DE10227371A1

DE10227371A1 - Herstellungsverfahren für Zündkerze mit piezoelektrischem Sensor und damit hergestellte Zündkerze

Info

Publication number: DE10227371A1
Application number: DE2002127371
Authority: DE
Inventors: Hiromi Hiramatsu
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-06-20
Filing date: 2002-06-19
Publication date: 2003-01-09
Also published as: US6756722B2; JP2003077620A; US20020195917A1

Abstract

Die Patentanmeldung befasst sich mit einem Zündkerzenherstellungsverfahren und eine durch dieses Verfahren hergestellte Zündkerze. Die Zündkerze ist mit einem piezoelektrischen Sensor (70, 71) ausgestattet, der dazu dient, den Kraftstoffverbrennungsdruck in einem Motor zu messen, und der stets eine auf ihn aufgebrachte gegebene Vorbelastung erfordert. Der piezoelektrische Sensor (70, 71) ist in einem Halter (80) angeordnet und wird zwischen dem Halter und einem Porzellanisolator (20) gehalten. Das Herstellunsgverfahren umfasst die Schritte Pressen des Halters (80), um auf dem piezoelektrischen Sensor (70, 71) in Längsrichtung des Porzellanisolators (20) die erfordelriche Vorbelastung aufzubringen, und Verbinden des Halters mit einer Metallhülle (10), während die auf den piezoelektrischen Sensor aufgebrachte Vorbelastung so gelassen wird, wie sie ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren zur Herstellung einer mit einem piezoelektrischen Sensor ausgestatteten Zündkerze, die zum Messen des Kraftstoffverbrennungsdrucks in einem Verbrennungsmotor dient, und auf eine durch dieses Verfahren hergestellte Zündkerze.
Aus der japanischen Gebrauchsmusterschrift JP 58-23194 U ist eine Zündkerze bekannt, bei der innerhalb eines Gehäuses auf dem Umfang eines Porzellanisolators ein piezoelektrischer Sensor eingebaut ist. In das Gehäuse ist ein ringförmiger Halter oder eine Mutter eingeschraubt, um auf dem piezoelektrischen Sensor eine Vorbelastung aufzubringen, die der piezoelektrische Sensor benötigt, um eine mechanische Verformung von ihm in ein elektrisches Spannungssignal umzuwandeln.
Allerdings ist dieser Zündkerzentyp mit dem Problem verbunden, dass die in das Gehäuse eingeschraubte Mutter direkt an den piezoelektrischen Sensor stößt, wodurch sich der piezoelektrische Sensor verwindet. Im schlimmsten Fall kann es zu einem Bruch des piezoelektrischen Sensors kommen.
Normalerweise ist es notwendig, dass der piezoelektrische Sensor in einer wasserfesten Umgebung angeordnet wird. Allerdings lässt sich der Eintritt von Wasser zwischen der Mutter und dem Gehäuse nur schwer vollständig vermeiden.
Der Erfindung liegt angesichts dessen die Aufgabe zugrunde, ein Herstellungsverfahren für Zündkerzen, mit dem sich der Bruch eines einer Vorbelastung ausgesetzten piezoelektrischen Sensors oder der Eintritt von Wasser in den piezoelektrischen Sensor vermeiden lässt, sowie eine durch dieses Herstellungsverfahren hergestellte Zündkerze zur Verfügung zu stellen.
Gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist ein Zündkerzenherstellungsverfahren vorgesehen, das die Schritte umfasst: (a) Anfertigen einer Pressvorrichtung; (b) Anfertigen eines Zündkerzenaufbaus aus einem hohlzylinderförmigen Porzellanisolator mit gegebener Länge, in dem eine Mittelelektrode angeordnet ist, aus einem Gehäuse, in dem die Mittelelektrode mit Hilfe des Porzellanisolators gehalten wird und an dem eine Masseelektrode angebracht ist, aus einem piezoelektrischen Sensor, der dazu ausgelegt ist, auf einen über den Porzellanisolator übertragenen Kraftstoffverbrennungsdruck innerhalb eines Motors anzusprechen, um ein dafür stehendes Signal zu erzeugen, und aus einem auf das Gehäuse gesetzten Halter zum mechanischen Halten des piezoelektrischen Sensors; (c) Platzieren des Zündkerzenaufbaus innerhalb der Pressvorrichtung; (d) Pressen des Halters, um auf den piezoelektrischen Sensor in Längsrichtung des Porzellanisolators eine gegebene Vorbelastung aufzubringen; und (e) Verbinden des Halters mit dem Gehäuse, während die auf den piezoelektrischen Sensor aufgebrachte Vorbelastung beibehalten wird, um eine Zündkerze fertig zu stellen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Pressvorrichtung einen Pressblock mit entgegengesetzten Enden, von denen eines an den Halter stößt, und eine Schraube, die an das andere Ende des Pressblocks stößt und gedreht wird, um den Halter mit Hilfe des Pressblocks zu pressen.
Der Halter kann mit dem Gehäuse durch Verkerben und/oder Verschweißen verbunden werden.
Gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung ist eine Zündkerze vorgesehen, die in einem Gasmotor eines Generators in Kogenerationssystemen (Kogeneration: gleichzeitige Erzeugung zweier nutzbarer Energiearten) oder in Kraftfahrzeugverbrennungsmotoren eingesetzt werden kann. Die Zündkerze umfasst: (a) eine Mittelelektrode; (b) einen Porzellanisolator mit einer ersten und einer zweiten Länge, wobei die Mittelelektrode in der ersten Länge gehalten wird; (c) ein hohlzylinderförmiges Gehäuse, in dem die Mittelelektrode mit Hilfe des Porzellanisolators gehalten wird und an dem eine Masseelektrode angebracht ist; (d) einen piezoelektrischen Sensor, der auf dem Außenumfang der zweiten Länge des Porzellanisolators angeordnet ist und auf einen über den Porzellanisolator übertragenen Kraftstoffverbrennungsdruck innerhalb eines Motors anspricht, um ein dafür stehendes Signal zu erzeugen; und (e) einen mit dem Gehäuse verschweißten Halter, um auf den piezoelektrischen Sensor stets eine gegebene Vorbelastung aufzubringen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht der Halter aus einem Hohlzylinder, der an einem Ende mit dem Gesamtumfang des Gehäuses verschweißt ist. Zwischen dem anderen Ende des Hohlzylinders und dem Porzellanisolator befindet sich ein Dichtungselement. Der piezoelektrische Sensor ist in einer zwischen dem Halter und dem Porzellanisolator ausgebildeten Kammer angeordnet.
