DE10338518B4

DE10338518B4 - Zündkerze

Info

Publication number: DE10338518B4
Application number: DE10338518A
Authority: DE
Inventors: Hiroaki Kariya Makino; Nobuo Kariya Abe
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-08-22
Filing date: 2003-08-21
Publication date: 2010-12-30
Anticipated expiration: 2023-08-22
Also published as: US7015633B2; JP3901123B2; DE10338518A1; US20040036395A1; JP2004139956A

Abstract

Zündkerze, mit:
einem zylinderförmigen Metallgehäuse (10);
einer von dem Metallgehäuse (10) isolierten und innerhalb des Metallgehäuses (10) gehaltenen säulenförmigen Mittelelektrode (30);
einer Masseelektrode (40) mit einem Beinabschnitt (41), der im Wesentlichen parallel zur Achse der Mittelelektrode (30) verläuft und an einem Ende mit dem Metallgehäuse (10) verbunden ist, und einem Gegenabschnitt (42), der von dem anderen Ende des Beinabschnitts (41) aus in einer im Wesentlichen zu der Achse der Mittelelektrode (30) lotrechten Richtung verläuft, so dass er einem distalen Ende der Mittelelektrode (30) gegenüber liegt; und
entweder einer säulenförmigen Edelmetallzündspitze (150), die mit dem distalen Ende der Mittelelektrode (30) oder dem Gegenabschnitt (42) der Masseelektrode (40) verbunden ist, oder jeweils einer säulenförmigen Edelmetallzündspitze (150), die mit dem distalen Ende der Mittelelektrode (30) und dem Gegenabschnitt (42) der Masseelektrode (40) verbunden ist, so dass sich ein Funkenspalt (60) ergibt,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Edelmetallzündspitze...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Zündkerze gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Es ist bekannt, dass eine Zündkerze mit einer Edelmetallzündspitze aus beispielsweise einer Pt-(Platin-)Legierung oder Ir-(Iridium)Legierung versehen sein kann, die als ein in dem Funkenspalt zwischen der Mittelelektrode und der Massenelektrode liegendes und zur Funkenentladung dienendes Elektrodenbauteil eine hervorragende Beständigkeit gegenüber Funkenerschöpfung (spark exhaustion) hat. Hierzu wird beispielhaft auf die GB 2 356 593 A verwiesen.
Zündkerzen mit einer Edelmetallzündspitzenelektrode sind deswegen von Vorteil, weil sich die Radialabmessung der Elektrode verringern lässt. Außerdem hat eine dünnere Elektrode die Wirkung, dass sich der Flammenlöscheffekt verringert, wodurch ein besseres Zündvermögen sicher gestellt wird.
Im Allgemeinen wird das Zündvermögen vom Wachstum des während der Funkenentladung gebildeten Flammenkerns bestimmt. Die Elektrode hat als große Wärmemasse die Tendenz, den Flammenkern abzukühlen, und stört demnach das Wachstum des Flammenkerns. Daher hat eine schlanke Edelmetallzündspitzenelektrode mit geringerem Durchmesser die gewünschte Wirkung, den Flammenkernabkühleffekt der Elektrode zu unterdrücken.
Bei einer herkömmlichen Zündkerze erfolgt das Wachstum des Flammenkerns jedoch nicht immer von der gleichen Stelle aus. So kann das Wachstum des Flammenkerns zum Beispiel von einer Stelle der Entladungsoberfläche ausgehen, die zum Bein der Masseelektrode hin verschoben ist, oder aber auch von der entgegengesetzten Stelle, die zum fernen Ende der Masseelektrode hin versetzt ist.
Wenn sich der Flammenkern am fernen Ende der Masseelektrode bildet, wächst der Flammenkern verhältnismäßig gleichmäßig und ungehindert, da er nicht so stark dem oben beschriebenen Abkühleffekt der Masseelektrode ausgesetzt ist. Wenn sich der Flammenkern dagegen auf der entgegengesetzten Seite bildet, die zu dem Bein (d. h. dem nahen Ende) der Masseelektrode hin versetzt ist, wird das Wachstum des Flammenkerns behindert, da der Flammenkern direkt dem oben beschriebenen Abkühleffekt der Masseelektrode (einschließlich ihres Beinabschnitts) ausgesetzt ist.
