DE10205078B4

DE10205078B4 - Zündkerze

Info

Publication number: DE10205078B4
Application number: DE10205078.3A
Authority: DE
Inventors: Tsunenobu Hori; Keiji Kanao
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-02-08
Filing date: 2002-02-07
Publication date: 2014-04-03
Anticipated expiration: 2022-02-08
Also published as: US6853116B2; FR2920258A1; US20020105254A1; JP2002237365A; FR2829307A1; FR2820552A1; JP4271379B2; FR2829307B1; FR2820552B1; DE10205078A1

Abstract

Zündkerze (100), mit: einer Mittelelektrode (30) mit einer Spitze (35); einer Masseelektrode (40) mit einer der Spitze (35) der Mittelelektrode (30) zugewandten Mittelelektrodengegenfläche (43); einem Edelmetallelement (45) mit einer gegebenen Länge (L) und einem sich über die Länge hinweg gegenüberliegenden ersten und zweiten Ende, das an dem ersten Ende durch Laserschweißen mit der Mittelelektrodengegenfläche (43) der Masseelektrode (40) verbunden ist, sodass das zweite Ende der Spitze (35) der Mittelelektrode (30) über einen Funkenspalt (50) gegenüberliegt; und einem Schmelzabschnitt (44), der eine aus miteinander verschmolzenen Materialien der Masseelektrode (40) und des Edelmetallelements (45) gebildete Verschweißung des Edelmetallelements (45) und der Masseelektrode (40) bildet, wobei die die Länge (L) des Edelmetallelements (45) kreuzende Querschnittsfläche (A) wenigstens 0,1 mm2 und höchstens 0,6 mm2 beträgt; der nicht geschmolzene Querschnittsflächenprozentanteil (C), d. h. der Prozentanteil der Querschnittsfläche (B) eines nicht geschmolzenen Abschnitts (46) des ersten Endes des Edelmetallelements (45) innerhalb eines Bereichs einer die Länge (L) des Edelmetallelements kreuzenden Querschnittsfläche (A) des Edelmetallelements (45), die am nächsten an dem Schmelzabschnitt (44) gelegenen ist, höchstens 50% beträgt; und wenn der Punkt, an dem sich eine entlang der maximalen Tiefe (H) des Schmelzabschnitts (44) verlaufende Linie mit der Außenfläche des Schmelzabschnitts (44) schneidet, als zentraler Aufschmelzpunkt F definiert wird und der Abstand zwischen dem zentralen Aufschmelzpunkt F und der Mittelelektrodengegenfläche (43) der Masseelektrode (40) als Abstand Schnittpunkt-Fläche y definiert wird, sich der zentrale Aufschmelzpunkt F innerhalb eines Bereichs von 0 mm bis 0,3 mm befindet und der Schmelzwinkel (α), d. h. der Winkel, den eine entlang der maximalen Tiefe (H) des Schmelzabschnitts (44) durch den Schmelzabschnitt gehende Linie mit der Mittelelektrodengegenfläche (43) der Masseelektrode (40) beschreibt, mindestens 10° und höchstens (30 + 100y)° beträgt, wobei y in mm eingesetzt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Zündkerze, die in Kraftfahrzeugmotoren eingesetzt werden kann, und insbesondere auf einen verbesserten Zündkerzenaufbau mit einem an eine Masseelektrode geschweißten Edelmetallplättchen sowie ein Herstellungsverfahren dafür, um für eine höhere Haltbarkeit und ein höheres Zündvermögen bei gasförmigem Kraftstoff zu sorgen.
In der JP 52-36237 A (entspricht der US 4 109 633 A ) ist eine Zündkerze offenbart, die aus einer Mittelelektrode und einer Masseelektrode besteht, die aus Elektrodenabstützungen vorragen. Die Mittelelektrode und die Masseelektrode sind dünner als die Elektrodenabstützung, um das Zündvermögen eines Luft-Kraftstoff-Gemischs zu verbessern. Das liegt daran, dass dünnere Mittel- und Masseelektroden zu einer geringeren Wärmekapazität führen, wodurch sich die Wirkung, einen Flammenkern zu erlöschen, verringert, und dass durch die aus der Elektrodenabstützung vorragende Masse- und Mittelelektrode zwischen der Mittel- und Masseelektrode ein größerer Zwischenraum entsteht, durch den das Wachstum eines innerhalb eines Funkenspalts erzeugten Flammenkerns unterstützt wird.
Um ausreichende Verschleißbeständigkeit zu gewährleisten, sind die Mittel- und Masseelektrode aus Edelmetallelementen gebildet, die aus Pt, Pd, Au oder ihren Legierungen bestehen und mit den Elektrodenabstützungen verbunden sind. Aus der JP 52-36237 A ergibt sich, dass diese Verbindung durch Schweißen, Pressen oder Verkerben nach dem Pressen erzielt werden kann, doch nennt sie keine weiteren Einzelheiten zur Form und zum Aufbau der Verschweißung der Elektroden mit der entsprechenden Elektrodenabstützung.
Darüber hinaus ist aus der EP 0 872 928 A1 eine Zündkerze bekannt, bei der eine Mittelelektrode durch Laserschweißen mit einem Edelmetallelement aus einer Iridiumlegierung verbunden wird, indem der Laserstrahl seitlich auf die Kontaktfläche zwischen Mittelelektrode und Edelmetallelement gerichtet wird und dann die Mittelelektrode gedreht wird.