Der Halter kann auch eine Ringscheibe enthalten. Der Hohlzylinder ist an einem Ende mit dem Gesamtumfang des Gehäuses und an dem anderen Ende mit dem gesamten Außenumfang der Ringscheibe verschweißt. Zwischen dem Innenumfang der Ringscheibe und dem Porzellanisolator kann sich das Abdichtungselement befinden. Der piezoelektrische Sensor ist in einer von dem Hohlzylinder, der Ringscheibe und dem Porzellanisolator begrenzten Kammer angeordnet.
Eine Kammer, in der der piezoelektrische Sensor angeordnet ist, kann mit einem harzartigen Material gefüllt sein.
Am Außenumfang des Porzellanisolators kann eine Schulter ausgebildet sein. Zwischen der Schulter und dem piezoelektrischen Sensor kann sich ein Sitzelement in direktem Kontakt mit der Schulter befinden, um den Kraftstoffverbrennungsdruck über das Sitzelement auf den piezoelektrischen Sensor zu übertragen.
Das Gehäuse kann einen von der Mittelelektrode fernen Endabschnitt aufweisen, der mit dem Porzellanisolator verkerbt ist, um den Porzellanisolator innerhalb des Gehäuses zu halten. Das Sitzelement kann sich wahlweise auch zwischen dem verkerbten Endabschnitt des Gehäuses und dem piezoelektrischen Sensor in direktem Kontakt mit dem verkerbten Endabschnitt befinden, um den Kraftstoffverbrennungsdruck über den verkerbten Endabschnitt und das Sitzelement auf den piezoelektrischen Sensor zu übertragen.
Gemäß einer dritten Ausgestaltung der Erfindung ist eine Zündkerze vorgesehen, mit: (a) einer Mittelelektrode; (b) einem Porzellanisolator mit einer ersten und einer zweiten Länge, wobei in der zweiten Länge die Mittelelektrode gehalten wird; (c) einem hohlzylinderförmigen Gehäuse, in dem die Mittelelektrode mit Hilfe des Porzellanisolators gehalten wird und an dem eine Masseelektrode angebracht ist; (d) einem piezoelektrischen Sensor, der auf dem Außenumfang der zweiten Länge des Porzellanisolators angeordnet ist und auf einen über den Porzellanisolator übertragenen Kraftstoffverbrennungsdruck innerhalb eines Motors anspricht, um ein dafür stehendes Signal zu erzeugen; und (e) einem mit dem Gehäuse verkerbten Halter, um auf den piezoelektrischen Sensor stets eine gegebene Vorbelastung aufzubringen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Kammer, in der der piezoelektrische Sensor angeordnet ist, mit einem harzartigen Material gefüllt.
Die Zündkerze umfasst außerdem eine am Außenumfang des Porzellanisolators ausgebildete Schulter und ein zwischen der Schulter und dem piezoelektrischen Sensor in direktem Kontakt mit der Schulter befindliches Sitzelement, um den Kraftstoffverbrennungsdruck über das Sitzelement auf den piezoelektrischen Sensor zu übertragen.
Das Gehäuse kann einen von der Mittelelektrode fernen Endabschnitt aufweisen, der mit dem Porzellanisolator verkerbt ist, um den Porzellanisolator innerhalb des Gehäuses zu halten. Das Sitzelement kann sich wahlweise auch zwischen dem verkerbten Endabschnitt des Gehäuses und dem piezoelektrischen Sensor in direktem Kontakt mit dem verkerbten Endabschnitt befinden, um den Kraftstoffverbrennungsdruck über den verkerbten Endabschnitt und das Sitzelement auf den piezoelektrischen Sensor zu übertragen.
Die Erfindung wird nun genauer anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen beschrieben, die lediglich der Erläuterung und dem Verständnis dienen, die Erfindung aber nicht einschränken sollen. Dabei wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die Folgendes zeigen:
Fig. 1 eine teilweise geschnittene Längsansicht, die eine Zündkerze gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
Fig. 2 eine Sicht auf einen Sitz, der zum Halten eines piezoelektrischen Sensors dient;
Fig. 3 eine teilweise geschnittene Längsansicht von Fig. 2;
Fig. 4 eine Draufsicht auf eine Pressvorrichtung, mit der auf einen piezoelektrischen Sensor eine Vorbelastung aufgebracht wird;
Fig. 5 eine Querschnittansicht entlang der Linie A-A in Fig. 4;
Fig. 6 eine Längsschnittansicht entlang der Linie B-B von Fig. 5;
Fig. 7 eine teilweise geschnittene Längsansicht mit einer Zündkerze gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 8 eine teilweise geschnittene Längsansicht mit einer Zündkerze gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 9 eine teilweise geschnittene Längsansicht mit einer Zündkerze gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 10 eine vergrößerte Teilansicht einer auf einem Porzellanisolator ausgebildeten Schulter, wie sie in Fig. 9 dargestellt ist;
Fig. 11 eine teilweise geschnittene Längsansicht mit einer Zündkerze gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 12 eine teilweise geschnittene Längsansicht mit einer Zündkerze gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
Fig. 13, 14, 15, 16 und 17 Teilschnittansichten mit einem abgewandelten Verbindungsaufbau zwischen einem Sitz, der zum Halten eines piezoelektrischen Sensors dient, und einem Porzellanisolator gemäß einem siebten bis elften Ausführungsbeispiel der Erfindung.
In Fig. 1 der Zeichnungen ist eine erfindungsgemäße Zündkerze 200 gezeigt, die in einem Gasmotor eines Generators in Kogenerationssystemen oder in Kraftfahrzeugverbrennungsmotoren eingesetzt werden kann.
Die Zündkerze 200 weist ein hohlzylinderförmiges Gehäuse oder eine Hülle 10 aus leitendem Stahlmaterial, etwa Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, auf. Die Metallhülle 10 hat einen Flansch 12 und ein Gewinde 11 zur Befestigung der Zündkerze 200 in einem Zylinderkopf 1 des Motors. Die Befestigung der Zündkerze 200 erfolgt durch Einschrauben des Gewindes 11 der Metallhülle 10 in ein in dem Zylinderkopf 1 ausgebildetes Schraubloch, wobei zwischen dem Flansch 12 und dem Gewinde 11 eine Dichtung 13 angeordnet wird. Der Zylinderkopf 1 begrenzt eine Verbrennungskammer 1a innerhalb des Motors.