Im Allgemeinen verbessert sich das Zündvermögen einer Zündkerze, wenn die Weite des Funkenspalts größer ist. Eine brandneue Zündkerze hat also das schlechteste Zündvermögen. Eine ähnliche Tendenz lässt sich auch bei einer Zündkerze erkennen, die eine Edelmetallzündspitzenelektrode einsetzt. Außerdem wird diese Tendenz besonders deutlich, wenn die Weite des Funkenspalts zu Anfang eng eingestellt ist.
Angesichts der oben beschriebenen Probleme beim Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Zündkerze zur Verfügung zu stellen, die ein hervorragendes Zündvermögen gewährleistet, ohne Einbußen beim Wachstum des Flammenkerns in Kauf zu nehmen.
Die Aufgabe wird durch eine Zündkerze mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Gemäß der Erfindung ist eine Zündkerze vorgesehen, die ein zylinderförmiges Metallgehäuse, eine von dem Metallgehäuse isolierte und innerhalb des Metallgehäuses gehaltene säulenförmige Mittelelektrode und eine Masseelektrode mit einem Beinabschnitt und einem Gegenabschnitt umfasst, wobei der Beinabschnitt der Masseelektrode im Wesentlichen parallel zur Achse der Mittelelektrode verläuft und an einem Ende mit dem Metallgehäuse verbunden ist und der Gegenabschnitt der Masseelektrode von dem anderen Ende des Beinabschnitts aus in einer im Wesentlichen zur Achse der Mittelelektrode lotrechten Richtung verläuft, so dass er dem distalen Ende der Mittelelektrode gegenüber liegt. Mit entweder dem distalen Ende der Mittelelektrode oder dem Gegenabschnitt der Masseelektrode oder mit jeweils dem distalen Ende der Mittelelektrode und dem Gegenabschnitt der Masseelektrode ist eine säulenförmige Edelmetallzündspitze verbunden, so dass sich ein Funkenspalt ergibt. Bei dieser Zündkerze hat die Edelmetallzündspitze zwei Bereiche mit unterschiedlicher Oberflächenrauheit, die jeweils als eine den Funkenspalt bildende Entladungsoberfläche dienen. Der eine Bereich der Edelmetallzündspitze hat eine größere Oberflächenrauheit als der andere Bereich und ist über den Funkenspalt hinweg dem von dem Beinabschnitt fernen Ende des Gegenabschnitts der Masseelektrode zugewandt.
Bei dieser Anordnung ist das elektrische Feld in dem Funkenspalt in dem Bereich mit verhältnismäßig großer Oberflächenrauheit lokal verhältnismäßig stark. Daher bildet sich der Flammenkern während der Funkenentladung am fernen Ende der Masseelektrode und kann sich prompt und stabil entwickeln, ohne ernstlich dem Abkühleffekt der Masseelektrode einschließlich ihres Beinabschnitts ausgesetzt zu sein.
Der Unterschied zwischen den beiden Bereichen der Edelmetallzündspitze beträgt ausgedrückt als über zehn Punkte gemittelte Rauheit vorzugsweise mehr als 4 μm.
Abgesehen davon ist es bei der Zündkerze vorzuziehen, wenn die Edelmetallzündspitze aus einer Iridium-(Ir-)Legierung oder einer Platin-(Pt-)Legierung besteht.
Schließlich ist es vorzuziehen, wenn die Edelmetallzündspitze ausgebildet wird, indem ein Materialstab zu einem Stück mit vorbestimmter Länge abgeschert wird. Dies hat den Vorteil, dass sich die oben beschriebene, zwei Bereiche mit unterschiedlicher Oberflächenrauheit aufweisende Edelmetallzündspitze leicht anfertigen lässt.