In modernen Motoren ist die Temperatur der Verbrennungsatmosphäre höher, um die Leistung zu steigern und um den Kraftstoffverbrauch und die Abgasemissionen zu senken. In einem solchen Motor ist eine Zündkerze einer intensiven Hitze ausgesetzt, sodass sich die Temperatur der Mittel- und Masseelektrode stark erhöht. Die Elektroden unterliegen daher einer Wärmespannung und Oxidation, was dazu führen kann, dass die Edelmetallplättchen von der Mittel- und Masseelektrode entfernt werden. Dieses Problem verschlimmert sich insbesondere bei der Masseelektrode, da sie sich näher als die Mittelelektrode an dem Zündkerzengehäuse oder der Metallhülle befindet, sodass die Wärmeableitung von der Masseelektrode geringer ist, und da sie eine größere innerhalb der Verbrennungskammer freiliegende Fläche aufweist, sodass ihre Temperatur stärker als die der Mittelelektrode ansteigt.
Um die Zuverlässigkeit der Verschweißung der Edelmetallplättchen mit der Masse- bzw. Mittelelektrode zu steigern, schlagen die JP 9-106880 A (entspricht der US 5 811 915 A ) und die JP 11-354251 A ein verbessertes Schweißverfahren vor. Die JP 9-106880 A offenbart, dass das Edelmetallplättchen gegen die Elektrode gepresst wird, sodass sich ein das Edelmetallplättchen umgebender Abschnitt der Elektrode aufstellt, und dass auf den hervortretenden Abschnitt ein Laserstrahl abgestrahlt wird, um das Edelmetall mit der Elektrode zu verbinden. Die JP 11-354251 A offenbart, das aus einer Ir-Legierung bestehende Edelmetallplättchen auf die jeweilige Elektrode zu setzen und seitlich auf das Edelmetallplättchen einen Laserstrahl abzustrahlen.
Die Erfinder führten im Vorlauf mehrere Untersuchungen durch und stellten fest, dass die obigen Schweißverfahren mit den Nachteilen verbunden sind, dass sich, wenn zur Erhöhung des Zündvermögens eines gasförmigen Kraftstoffs dünne Edelmetallplättchen verwendet werden, die beispielsweise eine Querschnittsfläche mit einem Bruchteil eines Quadratmillimeters aufweisen, bei der Verschweißung des Edelmetallplättchens mit insbesondere der Masseelektrode nur schwer die gewünschte mechanische Festigkeit gewährleisten lässt, da die Wärmeableitung von der Masseelektrode geringer als von der Mittelelektrode ist, sodass sich ihre Temperatur stärker erhöht als die der Mittelelektrode.
Die Hauptaufgabe der Erfindung ist es daher, die herkömmlichen Nachteile zu vermeiden.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen Zündkerzenaufbau zur Verfügung zu stellen, mit dem sich die Zuverlässigkeit einer Verschweißung eines Edelmetallplättchens mit einer Masseelektrode auch dann verbessern lässt, wenn das Edelmetallplättchen zur Erhöhung des Zündvermögens eines gasförmigen Kraftstoffs aus einem dünnen Element besteht.
Eine erste Ausgestaltung der Erfindung sieht hierzu eine Zündkerze gemäß Anspruch 1 vor. Die Unteransprüche betreffen Weiterbildungen der Erfindung.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, die jedoch nur der Erläuterung und dem Verständnis dienen und nicht als Einschränkung der Erfindung verstanden werden sollen. Die Beschreibung erfolgt anhand der beigefügten Zeichnungen, die Folgendes zeigen:
1 eine Teilschnittansicht einer Zündkerze gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 einen vergrößerten Abschnitt der Spitzen einer Masse- und einer Mittelelektrode der Zündkerze von 1;
3(a) eine Seitenansicht eines mit einer Masseelektrode zu verschweißenden Edelmetallplättchens;
3(b) eine Draufsicht auf 3(a);
3(c) eine Seitenansicht des Edelmetallplättchens von 3(a), nachdem es mit der Masseelektrode verschweißt wurde;
3(d) eine Draufsicht auf 3(c);
4(a) eine Seitenansicht mit einer abgewandelten Form eines Schweißverfahrens zur Laserverschweißung eines Edelmetallplättchens mit einer Masseelektrode;
4(b) eine Draufsicht auf 4(a);
5(a) eine vergrößerte Ansicht des Verbindungsaufbaus eines Edelmetallplättchens und einer Masseelektrode;
5(b) eine Schnittansicht entlang der Linie P-P in 5(a);
6 eine vergrößere Ansicht mit den Abmessungen von zwischen einem Edelmetallplättchen und einer Masseelektrode ausgebildeten Laserschmelzabschnitten;
7 eine grafische Darstellung eines Zusammenhangs zwischen dem Ablöseprozentanteil eines nach Haltbarkeitsprüfungen abgelösten Abschnitts der Grenzfläche zwischen einem Edelmetallplättchen und einer Masseelektrode und einem wie 5(a) gezeigten Schmelzwinkel α für verschiedene Werte des Prozentanteils der nicht geschmolzenen Querschnittsfläche der Grenzfläche;
8 eine grafische Darstellung eines Zusammenhangs zwischen einem Ablöseprozentanteil der Grenzfläche zwischen einem Edelmetallplättchen und einer Masseelektrode und der am nächsten an dem Schmelzabschnitt gelegenen Querschnittsfläche des Edelmetallplättchens;
9 eine grafische Darstellung eines Zusammenhangs zwischen einem Ablöseprozentanteil der Grenzfläche zwischen einem Edelmetallplättchen und einer Masseelektrode und einem wie in 5(a) gezeigten Schmelzwinkel α für verschiedene Abstandswerte zwischen dem Mittelpunkt von Schmelzabschnitten und der Oberfläche der Masseelektrode;
10 eine grafische Darstellung eines Zusammenhangs zwischen einem Ablöseprozentanteil der Grenzfläche zwischen einem Edelmetallplättchen und einer Masseelektrode und einer wie in 5(a) gezeigten Aufschmelztiefe H für verschiedene Breitenwerte des Edelmetallplättchens;
11 eine Teilschnittansicht eines gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung abgewandelten Innenaufbaus einer Masseelektrode; und
12 eine Teilseitenansicht einer gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung abgewandelten Masseelektrode, bei der die Biegung der Masseelektrode kleiner ist.