Die Zündkerze 200 weist außerdem einen zylinderförmigen Porzellanisolator 20, eine Mittelelektrode 30, eine Masseelektrode 50 und einen Stiel 40 auf, an dem ein Anschluss 41 angebracht ist. Der Porzellanisolator 20 besteht aus einer Aluminiumoxidkeramik (Al₂O₃) und wird innerhalb der Metallhülle 10 gehalten. Genauer gesagt ist der Porzellanisolator 20 auf der Seite der Mittelelektrode 30 in die Metallhülle 10 eingeführt und ragt auf der Seite des Stiels 40 aus der Metallhülle 10 heraus. Die Metallhülle 10 weist einen elastisch verformbaren Ringabschnitt 14 auf, der nach innen gepresst oder verkerbt ist, um den Porzellanisolator 20 fest in der Metallhülle 10 zu halten. Die Metallhülle 10 weist außerdem einen mit dem Ringabschnitt 14 zusammenhängenden Flansch 15 auf.
In dem Porzellanisolator 20 ist ein zentrales Längsloch ausgebildet, in das die Mittelelektrode 30 und der Stiel 40 elektrisch isoliert eingebaut sind. Die Mittelelektrode 30 besteht aus einem Kernabschnitt aus einem metallischen Material wie Cu mit höherer Wärmeleitfähigkeit und einem Außenabschnitt aus einem metallischen Material wie einer Legierung auf Ni-Basis mit höherer Wärme- und Korrosionsbeständigkeit. Die Mittelelektrode 30 hat eine Spitze, die über das Kopfende des Porzellanisolators 20 hinausragt. Der Stiel 40 besteht aus einem metallischen Material und weist den Anschluss 40 auf, der aus dem Porzellanisolator 20 herausragt.
Die Masseelektrode 50 besteht aus einem Legierungsstab auf Ni-Basis, dessen Hauptkomponente Nickel ist und der direkt mit dem Ende der Metallhülle 10 verschweißt ist. Die Masseelektrode 40 weist einen um 90° gebogenen Spitzenabschnitt auf, der zwischen sich und der Spitze der Mittelelektrode 30 einen (üblicherweise Funkenspalt genannten) Spalt definiert.
Oberhalb des Ringabschnitts 14 der Metallhülle 10 ist der Porzellanisolator 20 mit einem Sitz 60 versehen. Der Sitz 60 besteht aus einem Metall, um von dem Stiel 40 stammende Hochfrequenzgeräusche zu beseitigen. Wie deutlich aus Fig. 3 hervorgeht, besteht der Sitz 60 aus einem Hohlzylinder 61 und einem Flansch 62, der bei Betrachtung von Fig. 1 von dem unteren Ende des Zylinders 61 aus nach außen vorragt. Der Flansch 62 stößt an den Ringabschnitt 14 der Metallhülle 10. Am Außenumfang des Zylinders 61 ist ein Isolator 63 angebracht, der einen piezoelektrischen Sensor und eine Elektrode 71, die später ausführlich beschrieben werden, von dem Sitz 60 isolieren. Der Isolator 63 kann in Form eines Schrumpfschlauchs aus Tetrafluorethylen (PTFE) vorliegen.
Wie in Fig. 1 gezeigt ist, ist die aus einem Ringelement bestehende Elektrode 71 um den Zylinder 61 des Sitzes 60 herum zwischen einer oberen piezoelektrischen Einrichtung 70 und einer unteren piezoelektrischen Einrichtung 70 angeordnet. Auf der oberen und unteren piezoelektrischen Einrichtung 70 liegen Unterlegscheiben 45 mit rauer Oberfläche, um einen Bruch der piezoelektrischens Einrichtungen 70 zu vermeiden. Die obere und untere piezoelektrische Einrichtung 70 und die Elektrode 71 bilden den piezoelektrischen Sensor. Die piezoelektrischen Einrichtungen 70 bestehen jeweils aus einem ringförmigen Element aus Bleititanat oder Bleizirkonat- Titanat und dienen dazu, als Funktion einer aufgebrachten mechanischen Spannung eine elektrische Ladung zu erzeugen. Der piezoelektrische Sensor wird dazu verwendet, den Kraftstoffverbrennungsdruck innerhalb der Verbrennungskammer 1a des Motors zu messen.
Die Zündkerze 200 weist außerdem einen metallischen Halter 80 auf, der auf einen Abschnitt der Metallhülle 10 gesetzt ist, der aus dem Zylinderkopf 1 des Motors nach außen vorragt. Der Halter 80 definiert zwischen sich und dem Porzellanisolator 20 eine Ringkammer, in der sich der Sitz 60, die piezoelektrischen Einrichtungen 70 und die Elektrode 71 befinden. Der Halter 80 besteht aus einem Hohlzylinder 81 und einer Ringplatte bzw. einem Kopf 82, der von einem Ende des Zylinders 81 aus in Kontakt mit den piezoelektrischen Einrichtungen 70 nach innen verläuft. Der Halter 80 ist an seinem offenen Ende mit dem Gesamtumfang des Flansches 12 der Metallhülle 10 verschweißt. In einer Innenwand des Kopfes 82 ist eine Nut ausgebildet, in der sich ein O-Ring 90 aus Gummi befindet, um für eine gegenüber Flüssigkeit dichte Abdichtung zwischen dem Halter 80 und dem Porzellanisolator 20 zu sorgen. Wie deutlich aus Fig. 2 hervorgeht, ist außerdem auf dem Außenumfang des Halters 80 ein achteckiger Kopf 83 ausgebildet, um den Einbau der Zündkerze 200 in den Zylinderkopf 1 zu erleichtern.
Das Verbinden des Halters 80 und der Metallhülle 10, das einer der Herstellungsvorgänge für die Zündkerze 200 ist, wird ausführlich unter Bezugnahme auf die Fig. 4 bis 6 beschrieben.
Der Halter 80 wird mit Hilfe einer Pressvorrichtung 100 in Längsrichtung der Metallhülle 10 gepresst, um den piezoelektrischen Einrichtungen 70 eine Vorbelastung zu verleihen, und mit dem Flansch 12 der Metallhülle 10 verschweißt. Wie klar aus Fig. 6 hervorgeht, besteht die Pressvorrichtung 100 aus einer Basis 101, einem inneren Pressblock 102, einer Abdeckung 103 und einer Schraube 104.
Die Basis 101 besteht aus einem Hohlzylinder, dessen bei Betrachtung von Fig. 6 oberes Ende ein erstes Loch 101a aufweist, das einen größeren Innendurchmesser als der Maximaldurchmesser der Zündkerze 200 hat. In dem anderen Ende der Basis 101 ist ein zweites Loch 101b ausgebildet, das an dem ersten Loch 101a ausgerichtet ist und einen etwas größeren Innendurchmesser als der Außendurchmesser des Gewindes 11 der Zündkerze 200 hat. Die Zündkerze 200 wird von dem ersten Loch 101a aus in die Pressvorrichtung 100 gesetzt. Das Gewinde 11 wird in das zweite Loch 101b eingeführt, wodurch die Zündkerze 200 in der Basis 101 gehalten wird. Die Basis 101 weist in ihrer Umfangswand außerdem vier Durchgangslöcher 101c auf, die in regelmäßigen Abständen ausgebildet sind. Die Löcher 101c sind jeweils dem Flansch 12 der Metallhülle 10 zugewandt, mit dem der Halter 80 verschweißt wird. Die Basis 101 weist ein Gewinde 101d auf, das in einem Ansatz am Ende des Zylinders 101 ausgeschnitten ist.
