Schmelzabschnitt 44 befindet sich wie gesagt außerhalb der durch den Funkenspalt G gehenden Verlängerungslinie. Dadurch wird das Ablösen der Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 infolge von Funkenverschleiß vermieden, was zu einem verbesserten Wärmewiderstand und zu einer verbesserten Haltbarkeit der Masseelektrode 40 führt. Dies ergibt eine erhöhte Lebensdauer der Zündkerze 100.

Wenn sich die Kante 45 des Schmelzabschnitts 44 der Masseelektrode 40, wie in dem Vergleichsbeispiel von Fig. 10 gezeigt ist, unterhalb der ersten imaginären Linie K1 befindet, so dass sie sich mit der Mittelelektrode 30 in ihrer Radialrichtung überlappt, ist der Abstand L1 zwischen der Kante 45 der Edelmetall-Masseelektroden­ spitze 42 und der Seitenfläche der Edelmetall-Mittel­ elektrodenspitze 32 kürzer als der Minimalabstand L zwischen der Kante 45 und der Kante 33 der Edelmetall- Mittelelektrodenspitze 32, was die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass zwischen dem Schmelzabschnitt 44 und der Seitenfläche der Edelmetall-Mittelelektrodenspitze 32 Funken auftreten, was zu einem verstärkten Verschleiß des Schmelzabschnitts 44 führt. Bei der Zündkerze 100 dieses Ausführungsbeispiels befindet sich die Kante 45 des Schmelzabschnitts 44 der Masseelektrode 40, wie in Fig. 3 klar zu erkennen ist, im Masseelektroden-Lagebereich, der von der ersten und zweiten imaginären Linie K1 und K2 definiert wird, so dass sie sich in Radial- und Längs­ richtung der Mittelelektrode 30 nicht mit der Edelmetall- Mittelelektrodenspitze 32 der Mittelelektrode 30 überlappt. Dadurch wird vermieden, dass zwischen dem Schmelzabschnitt 44 und der Seitenfläche der Edelmetall- Mittelelektrodenspitze 32 möglicherweise Funken auftreten, sodass sich der Wärmewiderstand und die Haltbarkeit der Masseelektrode 40 erhöhen. Dies erhöht auch die Lebensdauer der Zündkerze 100.

Der Minimalabstand L zwischen der Kante 45 des Schmelzab­ schnitts 44 der Masseelektrode 40 und der Kante 33 der Mittelelektrode 30 ist vorzugsweise um mindestens 0,2 mm größer als der Funkenspalt G. Dies ergibt sich aus den folgenden Untersuchungen der Erfinder.

Die Erfinder führten Versuche mit Zündkerzenprobekörpern durch, die verschiedene Werte für den Abstand L und den Funkenspalt G aufwiesen. Die Versuchsergebnisse sind in der grafischen Darstellung von Fig. 8 gezeigt.

Die Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 und die Edelmetall-Mittelelektrodenspitze 32 der Zündkerzenprobe­ körper bestanden aus einer Ir-10Rh-Legierung. Es wurde der Prozentanteil (%) der zwischen dem Schmelzabschnitt 44 der Masseelektrode 40 und der Mittelelektrode 30 erzeugten Funken gemessen. Die Messungen erfolgten, indem jeder Zündkerzenprobekörper in eine Kammer eingebaut wurde, der Druck in der Kammer auf 0,6 MPa erhöht wurde und elektrische Entladungen bzw. Funken erzeugt wurden. Die grafische Darstellung in Fig. 8 stellt den Zusammen­ hang zwischen dem Minimalabstand L und dem Prozentanteil der an dem Schmelzabschnitt 44 der Masseelektrode 40 auftretenden Funken bei Zündkerzenprobekörpern dar, deren Funkenspalt G 0,3 mm, 0,5 mm und 0,8 mm betrug. Dabei be­ deutet ein Funkenprozentanteil von beispielsweise 20%, dass 20% der Funken an dem Schmelzabschnitt 44 und 80% der Funken innerhalb des Funkenspalts G auftraten.

Die grafische Darstellung in Fig. 8 zeigt, dass bei einem Funkenspalt G von 0,3 mm sämtliche Funken innerhalb des Funkenspalts G erzeugt werden, wenn der Abstand L größer oder gleich 0,5 mm ist, und dass bei einem Funkenspalt G von 0,5 mm sämtliche Funken innerhalb des Spaltabstands G erzeugt werden, wenn der Abstand L größer oder gleich 0,7 mm ist, und dass bei einem Funkenspalt G von 0,8 mm sämtliche Funken innerhalb des Funkenspalts G erzeugt werden, wenn der Abstand L größer oder gleich 1,0 mm ist. Es ist daher ratsam, dass der Minimalabstand L zwischen der Kante 45 des Schmelzabschnitts 44 der Masseelektrode 40 und der Kante 33 der Edelmetall-Mittelelektrodenspitze 32 der Mittelelektrode 30 um 0,2 mm größer als der Funkenspalt G ist, um unerwünschte Funken zwischen dem Schmelzabschnitt 44 und der Kante 33 der Mittelelektrode 30 zu verhindern.

Die Fig. 9(a) bis 9(d) zeigen Abwandlungen der Zündkerze 100.

Bei der in Fig. 2 gezeigten Zündkerze verlaufen die Längsmittellinie J1 der Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 und die Längsmittellinie J2 der Spitze 41c des zylinderförmigen Körpers 41 im Wesentlichen senkrecht zur Längsmittellinie der Zündkerze 100 (d. h. der Mittel­ elektrode 30), doch können sie auch, wie in Fig. 9(a) gezeigt ist, diagonal nach oben verlaufen.