In den Zeichnungen, in denen sich in verschiedenen Ansichten gleiche Bezugszeichen auf gleiche Teile beziehen, ist insbesondere in 1 eine Zündkerze 100 gezeigt, die in Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen verwendet werden kann.
Die Zündkerze 100 hat eine zylinderförmige Metallhülle (Gehäuse) 10, einen Porzellanisolator 20, eine Mittelelektrode 30 und eine Masseelektrode 40. Die Metallhülle 10 besteht aus leitendem Stahl, etwa aus einem Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, und weist in sich eingeschnitten ein Gewinde 11 zur Befestigung der Zündkerze 100 in einem (nicht gezeigten) Motorblock auf. Der aus einer Aluminiumoxidkeramik (Al₂O₃) bestehende Porzellanisolator 20 wird innerhalb der Metallhülle gehalten und weist eine innerhalb der Metallhülle 10 freiliegende Spitze 21 auf.
Die Mittelelektrode 30 ist in einer zentralen Kammer 22 des Porzellanisolators 20 befestigt und elektrisch gegenüber der Metallhülle 10 isoliert. Die Mittelelektrode 30 hat eine Spitze 31, die aus der Spitze 21 des Porzellanisolators 20 vorragt. Die Mittelelektrode 30 wird von einem zylinderförmigen Element gebildet, das aus einem Kernabschnitt aus einem Metallwerkstoff wie Cu mit höherer Wärmeleitfähigkeit und einem Außenabschnitt aus einem Metallwerkstoff wie einer Legierung auf Ni-Basis mit höherem Wärme- und Korrosionswiderstand besteht.
Die Masseelektrode 40 wird von einer prismatischen Stange aus einer Ni-Legierung gebildet, deren Hauptbestandteil Nickel ist, und ist an ihrem Fuß 42 direkt mit einem Ende der Metallhülle 10 verschweißt. Wie in 2 deutlich zu erkennen ist, ist die Masseelektrode 40 L-förmig gebogen, sodass sie eine Spitze 41 aufweist, die an ihrer inneren Seitenfläche 43 der Spitze 31 der Mittelelektrode 30 über einen Funkenspalt 50 hinweg zugewandt ist. Wie nachstehend ausführlicher beschrieben ist, sind mit der Endfläche der Spitze 31 der Mittelelektrode 30 bzw. mit der inneren Seitenfläche 43 der Masseelektrode 40 durch Laserschweißen Edelmetallplättchen 35 und 45 verbunden. Das Laserschweißen führt zur Ausbildung von Schmelzabschnitten 34 und 44. Die Schmelzabschnitte 34 werden von miteinander verschmolzenen Materialien der Mittelelektrode 30 und des Edelmetallplättchens 35 gebildet. Die Schmelzabschnitte 44 werden entsprechend von miteinander verschmolzenen Materialien der Masseelektrode 40 und des Edelmetallplättchens 45 gebildet. Die Edelmetallplättchen 35 und 45 werden jeweils von einem zylinderförmigen Element gebildet und sind an einem ihrer Enden mit entweder der Mittel- oder der Masseelektrode 30 und 40 laserverschweißt. Der Funkenspalt 50 wird durch einen Zwischenraum zwischen den Plättchen 35 und 45 definiert, der beispielsweise 1 mm groß sein kann.
Die Plättchen 35 und 45 bestehen jeweils aus einem Edelmetall wie Pt, einer Pt-Legierung, Ir oder einer Ir-Legierung. So kann z. B. ein Material verwendet werden, das als Hauptbestandteil mindestens 50 Gew.-% Ir und zusätzlich Rh (Rhodium), Pt (Platin), Ru (Ruthenium), Pd (Palladium) und/oder W (Wolfram) enthält. Bei diesem Ausführungsbeispiel bestehen die Plättchen 35 und 45 jeweils aus einer (nachstehend als Ir-10Rh-Legierung bezeichneten) Ir-Legierung mit 90 Gew.-% Ir und 10 Gew.-% Rh.
Die Zündkerze 100 kann auf bekannte Weise hergestellt werden, wobei jedoch die Verbindung des Edelmetallplättchens 42 mit der Spitze 43 der Masseelektrode 40 bei diesem Ausführungsbeispiel durch ein neuartiges Laserschweißverfahren erreicht wird, das nachstehend unter Bezugnahme auf die 3(a) bis 4(b) diskutiert wird. Die Pfeile LZ in den 3(a), 3(b), 4(a), 4(b) geben die Abstrahlrichtung der Laserstrahlen an.
Wie in den 3(a) und 4(a) gezeigt ist, wird das zylinderförmige Edelmetallplättchen 45 zunächst an einem seiner Enden auf die innere Seitenfläche 43 der Masseelektrode 40 gesetzt. Wie in den 3(a), 3(b), 4(a) und 4(b) gezeigt ist, werden anschließend um eine Ecke 45b herum, die von einer Seitenfläche 45a des Edelmetallplättchens 45 und der inneren Seitenfläche 43 der Spitze 41 der Masseelektrode 40 gebildet wird, von einer zu der Seitenfläche 45a und der inneren Seitenfläche 43 schräg verlaufenden Richtung aus Laserstrahlen abgestrahlt, um die Berührungsabschnitte des Edelmetallplättchens 45 und der Spitze 41 der Masseelektrode 40 aufzuschmelzen. Dies führt, wie in den 3(c) und 3(d) gezeigt ist, zur Ausbildung der Schmelzabschnitte 44, die sich aus den miteinander verschmolzenen Materialien des Plättchens 45 und der Masseelektrode 40 zusammensetzen. Die Schmelzabschnitte 45 überlappen sich teilweise um das Plättchen 45 herum.