Der Pressblock 102 hat einen Boden und ist innerhalb des ersten Lochs 101a gleitend angeordnet, wobei sich sein offenes Ende mit dem Kopf 82 der Schulter 80 in direktem Kontakt befindet. An der Abdeckung 103 ist ein Außengewinde 103a ausgebildet, um eine Schraubverbindung mit dem Gewinde 101d der Basis 101 herzustellen, während in ihrem Boden ein Innengewinde 103b ausgebildet ist, um eine Schraubverbindung mit der Schraube 104 herzustellen.
Die Befestigung des Halters 80 an der Metallhülle 10 wird durch den folgenden Vorgang erreicht.
Nachdem sämtliche Teile der Zündkerze 200 mit Ausnahme der Dichtung 13 fertig zusammengebaut worden sind, wird die Zündkerze 200 zunächst von dem ersten Loch 101a aus in die Pressvorrichtung 100 eingeführt. Das Gewinde 11 wird in das zweite Loch 101b geschraubt, um die Zündkerze 200 innerhalb der Basis 101 zu halten.
Als nächstes wird der Pressblock 102 von dem ersten Loch 101a aus eingeführt. Nachdem der Pressblock 102 an dem Kopf 82 der Schulter 80 angestoßen ist, wird die Abdeckung 103 mit der Schraube 104 durch In-Eingriff- Bringen des Gewindes 103a mit dem Gewinde 101d der Basis 101 an der Basis 101 angebracht.
Die Schraube 104 wird mit einem gegebenen Drehmoment festgezogen, um den Halter 80 mit Hilfe des Pressblocks 102 in Längsrichtung des Porzellanisolators 20 zu pressen, wodurch den piezoelektrischen Einrichtungen 70 eine Vorbelastung (d. h. ein Kompressionsdruck) verliehen wird.
Während die Vorbelastung gehalten wird, wird durch die Durchgangslöcher 101c hindurch auf mehrere Abschnitte des Halters 80 ein Laserstrahl aufgebracht, um das offene Ende des Halters 80 dadurch vorübergehend mit dem Flansch 12 der Metallhülle 10 zu verbinden.
Nachdem das Verschweißen des Halters 80 mit der Metallhülle 10 beendet ist, wird die Zündkerze 200 aus der Pressvorrichtung 100 entfernt. Dann wird auf den Gesamtumfang des Zylinders 81 des Halters 80 ein Laserstrahl aufgebracht, um den Halter 80 vollständig mit der Metallhülle 10 zu verschweißen. Die anderen Fertigungsvorgänge für die Zündkerze 200 sind nicht Hauptbestandteil der Erfindung und weithin bekannt. Auf eine ausführliche Erläuterung wird daher verzichtet.
Im Gebrauch wird die auf diese Weise hergestellte Zündkerze 200 über die Dichtung 13 in den Zylinderkopf 1 eingebaut. Wenn in der Verbrennungskammer 1a des Motors ein Luft-Kraftstoff-Gemisch verbrannt wird, wird dies dazu führen, dass der Verbrennungsdruck auf den Porzellanisolator 20 wirkt, sodass er bei Betrachtung von Fig. 1 nach oben gedrückt wird. Dieser nach oben gehende Druck wird über den Ringabschnitt 14 der Metallhülle 10 und den Flansch 62 des Sitzes 60 auf die piezoelektrischen Einrichtungen 70 übertragen oder aufgebracht. Die piezoelektrischen Einrichtungen 70 erzeugen als Funktion des auf sie aufgebrachten Drucks (d. h. des Verbrennungsdrucks) ein elektrisches Signal.
Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, lässt sich die auf die piezoelektrischen Einrichtungen 70 aufgebrachte Vorbelastung feinjustieren, indem der Druck gesteuert wird, mit dem die Schraube 104 der Pressvorrichtung 100 festgezogen wird. Der zwischen der Schraube 104 und dem Halter 80 befindliche Pressblock 102 dient dazu, eine direkte Übertragung des Drehmoments der Schraube 104 auf den Halter 80 zu vermeiden, wodurch ein Verwinden des Halters 80 durch die Drehung der Schraube 104 minimiert und somit ein ungewünschter Bruch der piezoelektrischen Einrichtungen 70 vermieden wird.
Im Übrigen wird der Halter 80 ohne Verwindung direkt mit der Metallhülle 10 verschweißt, sodass auf die piezoelektrischen Einrichtungen 70 während des Einbaus des Halters 80 kein Drehmoment übertragen wird.
Da der Gesamtumfang des Zylinders 81 des Halters 80 mit dem Flansch 12 der Metallhülle 10 verschweißt wird, ergibt sich zwischen diesen eine gegenüber Flüssigkeiten dichte Abdichtung. Abgesehen davon wird der Spalt zwischen der Innenwand des Kopfes 82 des Halters 80 und dem Porzellanisolator 20 von dem O-Ring 90 abgedichtet, wodurch vollständig das Eindringen von Wasser zu den piezoelektrischen Einrichtungen 70 hin vermieden wird.
Fig. 7 zeigt eine Zündkerze 200 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das sich von dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel lediglich im Hinblick auf die Stelle unterscheidet, an der der Halter 80 mit der Metallhülle 10 verschweißt ist. Da die Anordnung ansonsten identisch ist, wird auf eine ausführliche Erläuterung des Gesamtaufbaus verzichtet.
Der Zylinder 81 des Halters 80 ist kürzer als bei dem ersten Ausführungsbeispiel, um seine Steifigkeit zu erhöhen. Das offene Ende des Zylinders 1 ist mit dem gesamten Umfang des zweiten Flansches 15 verschweißt, der bei Betrachtung der Zeichnung oberhalb des Flansches 12 der Metallhülle 10 ausgebildet ist. Dadurch dehnt sich der Zylinder 81 des Halters 80 weniger stark aus, wenn der Porzellanisolator 20 dem Verbrennungsdruck unterliegt, wodurch die Empfindlichkeit der piezoelektrischen Einrichtungen 70 verbessert wird.
Der Außendurchmesser des ersten Flansches 12 kann größer als der Maximaldurchmesser des Halters 80 sein, um einen achteckigen Kopf auszubilden, der zum Einschrauben der Zündkerze 200 in den Zylinderkopf 1 des Motors verwendet werden kann. Dies vermeidet eine Übertragung des Drehmoments, das beim Einbau oder beim Entfernen der Zündkerze 200 in oder aus dem Zylinderkopf 1 entsteht, auf die Verschweißung des Halters 80 mit der Metallhülle 10. Dieser Aufbau ist daher insbesondere dann nützlich, wenn sich bei der Verschweißung zwischen dem Halter 80 und der Metallhülle 10 nur schwer eine hohe Festigkeit sicherstellen lässt.