Die obigen und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung lassen sich mit Hilfe der folgenden ausführlichen Beschreibung verdeutlichen, die auf die beigefügten Zeichnungen Bezug nimmt. Es zeigen:
1 eine Seitenansicht eines wesentlichen Teils einer Zündkerze gemäß einem ersten Vergleichsbeispiel;
2 eine Draufsicht auf die in 1 gezeigte Edelmetallzündspitze aus Richtung des Pfeils A;
3 eine Tabelle mit den Abmessungen von in einem Bewertungsversuch verwendeten Versuchskörpern;
4 eine grafische Darstellung eines anhand des Bewertungsversuchs erzielten Bewertungsergebnisses für das Zündvermögen;
5 eine grafische Darstellung eines Versuchsergebnisses zum Zusammenhang zwischen Überstand und Zündvermögen;
6 eine Tabelle mit den Abmessungen von in einem Bewertungsversuch verwendeten Versuchskörpern;
7 eine grafische Darstellung eines anhand des Bewertungsversuchs erzielten Bewertungsergebnisses für das Zündvermögen;
8 eine grafische Darstellung eines Versuchsergebnisses zum Zusammenhang zwischen Überstand und Zündvermögen;
9A bis 9E Draufsichten bzw. Perspektivansichten von abgewandelten Beispielen für die Edelmetallzündspitze der Zündkerze des ersten Vergleichsbeispiels;
10 eine Seitenansicht mit einem wesentlichen Teil einer Zündkerze gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
11 eine Draufsicht mit der in 10 gezeigten Edelmetallzündspitze aus Richtung des Pfeils E;
12 eine Tabelle mit den Abmessungen von in einem Bewertungsversuch verwendeten Versuchskörpern;
13 eine grafische Darstellung eines anhand des Bewertungsversuchs erzielten Bewertungsergebnisses für das Zündvermögen;
14 eine grafische Darstellung eines Versuchsergebnisses zum Zusammenhang zwischen Oberflächenrauheitsdifferenz und Zündvermögen;
15 eine Tabelle mit den Abmessungen von in einem Bewertungsversuch verwendeten Versuchskörpern;
16 eine grafische Darstellung eines anhand des Bewertungsversuchs erzielten Bewertungsergebnisses für das Zündvermögen;
17 eine grafische Darstellung eines Versuchsergebnisses zum Zusammenhang zwischen Oberflächenrauheitsdifferenz und Zündvermögen;
18A bis 18D Draufsichten auf abgewandelte Beispiele für die Edelmetallzündspitze der Zündkerze des Ausführungsbeispiels;
19 eine Seitenansicht mit einem wesentlichen Teil einer Zündkerze gemäß einem zweiten Vergleichsbeispiel;
20 eine Draufsicht auf die in 19 gezeigte Edelmetallzündspitze aus Richtung des Pfeils J;
21 eine Tabelle mit Abmessungen von in einem Bewertungsversuch verwendeten Versuchskörpern;
22 eine grafische Darstellung eines anhand des Bewertungsversuchs erzielten Bewertungsergebnisses für das Zündvermögen;
23 eine grafische Darstellung eines Versuchsergebnisses zum Zusammenhang zwischen maximalem Krümmungsradius und Zündvermögen;
24 eine Tabelle mit Abmessungen von in einem Bewertungsversuch verwendeten Versuchskörpern;
25 eine grafische Darstellung eines anhand des Bewertungsversuchs erzielten Bewertungsergebnisses für das Zündvermögen;
26 eine grafische Darstellung eines Versuchsergebnisses zum Zusammenhang zwischen maximalem Krümmungsradius und Zündvermögen; und
27A und 27B Perspektivansichten von abgewandelten Beispielen für die Edelmetallzündspitze der Zündkerze des zweiten Vergleichsbeispiels.
Im Folgenden werden nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen zwei Vergleichsbeispiele und ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
Erstes Vergleichsbeispiel
1 zeigt in Seitenansicht einen wesentlichen Teil einer Zündkerze gemäß einem ersten Vergleichsbeispiel und 2 in Draufsicht die in 1 gezeigte Edelmetallzündspitze 50 aus Richtung des Pfeils A.