Das in den 3(a) und 3(b) dargestellte Laserschweißen erfolgt, indem bei festgesetzten Winkelabständen (d. h. 40°) sechs Laserstrahlen gleichzeitig auf die Ecke 45b abgestrahlt werden, ohne sie zu bewegen, während das in den 4(a) und 4(b) dargestellte Laserschweißen erfolgt, indem bei einem Winkelabstand von 40° sechsmal ein Laserstrahl auf die Ecke 45b abgestrahlt wird, während das Plättchen 45 und die Masseelektrode 40 gemeinsam um eine Längsachse des Plättchens 45 gedreht werden. Die Anzahl der Laserpunkte kann als Funktion der Größe oder Form des Plättchens 45 bestimmt werden.
5(a) ist eine vergrößerte Ansicht der 2 und 3(c), die die um das Edelmetallplättchen 45 herum ausgebildeten Schmelzabschnitte 44 zeigt. 5(b) ist eine Schnittansicht entlang der P-P in 5(a), die die Grenzfläche zwischen dem Ende des Plättchens 45 und der inneren Seitenfläche 43 der Masseelektrode 40 zeigt. Die gestrichelten Linien in 5(a) geben die Umrisse des Plättchens 45 und der inneren Seitenfläche 43 vor dem Schweißen an.
Das Edelmetallplättchen 45 hat eine gegebene Länge und eine gegebene seitliche Querschnittsfläche (d. h. in diesem Ausführungsbeispiel eine kreisförmige, quer verlaufende Fläche) von 0,1 mm² bis 0,6 mm². In der folgenden Diskussion wird die Querschnittsfläche eines am nächsten an den Schmelzabschnitten 44 gelegenen Abschnitts des Edelmetallplättchens 45 wie in 5(a) gezeigt als A definiert (und im Folgenden als schmelzabschnittsnahe Querschnittsfläche bezeichnet). An der Grenzfläche des Edelmetallplättchens 45 (d. h. an der Querschnittsfläche P-P) ist ein nicht geschmolzener Abschnitt 46 vorhanden, der dem Abschnitt des Edelmetallplättchens 45 entspricht, der mit der inneren Seitenfläche 43 der Masseelektrode 40 unverschmolzen blieb.
Bei diesem Ausführungsbeispiel beträgt der (nachstehend als nicht geschmolzener Querschnittsflächenprozentanteil bezeichnete) Prozentanteil C der Querschnittsfläche B des nicht geschmolzenen Abschnitts 46 innerhalb des durch die gestrichelte Linie in 5(b) gekennzeichneten Bereichs der schmelzabschnittsnahen Querschnittsfläche A des Edelmetallplättchens 45 höchstens 50% (d. h. C = 100B/A % ≤ 50%). Der (nachstehend als Schmelzwinkel bezeichnete) Winkel α, den die wie in 5(a) gezeigte, sich entlang der maximalen Aufschmelztiefe H jedes Schmelzabschnitts 44 erstreckende Linie mit der inneren Seitenfläche 43 der Spitze 41 der Masseelektrode 40 bildet, beträgt höchstens 40° (α ≤ 40°). Wenn der Punkt, an der sich die in Richtung der maximalen Aufschmelztiefe H jedes Schmelzabschnitts 44 verlaufende Linie wie in 5(a) gezeigt mit der Außenfläche des Schmelzabschnitts 44 schneidet, als F (nachstehend als zentraler Aufschmelzpunkt bezeichnet) definiert wird und der Abstand zwischen dem zentralen Aufschmelzpunkt F und der inneren Seitenfläche 43 der Masseelektrode 40 als y (nachstehend als Abstand des zentralen Aufschmelzpunkts bezeichnet) definiert wird, befindet sich die Lage des zentralen Aufschmelzpunkts F als Funktion des Abstands des zentralen Aufschmelzpunkts y ausgedrückt erfindungsgemäß zwischen 0 mm und 0,3 mm (d. h. 0 mm ≤ y ≤ 0,3 mm). Dabei wird seine Lage als positiver Wert (+) ausgedrückt, wenn sich der zentrale Aufschmelzpunkt F in 5(a) oberhalb der inneren Seitenfläche 43 befindet, und seine Lage wird mit 0 mm definiert, wenn der zentrale Aufschmelzpunkt F auf der inneren Seitenfläche 43 liegt. Der Schmelzwinkel α liegt bezogen auf den Abstand des zentralen Aufschmelzpunkts y zwischen dem zentralen Aufschmelzpunkt F und der inneren Seitenfläche 43 der Masseelektrode 40 erfindungsgemäß innerhalb eines Bereichs von 10° und (30 + 100y)°. Wenn darüber hinaus die Breite (d. h. bei diesem Ausführungsbeispiel der Durchmesser) der Querschnittsflache A als D definiert wird, ist die maximale Aufschmelztiefe H jedes Schmelzabschnitts 44 vorzugsweise höchstens 1,4-mal so groß wie die Breite D (H ≤ 1,4D).
Die oben beschriebenen Abmessungsvorgaben dienen dazu, die bei der Verschweißung des Edelmetallplättchens 45 und der Masseelektrode 40 auftretende Wärmespannung zu senken, und gehen auf folgende Untersuchungen zurück.