Fig. 8 zeigt eine Zündkerze 200 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das sich von dem ersten Ausführungsbeispiel insofern unterscheidet, als der Halter 80 aus einem Hohlzylinder 85 und einer Ringscheibe 86 besteht. Da der Aufbau ansonsten identisch ist, wird auf eine ausführliche Erläuterung des Gesamtaufbaus verzichtet.
Die Befestigung des Halters 80 mit der Metallhülle 10 erfolgt auf folgende Weise.
Der Zylinder 85 des Halters wird zunächst mit dem gesamten Umfang des ersten Flansches 12 der Metallhülle 10 verschweißt. Als nächstes wird die Zündkerze 200 innerhalb der Basis 101 der Pressvorrichtung 100 angeordnet. Der Pressblock 102 wird in der Basis 101 in direkten Kontakt mit der Ringscheibe 86 des Halters 80 gebracht. Die Schraube 104 wird mit einem gegebenen Drehmoment festgezogen, um die Ringscheibe 86 mit Hilfe des Pressblocks 102 in Längsrichtung des Porzellanisolators 20 zu pressen, wodurch den piezoelektrischen Einrichtungen 70 eine Vorbelastung (d. h. ein Kompressionsdruck) verliehen wird.
Während die Vorbelastung so gelassen wird, wie sie ist, wird durch die Durchgangslöcher 101c ein Laserstrahl aufgebracht, um zwischen dem Zylinder 85 und der Ringscheibe 86 des Halters 80 mehrere diskrete Verschweißungen auszubilden. Nachdem das Schweißen abgeschlossen ist, wird die Zündkerze 200 aus der Pressvorrichtung 100 entfernt. Schließlich wird der Laserstrahl auf den gesamten Umfang des Zylinders 85 aufgebracht, um ihn vollständig mit der Ringscheibe 86 zu verschweißen, wodurch eine gegenüber Flüssigkeit dichte Abdichtung zwischen dem Zylinder 85 und der Ringscheibe 86 sichergestellt wird.
Die Fig. 9 und 10 zeigen eine Zündkerze 200 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das sich von dem ersten bis dritten Ausführungsbeispiel insofern unterscheidet, als der Sitz 60 direkt auf einer Schulter 21 liegt, die im Abstand zum Kerbabschnitt 14 auf dem Umfang des Porzellanisolators 20 ausgebildet ist. Da der Aufbau ansonsten identisch ist, wird auf eine ausführliche Erläuterung des Gesamtaufbaus verzichtet.
Der Porzellanisolator 20 weist einen zylinderförmigen Führungsabschnitt 22 auf, von dem die Schulter 21 nach außen vorragt. Die Schulter 21 hat eine Ringfläche 21a, die senkrecht zur Längsmittellinie des Porzellanisolators 20 verläuft. Entsprechend verläuft auch die an die Ringfläche 21a der Schulter 21 stoßende Bodenfläche 62a des Flansches 62 des Sitzes 60 senkrecht zur Längsmittellinie des Porzellanisolators 20.
Wie deutlich in Fig. 10 gezeigt ist, ist der Außendurchmesser D der Schulter 21 größer als der Innendurchmesser d der piezoelektrischen Einrichtungen 70, sodass sich die piezoelektrischen Einrichtungen 70 und die Ringfläche 21a überlappen können, um dadurch die Übertragungseffizienz des in dem Motor erzeugten Verbrennungsdrucks auf die piezoelektrischen Einrichtungen 70 zu erhöhen. Die Überlappung zwischen der Ringfläche 21a und den piezoelektrischen Einrichtungen 70 ist in Fig. 10 mit a gekennzeichnet.
Zwischen dem ersten und zweiten Flansch 12 und 15 der Metallhülle 10 ist ein Abschnitt kleinen Durchmessers 16 ausgebildet. Das Verkerben des verformbaren Abschnitts 14 erfolgt, indem der Abschnitt kleinen Durchmessers 16 erwärmt und der verformbare Abschnitt 14 nach innen gedrückt wird.
Wenn das Luft-Kraftstoff-Gemisch in der Verbrennungskammer 1a des Motors verbrannt wird, führt dies dazu, dass der Verbrennungsdruck auf den Porzellanisolator 20 wirkt, um ihn bei Betrachtung von Fig. 9 nach oben zu drücken. Dieser nach oben gerichtete Druck wird über die Schulter 21a und den Flansch 62 des Sitzes 60 auf die piezoelektrischen Einrichtungen 70 übertragen oder aufgebracht. Genauer gesagt wird der Verbrennungsdruck auf die piezoelektrischen Einrichtungen 70 übertragen, ohne dass er durch die Metallhülle 10 hindurchgeht, was die Empfindlichkeit der piezoelektrischen Einrichtungen 70 verbessert.
Auf die piezoelektrischen Einrichtungen 70 werden normalerweise Motorschwingungen übertragen, die sich dem Ausgangssignal der piezoelektrischen Einrichtungen 70 als elektrische Störungen überlagern. Die Schwingungen dringen an der Metallhülle 10 ein. Wenn daher die Metallhülle 10 auf der Verbrennungsdruckübertragungslinie liegt, führt dies dazu, dass die Motorschwingungen direkt auf die piezoelektrischen Einrichtungen 70 übertragen werden. Im Gegensatz dazu vermeidet der Aufbau dieses Ausführungsbeispiels eine direkte Übertragung der Motorschwingungen auf die piezoelektrischen Einrichtungen 70. Genauer gesagt werden die in die Metallhülle 10eingebrachten Motorschwingungen über den Porzellanisolator 20 auf die piezoelektrischen Einrichtungen 70 übertragen, wodurch die dem Ausgangssignal der piezoelektrischen Einrichtungen 70 überlagerten Störungen abnehmen.
Der Ringabschnitt 14 der Metallhülle 10 wird wie vorstehend beschrieben nach innen gedrückt, sodass er am Umfang des Porzellanisolators 20 verkerbt wird, während der Abschnitt kleinen Durchmessers 16 erwärmt wird. Der zum Verkerben des Ringabschnitts 14 aufgebrachte Druck führt zu einer Längskompression der Metallhülle 10, die dazu führt, dass der erwärmte Abschnitt kleinen Durchmessers 16 sich in Längsrichtung der Metallhülle 10 zusammenzieht. Dies führt zu einem festen Zusammenhalt zwischen der Metallhülle 10 und dem Porzellanisolator 20 am Verkerbungsabschnitt 14 und zu einer Verbindung der Metallhülle 10 und des Porzellanisolators 20, wodurch eine hermetische Abdichtung zwischen der Metallhülle 10 und dem Porzellanisolator 20 sichergestellt wird.