Die Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 kann auch, wie in den Fig. 9(b), 9(c) und 9(d) gezeigt ist, aus einem viereckigen Stab bestehen. Die Fig. 9(b) bis 9(d) zeigen die Masseelektrode 40 in Perspektivansicht, um die Erkennbarkeit zu erleichtern.

Die Verbindung der Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 der Masseelektrode 40 der Zündkerzen in den Fig. 9(b) bis 9(d) mit dem Körper 41 kann durch Laserverschweißen der Edelmetall-Masseelektrodenspitze 42 mit einer in der Spitze 41c des Körpers 41 ausgebildeten Vertiefung oder direkt mit der Oberfläche der Spitze 41c erreicht werden.

Auch wenn die Längsmittellinien der Edelmetall- Masseelektrodenspitze 42 und des zylinderförmigen Körpers 41 bei den in den Fig. 9(c) und 9(d) gezeigten Zündkerzen zueinander parallel verlaufen und nicht zusammenfallen, lassen sich die gleichen Wirkungen wie oben angesprochen erzielen.

Abgesehen vom Laserverschweißen kann die Edelmetall- Masseelektrodenspitze 42 mit dem Körper 41 auch durch Plasma- oder Argonbogenschweißen verbunden werden. Das Gleiche trifft für die Verbindung der Edelmetall- Mittelelektrodenspitze 32 mit dem Körper 31 der Mittelelektrode 30 zu.

Die Erfindung wurde zwar anhand von bestimmten Ausführungsbeispielen beschrieben, um das Verständnis zu erleichtern, doch sei darauf hingewiesen, dass im Rahmen des Schutzumfangs der Patentansprüche weitere Ausführungsbeispiele und Abwandlungen denkbar sind.

Claims (6)

1. Zündkerze (100), mit:
einem Metallmantel (10);
einer innerhalb des Metallmantels (10) von dem Metallmantel isoliert gehaltenen Mittelelektrode (30), die eine gegebenen Länge hat und eine aus dem Metallmantel vorragende Spitze (32) aufweist; und
eine Masseelektrode (40) mit einer Edelmetallspitze (42) und einem Körper (41), der mit dem Metallmantel (10) außerhalb der Mittelelektrode (30) in Seitenrichtung der Zündkerze verbunden ist, wobei die Edelmetallspitze (42) mit dem Körper (41) über einen Schmelzabschnitt (44) verbunden ist, der aus miteinander verschmolzenen Materialien des Körpers (41) und der Edelmetallspitze (42) gebildet ist, und auf die Mittelelektrode (30) zuläuft, so dass zwischen der Edelmetallspitze (42) und der Mittelelektrode (30) ein Funkenspalt (G) definiert ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
wenn der am nächsten zur Spitze (32) der Mittelelektrode (30) liegende Abschnitt der Edelmetall­ spitze (42) der Masseelektrode (40) als Masseelektroden­ spitze (43) und der am nächsten zur Spitze (32) der Mittelelektrode (30) liegende Abschnitt des Schmelz­ abschnitts (44) als Schmelzabschnittsspitze (45) definiert werden, sich die Masseelektrodenspitze (43) und die Schmelzabschnittsspitze (45) innerhalb eines Bereichs befinden, der von einer ersten Linie (K1), die von der Spitze (32) der Mittelelektrode (30) aus in Seiten­ richtung der Mittelelektrode (30) verläuft, und einer zweiten Linie (K2) definiert wird, die von dem am nächsten zur Masseelektrode (40) liegenden Abschnitt (33) der Mittelelektrode (30) aus in Längsrichtung parallel zu einer Längsmittellinie (J3) der Mittelelektrode (30) verläuft, so dass sich die Masseelektrodenspitze (43) und die Schmelzabschnittsspitze (45) in Seitenrichtung und in Längsrichtung der Mittelelektrode (30) nicht mit der Spitze (32) der Mittelelektrode (30) überlappen.

2. Zündkerze nach Anspruch 1, bei der der Minimal­ abstand (L) zwischen der Schmelzabschnittsspitze (45) und der Spitze (32) der Mittelelektrode (30) um mindestens 0,2 mm größer als der Funkenspalt (G) ist.

3. Zündkerze nach Anspruch 1, bei der die Edelmetall­ spitze (42) der Masseelektrode (40) aus einem zylinder­ förmigen Element mit einem Durchmesser (De) von 0,4 mm bis 0,8 mm besteht.

4. Zündkerze nach Anspruch 1, bei der die Edelmetall­ spitze (42) der Masseelektrode (40) eine bis zum Schmelz­ abschnitt (44) reichende Länge (B) von 0,3 mm bis 1,0 mm hat.

5. Zündkerze nach Anspruch 1, bei der der Körper (41) der Masseelektrode (40) einen ersten Abschnitt (41a) und einen zweiten Abschnitt (41c) aufweist, wobei der erste Abschnitt (41a) mit dem Metallmantel (10) verbunden ist und der zweite Abschnitt (41c) von dem ersten Abschnitt aus auf die Längsmittellinie (J3) der Mittelelektrode (30) zuläuft und wobei die Längsmittellinie (J2) des zweiten Abschnitts (41c) parallel zur Längsmittellinie (J1) der Edelmetallspitze (42) der Masseelektrode (40) verläuft.

6. Zündkerze nach Anspruch 1, bei der die Edelmetall­ spitze (42) der Masseelektrode (40) entweder aus einer Ir-Legierung oder einer Pt-Legierung besteht.