Es wurden mehrere Haltbarkeitsprüfungen mit Zündkerzenprobekörpern durchgeführt, die in einen Sechszylindermotor mit 2000 ccm Hubraum eingebaut wurden. Der Motor lief eine Minute lang im Leerlauf und dann eine Minute lang bei voller Geschwindigkeit mit 4000 U/min. Dieser Zyklus wurde 100 Stunden lang wiederholt. Nach den Haltbarkeitsprüfungen wurde die Haltbarkeit der Zündkerzenprobekörper wie folgt im Hinblick auf den Prozentanteil eines Ablöseabschnitts der Grenzfläche zwischen dem Edelmetallplättchen 45 und jedem Schmelzabschnitt 44 (nachstehend als Ablöseprozentanteil Plättchen-Schmelzabschnitt bezeichnet) und den Prozentanteil eines Ablöseabschnitts der Grenzfläche zwischen jedem Schmelzabschnitt und der Masseelektrode 40 (nachstehend als Ablöseprozentanteil Schmelzabschnitt-Elektrode bezeichnet) beurteilt.
Der Ablöseprozentanteil Plättchen-Schmelzabschnitt ist durch {(b1 + b2)/(a1 + a2)} × 100 (%) gegeben. Der Ablöseprozentanteil Schmelzabschnitt-Elektrode ist durch {(d1 + d2)/(c1 + c2)} × 100 (%) gegeben. Wie in 6 gezeigt ist, geben a1 und a2 die Länge der Grenzflächen zwischen den Schmelzabschnitten 44 und dem Edelmetallplättchen 45 und c1 und c2 die Längen der Grenzflächen zwischen den Schmelzabschnitten 44 und der inneren Seitenfläche 43 der Masseelektrode 40 an. b1, b2, d1 und d2 geben jeweils die Länge der Ablöseabschnitte der Grenzflächen an. Die Längen und Formen der abgelösten Abschnitte lassen sich mit Hilfe eines metallografischen Mikroskops untersuchen. Für den Ablöseprozentanteil wurde dann der größere Wert des Ablöseprozentanteils Plättchen-Schmelzabschnitt und des Ablöseprozentanteils Schmelzabschnitt-Elektrode gewählt, um die Haltbarkeit oder Verbindungsstellenfestigkeit der Verschweißung zwischen dem Edelmetallplättchen 45 und der Masseelektrode 40 jedes Zündkerzenprobekörpers zu beurteilen.
7 stellt die Auswirkungen des nicht geschmolzenen Querschnittsflächenprozentanteils C und des Schmelzwinkels α auf die mechanische Festigkeit der Verschweißung zwischen dem Edelmetallplättchen 45 und der Masseelektrode 40 dar. Das bei den Zündkerzenprobekörpern verwendete Edelmetallplättchen 45 bestand aus einem zylinderförmigen Element aus Ir-10Rh-Legierung mit einem Durchmesser D von 0,36 mm (schmelzabschnittsnahe Querschnittsfläche A = 0,1 mm²) und einer wie in 3(a) angegebenen Länge L von 0,8 mm. Die Masseelektrode 40 bestand aus einer Legierung auf Ni-Basis wie Inconel^TM und hatte eine Breite W von 2,8 mm und eine Dicke t von 1,6 mm. Der wie in 5(a) gezeigte Abstand des zentralen Aufschmelzpunkts y zwischen dem zentralen Aufschmelzpunkt F und der inneren Seitenfläche 43 der Masseelektrode 40 betrug Null (0).
Die Darstellung in 7 stellt den Zusammenhang zwischen dem Ablöseprozentanteil (%) und dem Schmelzwinkel α (°) für einen nicht geschmolzenen Querschnittsflächenprozentanteil C von 0%, 25%, 50% und 75% dar. Für jeden nicht geschmolzenen Querschnittsflächenprozentanteil C und jeden Schmelzwinkel α wurden sechs Zündkerzenprobekörper verwendet und wurde derjenige, der den größten Ablöseprozentanteil zeigte, in die grafische Darstellung von 7 eingetragen. Die grafische Darstellung zeigt, dass der Ablöseprozentanteil um so kleiner ist, je kleiner der nicht geschmolzene Querschnittsflächenprozentanteil C und der Schmelzwinkel α sind. Bei der Verwendung von Zündkerzenprobekörpern mit um 10° geänderten Schmelzwinkeln α trat bei einem Schmelzwinkel α von mehr als 40° insofern ein Problem auf, als das Edelmetallplättchen 45 unerwünscht durch die Bestrahlung der Laserstrahlen 40 ausgeschabt wurde, was zu einer deutlich geringeren Verbindungsstellenfestigkeit zwischen dem Metallplättchen 45 und der Masseelektrode 40 führte.
Die grafische Darstellung zeigt, dass die Verbindungsstellenfestigkeit mit abnehmendem Schmelzwinkel α zunimmt. Dies liegt daran, dass der abnehmende Schmelzwinkel α ein stärkeres Aufschmelzen des Edelmetallplättchens 45 zulässt, wodurch der Ir-Legierungsgehalt der Schmelzabschnitte 44 steigt (d. h. wodurch es zu einer Zunahme des linearen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Plättchen 45 und den Schmelzabschnitten 44 kommt), was zu einer Abnahme der auf die Grenzflächen zwischen dem Plättchen 45 und den Schmelzabschnitten 44 wirkenden Wärmespannung führt.
Die grafische Darstellung zeigt außerdem, dass die Zündkerzenprobekörper im Großen und Ganzen die gleiche Verbindungsstellenfestigkeit aufweisen, wenn der nicht geschmolzene Querschnittsflächenprozentanteil C kleiner als 50% ist, dass die Verbindungsstellenfestigkeit jedoch stark abnimmt, wenn er 75% erreicht. Das liegt daran, dass die Querschnittsfläche B des nicht geschmolzenen Abschnitts 46 dann zu groß ist, während die Schmelzabschnitte 44 eine zu geringe Größe haben, als dass die Schmelzabschnitte 44 als Wärmespannungsabsorber dienen könnten.