Fig. 11 zeigt eine Zündkerze 200 gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung, das sich von dem vierten Ausführungsbeispiel insofern unterscheidet, als dass der verformbare Abschnitt 14 der Metallhülle 10 nach innen gedrückt und an dem Porzellanisolator 20 verkerbt wird, ohne den Abschnitt kleinen Durchmessers 16 zu erwärmen.
Zwischen einer Innenwand der Metallhülle 10 und einer Außenwand des Porzellanisolators 20 ist eine Ringkammer definiert, in die ein Talkpulver 110 gepackt ist, um eine hermetische Abdichtung zwischen der Metallhülle 10 und dem Porzellanisolator 20 zu erzielen. Da der Aufbau ansonsten mit dem des vierten Ausführungsbeispiels identisch ist, wird auf eine ausführliche Beschreibung des Gesamtaufbaus verzichtet.
Fig. 12 zeigt eine Zündkerze 200 gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das sich von dem vierten Ausführungsbeispiel insofern unterscheidet, als dass der Porzellanisolator 20 in die Metallhülle 10 eingepasst ist, ohne dass das Ende der Metallhülle 10 verkerbt ist.
Der Porzellanisolator 20 wird innerhalb der Metallhülle 10 gehalten. Der Halter 80 ist auf die Metallhülle 10 gepasst, um die piezoelektrischen Einrichtungen 70 über den Sitz 60 an dem Porzellanisolator 20 anzubringen. Durch den Wegfall des Verkerbungsabschnitts der Metallhülle 10 kann der Außendurchmesser der Schulter 21 des Porzellanisolators 20 erhöht werden, was zu einer größeren Überlappung a führt. Da der Aufbau ansonsten identisch mit dem des vierten Ausführungsbeispiels ist, wird auf eine ausführliche Erläuterung des Gesamtaufbaus verzichtet.
Bei den obigen Ausführungsbeispielen schränkt der Verkerbungsabschnitt 14 der Metallhülle 10 die Bewegung des Porzellanisolators 20 ein, die zu der Kontraktion der piezoelektrischen Einrichtungen 70 führt, weswegen es zu einer Abnahme der Empfindlichkeit der piezoelektrischen Einrichtungen 70 kommt. Der Aufbau dieses Ausführungsbeispiels dient dazu, dieses Problem zu mindern.
Die Fig. 13 bis 17 zeigen ein siebtes bis elftes Ausführungsbeispiel, die sich von dem vierten bis sechsten Ausführungsbeispiel lediglich im Hinblick auf den Aufbau der Schulter 21 des Porzellanisolators 20 und des Sitzes 60 unterscheiden. Da der Aufbau ansonsten identisch ist, wird auf eine ausführliche Erläuterung des Gesamtaufbaus verzichtet.
Bei dem siebten Ausführungsbeispiel von Fig. 13 hat die Schulter 21 des Porzellanisolators 20 eine Ringfläche 21a, die gegenüber der Längsmittellinie des Porzellanisolators 20 um einen gegebenen Winkel abgeschrägt ist. Entsprechend hat der Flansch 62 des Sitzes 60 eine schräge Fläche 62a, damit sich ein enger Kontakt mit der schrägen Fläche 21a des Porzellanisolators 20 ergibt.
Bei dem achten Ausführungsbeispiel von Fig. 14 hat die Schulter 21 des Porzellanisolators 20 eine abgeschrägte oder abgerundete äußere Ecke, die mit d gekennzeichnet ist, und eine abgerundete innere Ecke, die mit c gekennzeichnet ist. Der Flansch 62 des Sitzes 60 hat entsprechend eine abgerundete innere Ecke, die mit c gekennzeichnet ist.
Bei dem neunten Ausführungsbeispiel von Fig. 15 weist der Flansch 62 des Sitzes 60 eine ringförmige Vertiefung 62a auf, die auf die Schulter 21 des Porzellanisolators 20 gepasst ist, damit sich in Radiusrichtung ein exakter Lagezusammenhang zwischen dem Porzellanisolator 20 und dem Sitz 60 ergibt. Zwischen der Innenwand des Zylinders 61 des Sitzes 60 und der Außenwand des zylinderförmigen Führungsabschnitts 22 des Porzellanisolators 20 ist ein Spalt ausgebildet, in den ein Dichtungselement 120 gepackt ist.
Das zehnte Ausführungsbeispiel von Fig. 16 stellt eine Abwandlung des neunten Ausführungsbeispiels in Fig. 15 dar.
Der Porzellanisolators 20 hat eine abgeschrägte Oberfläche 21a. Die ringförmige Vertiefung 62a des Flansches 62 des Sitzes 60 ist abgeschrägt, damit sich eine enge Passung mit der abgeschrägten Fläche 21a des Porzellanisolators 20 ergibt. Zwischen dem Sitz 60 und dem Porzellanisolator 20 befindet sich das Abdichtelement 120. Der übrige Aufbau ist ansonsten identisch.
Das elfte Ausführungsbeispiel von Fig. 17 stellt eine Kombination des achten und neunten Ausführungsbeispiels von Fig. 14 und Fig. 15 dar.
Die Schulter 21 des Porzellanisolators 20 hat wie das achte Ausführungsbeispiel abgerundete äußere und innere Ecken. Der Flansch 62 des Sitzes 60 weist wie das neunte Ausführungsbeispiel die ringförmige Vertiefung 62a auf, die auf die Schulter 21 des Porzellanisolators 20 gepasst ist. Die ringförmige Vertiefung 62a hat abgerundete innere und äußere Ecken. Die äußere Ecke der ringförmigen Vertiefung 62a ist auf die äußere Ecke der Schulter 21 des Porzellanisolators 20 gepasst. Zwischen dem Sitz 60 und dem Porzellanisolator 20 befindet sich das Dichtungselement 120.
Die Erfindung wurde zwar mit Blick auf bevorzugte Ausführungsbeispiele erläutert, um das Verständnis zu erleichtern, doch die Erfindung kann natürlich auch auf verschiedene andere Weise umgesetzt werden, ohne vom Grundprinzip abzuweichen. So können beispielsweise der Halter 80 und die Metallhülle 10 miteinander durch Widerstandsschweißen, Hartlöten oder Weichlöten verbunden werden. Wahlweise kann der Halter 80 auch mit der Metallhülle 10 verbunden werden, indem ein Ende des Halters 80 nach innen gedrückt oder verkerbt wird. Nach dem Verkerben der Metallhülle 10 kann der Halter 80 auch geschweißt werden. Abgesehen davon kann der Spalt zwischen dem Halter 80 und dem Porzellanisolator 2 mit einem harzartigen Material wie Silikon gefüllt werden, sodass sich zwischen diesen eine gegenüber Flüssigkeiten dichte Abdichtung ergibt, um das Eindringen von Wasser in die piezoelektrischen Einrichtungen 70 zu vermeiden. Das harzartige Material kann über ein Loch in den Halter 80 eingepackt werden, das in dem Halter 80 ausgebildet wird, nachdem der Halter 80 an der Metallhülle 10 befestigt wurde.