Obwohl dies nicht dargestellt ist, wurde bestätigt, dass die Auswirkungen des nicht geschmolzenen Querschnittsflächenprozentanteils C und des Schmelzwinkels α auf die Verbindungsstellenfestigkeit zwischen den Edelmetallplättchen 45 und der Masseelektrode 40 unabhängig von der quer verlaufenden Querschnittsfläche des Edelmetallplättchens 45, die bei diesem Ausführungsbeispiel der schmelzabschnittsnahen Querschnittsfläche A des Edelmetallplättchens 45 entspricht, die gleichen wie in 7 sind.
Wie in 8 gezeigt ist, wurden auch die Auswirkungen der Querschnittsfläche A des am nächsten an den Schmelzabschnitten gelegenen Abschnitts des Edelmetallplättchens 45 auf die Verbindungsstellenfestigkeit zwischen dem Edelmetallplättchen 45 und der Masseelektrode 40 untersucht. Dabei wurden Zündkerzenprobekörper verwendet, die ein Edelmetallplättchen 45 aus einem zylinderförmigen Element aus Ir-10Rh-Legierung, dessen Länge L 0,8 mm betrug, und die gleiche Masseelektrode 40 wie bei den Zündkerzenprobekörpern von 7 enthielten. Bei jedem der Zündkerzenprobekörper betrug der Schmelzwinkel α 30°. Der nicht geschmolzene Querschnittsflächenprozentanteil C betrug 50%. Der Abstand des zentralen Aufschmelzpunkts y zwischen dem zentralen Aufschmelzpunkt F und der inneren Seitenfläche 43 der Masseelektrode 40 betrug Null (0). Für jede Querschnittsfläche A wurden vier Zündkerzenprobekörper angefertigt.
8 stellt den Zusammenhang zwischen dem Ablöseprozentanteil (%) und der schmelzabschnittsnahen Querschnittsfläche A (mm²) des Edelmetallplättchens 45 dar. Die grafische Darstellung von 8 zeigt, dass der Ablöseprozentanteil niedrig ist, wenn die schmelzabschnittsnahe Querschnittsfläche A innerhalb eines Bereichs von 0,1 mm² bis 0,6 mm² liegt, was zu einer höheren Verbindungsstellenfestigkeit zwischen dem Edelmetallplättchen 45 und der Masseelektrode 40 führt, dass die Verbindungsstellenfestigkeit jedoch stark abnimmt, wenn die schmelzabschnittsnahe Querschnittsfläche A 0,6 mm² überschreitet. Dies liegt daran, dass die Wärmekapazität des Edelmetallplättchens 45 um so größer ist, je größer die schmelzabschnittsnahe Querschnittsfläche A ist, was zu einer Verstärkung der auf die Grenzfläche zwischen dem Plättchen 45 und den Schmelzabschnitten 45 aufgebrachten Wärmespannung führt. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass das Edelmetallplättchen 45 zu dünn ist, um den zwischen der Mittelelektrode 30 und der Masseelektrode 40 erzeugten Funken zu widerstehen, wenn die schmelzabschnittsnahe Querschnittsfläche A des Edelmetallplättchens 45 kleiner als 0,1 mm² ist.
Es wurde daher festgestellt, dass die Verwendung eines Edelmetallplättchens 45, dessen schmelzabschnittsnahe Querschnittsfläche A innerhalb eines Bereichs von 0,1 mm² bis 0,6 mm² liegt (0,1 mm² ≤ A ≤ 0,6 mm²), ein höheres Zündvermögen für einen gasförmigen Kraftstoff ergibt.
Das bei diesem Ausführungsbeispiel verwendete Edelmetallplättchen 45 besteht aus einem zylinderförmigen Element, dessen Durchmesser über seine gesamte Länge gleichmäßig ist, doch kann es wahlweise auch von einem Zylinder mit einer Schulter gebildet werden. So kann der Fußabschnitt des Edelmetallplättchens 45 nahe den Schmelzabschnitten 44 dünner oder dicker als seine der Mittelelektrode 30 nahe Oberseite sein.
Darüber hinaus wurde auf die nachstehend erläuterte Weise nach den optimalen Werten für den Abstand des zentralen Aufschmelzpunkts y und für die Aufschmelztiefe H gesucht, um die Zuverlässigkeit der Verbindungsstelle zwischen dem Edelmetallplättchen 45 und der Masseelektrode 40 zu verbessern. Die Verbindungsstellenzuverlässigkeit wurde beurteilt, indem wie zuvor nach einer Haltbarkeitsprüfung unter Verwendung von in den Motor eingebauten Zündkerzenprobekörpern der Ablöseprozentanteil gemessen wurde. Dabei wurde festgelegt, dass die Verbindungsstellenzuverlässigkeit für das gewünschte Leistungsvermögen der Zündkerze 100 ausreichend war, wenn der Ablöseprozentanteil höchstens 25% betrug.
Zunächst wurden also die Haltbarkeitsprüfungen für die Zündkerzenprobekörper durchgeführt und dann wie in 9 gezeigt, die Auswirkungen des Abstands des zentralen Aufschmelzpunkts y auf die Verbindungsstellenzuverlässigkeit überprüft. Das Edelmetallplättchen 45 und die Masseelektrode 40 waren bei jedem Zündkerzenprobekörper mit denen identisch, die bei den in 7 gezeigten Haltbarkeitsprüfungen verwendet wurden. Der nicht geschmolzene Querschnittsflächenprozentanteil C betrug 50%.