Claims

1. Zündkerzenherstellungsverfahren, mit den Schritten:
Anfertigen einer Pressvorrichtung (100);
Anfertigen eines Zündkerzenaufbaus aus einem hohlzylinderförmigen Porzellanisolator (20) mit gegebener Länge, in dem eine Mittelelektrode (30) angeordnet ist, aus einem Gehäuse (10), in dem die Mittelelektrode mit Hilfe des Porzellanisolators gehalten wird und an dem eine Masseelektrode (50) angebracht ist, aus einem piezoelektrischen Sensor (70, 71), der dazu ausgelegt ist, auf einem über den Porzellanisolator übertragenen Kraftstoffverbrennungsdruck innerhalb eines Motors anzusprechen, um ein dafür stehendes Signal zu erzeugen, und aus einem auf das Gehäuse gesetzten Halter (80) zum mechanischen Halten des piezoelektrischen Sensors;
Platzieren des Zündkerzenaufbaus innerhalb der Pressvorrichtung (100);
Pressen des Halters (80), um auf den piezoelektrischen Sensor (70, 71) in Längsrichtung des Porzellanisolators (20) eine gegebene Vorbelastung aufzubringen; und
Verbinden des Halters (80) mit dem Gehäuse (10), während die auf den piezoelektrischen Sensor (70, 71) aufgebrachte Vorbelastung beibehalten wird, um eine Zündkerze (200) fertig zu stellen.

2. Zündkerzenherstellungsverfahren nach Anspruch 1, bei dem die Pressvorrichtung (100) einen Pressblock (102) mit entgegengesetzten Enden, von denen eines an den Halter (80) stößt, und eine Schraube (104) umfasst, die an das andere Ende des Pressblocks stößt und gedreht wird, um den Halter mit Hilfe des Pressblocks zu pressen.

3. Zündkerzenherstellungsverfahren nach Anspruch 1, bei dem der Halter (80) mit dem Gehäuse (10) durch Verkerben und/oder Verschweißen verbunden wird.

4. Zündkerze (200), mit:
einer Mittelelektrode (30);
einem Porzellanisolator (20) mit einer ersten und einer zweiten Länge, wobei die Mittelelektrode (30) in der ersten Länge gehalten wird;
einem hohlzylinderförmigen Gehäuse (10), in dem die Mittelelektrode (30) mit Hilfe des Porzellanisolators (20) gehalten wird und an dem eine Masseelektrode (50) angebracht ist;
einem piezoelektrischen Sensor (70, 71), der auf dem Außenumfang der zweiten Länge des Porzellanisolators (20) angeordnet ist und auf einen über den Porzellanisolator übertragenen Kraftstoffverbrennungsdruck innerhalb eines Motors anspricht, um ein dafür stehendes Signal zu erzeugen; und
einem mit dem Gehäuse (10) verschweißten Halter (80), um auf den piezoelektrischen Sensor (70, 71) stets eine gegebene Vorbelastung aufzubringen.

5. Zündkerze nach Anspruch 4, bei der der Halter (80) aus einem Hohlzylinder (81) besteht, der an einem Ende mit dem Gesamtumfang des Gehäuses (10) verschweißt ist, und bei der sich zwischen dem anderen Ende des Hohlzylinders (81) und dem Porzellanisolator (20) ein Dichtungselement (90) befindet, wobei der piezoelektrische Sensor (70, 71) in einer zwischen dem Halter und dem Porzellanisolator ausgebildeten Kammer angeordnet ist.

6. Zündkerze nach Anspruch 4, bei der der Halter (80) einen Hohlzylinder (85) und eine Ringscheibe (86) umfasst, bei der der Hohlzylinder (85) an einem Ende mit dem Gesamtumfang des Gehäuses (10) und an dem anderen Ende mit dem gesamten Außenumfang der Ringscheibe (86) verschweißt ist und bei der sich zwischen dem Innenumfang der Ringscheibe und dem Porzellanisolator (20) ein Dichtungselement (90) befindet, wobei der piezoelektrische Sensor (70, 71) in einer von dem Hohlzylinder, der Ringscheibe und dem Porzellanisolator begrenzten Kammer angeordnet ist.

7. Zündkerze nach Anspruch 4, bei der eine Kammer, in der der piezoelektrische Sensor (70, 71) angeordnet ist, mit einem harzartigen Material gefüllt ist.

8. Zündkerze nach Anspruch 4, bei der am Außenumfang des Porzellanisolators (20) eine Schulter (21) ausgebildet ist und bei der sich zwischen der Schulter und dem piezoelektrischen Sensor (70, 71) ein Sitzelement (60) in direktem Kontakt mit der Schulter befindet, um den Kraftstoffverbrennungsdruck über das Sitzelement auf den piezoelektrischen Sensor zu übertragen.

9. Zündkerze nach Anspruch 4, bei der das Gehäuse (10) einen von der Mittelelektrode (30) fernen Endabschnitt (14) aufweist, der mit dem Porzellanisolator (20) verkerbt ist, um den Porzellanisolator innerhalb des Gehäuses zu halten und bei der sich zwischen dem verkerbten Endabschnitt (14) des Gehäuses und dem piezoelektrischen Sensor (70, 71) ein Sitzelement (60) in direktem Kontakt mit dem verkerbten Endabschnitt befindet, um den Kraftstoffverbrennungsdruck über den verkerbten Endabschnitt und das Sitzelement auf den piezoelektrischen Sensor zu übertragen.

10. Zündkerze (200), mit:
einer Mittelelektrode (30);
einem Porzellanisolator (20) mit einer ersten und einer zweiten Länge, wobei in der zweiten Länge die Mittelelektrode (30) gehalten wird;
einem hohlzylinderförmigen Gehäuse (10), in dem die Mittelelektrode (30) mit Hilfe des Porzellanisolators (30) gehalten wird und an dem eine Masseelektrode (50) angebracht ist;
einem piezoelektrischen Sensor (70, 71), der auf dem Außenumfang der zweiten Länge des Porzellanisolators (20) angeordnet ist und auf einen über den Porzellanisolator übertragenen Kraftstoffverbrennungsdruck innerhalb eines Motors anspricht, um ein dafür stehendes Signal zu erzeugen; und
einem mit dem Gehäuse (10) verkerbten Halter (80), um auf den piezoelektrischen Sensor (70, 71) stets eine gegebene Vorbelastung aufzubringen.

11. Zündkerze nach Anspruch 10, bei der eine Kammer, in der der piezoelektrische Sensor (70, 71) angeordnet ist, mit einem harzartigen Material gefüllt ist.

12. Zündkerze nach Anspruch 10, bei der am Außenumfang des Porzellanisolators (20) eine Schulter (21) ausgebildet ist und bei der sich zwischen der Schulter und dem piezoelektrischen Sensor (70, 71) ein Sitzelement (60) in direktem Kontakt mit der Schulter befindet, um den Kraftstoffverbrennungsdruck über das Sitzelement auf den piezoelektrischen Sensor zu übertragen.

13. Zündkerze nach Anspruch 10, bei der das Gehäuse (10) einen von der Mittelelektrode (30) fernen Endabschnitt (14) aufweist, der mit dem Porzellanisolator (20) verkerbt ist, um den Porzellanisolator innerhalb des Gehäuses zu halten, und bei der sich zwischen dem verkerbten Endabschnitt (14) des Gehäuses und dem piezoelektrischen Sensor (70, 71) ein Sitzelement (60) in direktem Kontakt mit dem verkerbten Endabschnitt befindet, um den Kraftstoffverbrennungsdruck über den verkerbten Endabschnitt und das Sitzelement auf den piezoelektrischen Sensor zu übertragen.