9 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Schmelzwinkel α (°) und dem Ablöseprozentanteil (%) für einen Abstand des zentralen Aufschmelzpunkts y = 0,3 mm bis 0,4 mm. Es wurden für jeden Schmelzwinkel α und jeden Abstand des zentralen Aufschmelzpunkts y sechs Zündkerzenprobekörper verwendet, wobei derjenige, der den größten Ablöseprozentanteil zeigte, in die grafische Darstellung 9 eingetragen wurde. Die grafische Darstellung zeigt, dass der Ablöseprozentanteil unabhängig vom Schmelzwinkel α ungefähr 100% beträgt, wenn der Abstand des zentralen Aufschmelzpunkts y kleiner als 0,2 mm oder größer als 0,3 mm ist, dass der Ablöseprozentanteil jedoch höchstens 25% beträgt, wenn der Abstand des zentralen Aufschmelzpunkts y zwischen –0,2 mm und 0,3 mm beträgt (–0,2 mm ≤ y ≤ 0,3 mm) und der Schmelzwinkel α höchstens (30 + 100y)° beträgt, was auch nach den Haltbarkeitsprüfungen für eine höhere Verbindungsstellenzuverlässigkeit zwischen dem Edelmetallplättchen 45 in der Masseelektrode 40 sorgte. Dies liegt daran, dass der Ir-Legierungsgehalt der Schmelzabschnitte 44 abnimmt, wenn der Abstand des zentralen Aufschmelzpunkts y weniger als –0,2 mm beträgt, sodass die Differenz des linearen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Plättchen 45 und den Schmelzabschnitten 44 stark zunimmt, was an der Grenzflächen zwischen dem Plättchen 45 und den Schmelzabschnitten 44 zu steigenden Wärmespannungen führt, und dass der Ir-Legierungsgehalt der Schmelzabschnitte 44 stark zunimmt, wenn der Abstand des zentralen Aufschmelzpunkts y mehr als 0,3 mm beträgt, sodass die Differenz des linearen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Plättchen 45 und den Schmelzabschnitten 44 wie oben stark zunimmt, was an der Grenzfläche zwischen den Plättchen 45 und den Schmelzabschnitten 44 zu ansteigenden Wärmespannungen führt.
Obwohl dies nicht dargestellt ist, wurde bestätigt, dass der Schmelzwinkel α und der Abstand des zentralen Aufschmelzpunkts y auf die Verbindungsstellenfestigkeit zwischen dem Edelmetallplättchen 45 und der Masseelektrode 40 unabhängig von der quer verlaufenden Querschnittsfläche des Edelmetallplättchens 45, die bei diesem Ausführungsbeispiel der schmelzabschnittsnahen Querschnittsfläche A des Edelmetallplättchens 45 entspricht, die gleichen Auswirkungen wie oben haben.
Als Nächstes wurden Haltbarkeitsprüfungen durchgeführt und wie in 10 gezeigt, die Auswirkungen der Aufschmelztiefe H auf die Zuverlässigkeit der Verbindungsstelle zwischen dem Edelmetallplättchen 45 und der Masseelektrode 40 untersucht. Die Edelmetallplättchen der in den Haltbarkeitsprüfungen verwendeten Zündkerzenprobekörper bestanden jeweils aus einem zylinderförmigen Element aus Ir-10Rh-Legierung, das einen Durchmesser D von 0,36 mm (schmelzabschnittsnahe Querschnittsfläche A = 0,1 mm²) und eine Länge L von 0,8 mm aufwies. Die Masseelektrode 40 war die gleiche wie bei den Haltbarkeitsversuchen von 7. Der Schmelzwinkel α betrug 30°. Der Abstand des zentralen Aufschmelzpunkts y betrug Null (0). Der nicht geschmolzene Querschnittsflächenprozentanteil C betrug höchstens 50%.
10 zeigt den Zusammenhang zwischen der Aufschmelztiefe H (mm) und dem Ablöseprozentanteil (%) für eine schmelzabschnittsnahe Querschnittsfläche A des Edelmetallplättchens 45 von 0,1 mm² (d. h. Breite D = 0,36 mm) und 0,6 mm² (d. h. Breite D = 0,88 mm). Für jeden Schmelzwinkel α, jede Aufschmelztiefe H und jede schmelzabschnittsnahe Querschnittsfläche A wurden sechs Zündkerzenprobekörper verwendet, wobei derjenige, der den größten Ablöseprozentanteil zeigte, in die grafische Darstellung von 10 eingetragen wurde. Die grafische Darstellung zeigt, dass der Ablöseprozentanteil bei einer schmelzabschnittnahen Querschnittsfläche A im Bereich von 0,1 mm² bis 0,6 mm² höchstens 25% beträgt, solange die Aufschmelztiefe H weniger als 1,4-mal so groß wie die Breite D des Edelmetallplättchens 45 ist, was nach den Haltbarkeitsprüfungen ein höheres Maß an Verbindungsstellenzuverlässigkeit zwischen dem Edelmetallplättchen 45 und der Masseelektrode 40 gewährleistete, dass der Ablöseprozentanteil jedoch groß wird, wenn die Aufschmelztiefe H 1,4D überschreitet, was zu einer starken Abnahme der Verbindungsstellenzuverlässigkeit führt. Dies liegt daran, dass, wenn die Aufschmelztiefe H der Schmelzabschnitte 44 größer als 1,4D ist, in die Schmelzabschnitte 44 eine große Menge des Materials der Masseelektrode 40 eingeschmolzen wird, wodurch sich der Ir-Legierungsgehalt der Schmelzabschnitte 44 erhöht, was zu einer Zunahme der an der Grenzfläche zwischen den Plättchen 45 und den Schmelzabschnitten 44 erzeugten Wärmespannung führt.
Durch den oben beschriebenen Aufbau der Zündkerze 100 entfällt auch die Notwendigkeit, das Edelmetallplättchen 45, wie in der in der Beschreibungseinleitung beschriebenen JP 9-106880 A diskutiert wird, in die Masseelektrode 40 einzupressen und einzubetten, um eine feste Verbindungsstelle zu erzielen. Dies erlaubt es, das Edelmetallplättchen 45 mit der inneren Seitenfläche 43 der Masseelektrode 40 allein dadurch zu verbinden, dass aus einer diagonalen Richtung Laserstrahlen auf eine Grenze zwischen dem Edelmetallplättchen 45 und der inneren Seitenfläche 43 abgestrahlt werden, wodurch ein durch das Pressen hervorgerufener Kollaps des Plättchens 45 vermieden wird.
Wie in 11 gezeigt ist, kann die Masseelektrode 40 eine innere Schicht 70 aus einem Material aufweisen, das eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das Grundmaterial der Masseelektrode 40 aufweist (z. B. eine Legierung auf Ni-Basis). Dies führt an der Spitze 41 oder an der Verbindungsstelle des Edelmetallplättchens 45 und der Masseelektrode 40 zu einem weniger starken Temperaturanstieg, wodurch an der Grenzfläche zwischen dem Edelmetallplättchen 45 und der Masseelektrode 40 die Wärmespannung abnimmt. In dem Fall von 11 besteht die innere Schicht 70 aus einem Schichtaufbau aus Cu und einem Ni-Überzug.
Wie in 12 dargestellt ist, kann die Biegung der Masseelektrode 40 verringert werden, um das Edelmetallplättchen 45 aus der Ausrichtung mit dem Edelmetallplättchen 35 der Mittelelektrode 30 zu bringen. Dies ermöglicht eine Verkürzung der Masseelektrode 40 und führt an der Spitze 41 der Masseelektrode 40 zu einem weniger starken Temperaturanstieg, wodurch die Wärmespannung an der Grenzfläche zwischen dem Edelmetallplättchen 45 und der Masseelektrode 40 abnimmt.
Die Erfindung wurde zwar anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben, um das Verständnis zu verbessern, doch wird darauf hingewiesen, dass die Erfindung auch auf andere Weise ausgeführt werden kann. So können die Edelmetallplättchen 35 und 45 beispielsweise auch aus einem Material bestehen, das als Hauptbestandteil mindestens 50 Gew.-% Pt und zusätzlich Rh, Ir, Os, Ni, W, Pd und/oder Ru oder als Hauptbestandteil mindestens 50 Gew.-% Ir und zusätzlich Rh, Pt, Os, Ni, W, Pd und/oder Ru enthält.

Claims

Zündkerze (100), mit: einer Mittelelektrode (30) mit einer Spitze (35); einer Masseelektrode (40) mit einer der Spitze (35) der Mittelelektrode (30) zugewandten Mittelelektrodengegenfläche (43); einem Edelmetallelement (45) mit einer gegebenen Länge (L) und einem sich über die Länge hinweg gegenüberliegenden ersten und zweiten Ende, das an dem ersten Ende durch Laserschweißen mit der Mittelelektrodengegenfläche (43) der Masseelektrode (40) verbunden ist, sodass das zweite Ende der Spitze (35) der Mittelelektrode (30) über einen Funkenspalt (50) gegenüberliegt; und einem Schmelzabschnitt (44), der eine aus miteinander verschmolzenen Materialien der Masseelektrode (40) und des Edelmetallelements (45) gebildete Verschweißung des Edelmetallelements (45) und der Masseelektrode (40) bildet, wobei die die Länge (L) des Edelmetallelements (45) kreuzende Querschnittsfläche (A) wenigstens 0,1 mm² und höchstens 0,6 mm² beträgt; der nicht geschmolzene Querschnittsflächenprozentanteil (C), d. h. der Prozentanteil der Querschnittsfläche (B) eines nicht geschmolzenen Abschnitts (46) des ersten Endes des Edelmetallelements (45) innerhalb eines Bereichs einer die Länge (L) des Edelmetallelements kreuzenden Querschnittsfläche (A) des Edelmetallelements (45), die am nächsten an dem Schmelzabschnitt (44) gelegenen ist, höchstens 50% beträgt; und wenn der Punkt, an dem sich eine entlang der maximalen Tiefe (H) des Schmelzabschnitts (44) verlaufende Linie mit der Außenfläche des Schmelzabschnitts (44) schneidet, als zentraler Aufschmelzpunkt F definiert wird und der Abstand zwischen dem zentralen Aufschmelzpunkt F und der Mittelelektrodengegenfläche (43) der Masseelektrode (40) als Abstand Schnittpunkt-Fläche y definiert wird, sich der zentrale Aufschmelzpunkt F innerhalb eines Bereichs von 0 mm bis 0,3 mm befindet und der Schmelzwinkel (α), d. h. der Winkel, den eine entlang der maximalen Tiefe (H) des Schmelzabschnitts (44) durch den Schmelzabschnitt gehende Linie mit der Mittelelektrodengegenfläche (43) der Masseelektrode (40) beschreibt, mindestens 10° und höchstens (30 + 100y)° beträgt, wobei y in mm eingesetzt wird.
Zündkerze nach Anspruch 1, bei der, wenn die Breite des am nächsten am Schmelzabschnitt (44) gelegenen Abschnitts des Edelmetallelements (45) als D definiert wird, die maximale Tiefe (H) des Schmelzabschnitts (44) höchstens 1,4D beträgt.
Zündkerze nach Anspruch 1 oder 2, bei der das Edelmetallelement (45) entweder aus einem ersten Material, das als Hauptbestandteil wenigstens 50 Gew.-% Pt und zusätzlich Rh, Ir, Os, Ni, W, Pd und/oder Ru enthält, oder aus einem zweiten Material besteht, das als Hauptbestandteil wenigstens 50 Gew.-% Ir und zusätzlich Rh, Pt, Os, Ni, W, Pd und/oder Ru enthält.