Die Zündkerze hat gemäß 1 ein zylinderförmiges Metallgehäuse 10, das aus Stahl mit einem niedrigen Kohlenstoffgehalt oder aus einem vergleichbaren elektrisch leitfähigen Stahlbauteil hergestellt wurde und mit einem (nicht gezeigten) Außengewindeabschnitt versehen ist. Die Zündkerze wird fest mit dem Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors verbunden, indem der Gewindeabschnitt des Metallgehäuses in ein Befestigungsloch des Zylinderkopfs eingeschraubt wird, so dass die Mittelelektrode 30 und die Masseelektrode 40 in die Verbrennungskammer des Motors hineinragen.
Innerhalb des Metallgehäuses 10 ist ein zylinderförmiger Isolator 20 aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) usw. befestigt, der hervorragende Isolationseigenschaften hat. Ein Ende (d. h. das distale Ende) des Isolators 20 ragt aus dem Axialende des Metallgehäuses 10 heraus.
Die Mittelelektrode 30 wird sicher in dem Axialloch des Isolators 20 gehalten. Mit anderen Worten ist die Mittelelektrode 30 über den Isolator 20 von dem Metallgehäuse 10 isoliert. Die Mittelelektrode 30 ist ein metallisches Stabbauteil, das zylinderförmig gestaltet ist und eine Innenschicht aus Cu oder einem vergleichbaren Metall mit hervorragender Wärmeleitfähigkeit und eine Außenschicht aus einer Legierung auf Ni-Basis, einer Legierung auf Fe-Basis, einer Legierung auf Co-Basis oder einem vergleichbaren Metall mit hervorragender Wärmebeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit aufweist. Ein Ende der Mittelelektrode 30 ragt aus dem einen Ende des Isolators 20 heraus.
Die Masseelektrode 40 ist ein Metallstabbauteil, das in Form eines gekrümmten Vierkants oder dergleichen gestaltet ist und aus einer Legierung auf Ni-Basis besteht. Die Masseelektrode 40 hat einen Beinabschnitt 41, der im Wesentlichen parallel zur Achse der Mittelelektrode 30 verläuft, und einen Gegenabschnitt 42, der in einer im Wesentlichen zur Achse der Mittelelektrode 30 lotrechten Richtung verläuft. Ein Ende (nahes Ende) des Beinabschnitts 41 ist mit dem Metallgehäuse 10 verschweißt. Das andere Ende des Beinabschnitts 41 biegt sich im Mittelbereich der Masseelektrode 40 weg und geht durchgängig in den auf der Seite des fernen Endes der Masseelektrode 40 gelegenen Gegenabschnitt 42 über. Der Gegenabschnitt 42 liegt in Längsrichtung der Mittelelektrode 30 dem distalen Ende (d. h. der Oberseite) der Mittelelektrode 30 gegenüber.
Mit dem distalen Ende der Mittelelektrode 30 ist eine Edelmetallzündspitze 50 aus einer Ir-(Iridium-)Legierung verbunden, so dass sie als Funkenentladungselektrodenbauteil dient. Zwischen der Edelmetallzündspitze 50 und dem Gegenabschnitt 42 der Masseelektrode 40 ist ein Funkenspalt 60 ausgebildet.
Die Edelmetallzündspitze 50 wird ausgebildet, indem ein dünner und langer Materialstab zu einem Stück mit vorbestimmter Länge abgeschert wird. Durch dieses Abscheren bildet sich an der in Scherrichtung B vorderen Seite der Edelmetallzündspitze 50 eine erhebliche Menge Scherrückstand (d. h. ein überstehender Abschnitt 51). Genauer gesagt bildet sich der überstehende Abschnitt 51 auf einem Teil der Außenumfangsfläche der Edelmetallzündspitze 50, so dass er in der im Wesentlichen zur Achse der Mittelelektrode 30 lotrechten Richtung übersteht.
Der überstehende Abschnitt 51 hat aus der zur Achse der Mittelelektrode 30 lotrechten Richtung aus gesehen eine spitz zulaufende (genauer gesagt im vertikalen Querschnitt dreieckige) Formgebung. Wie sich zudem aus 2 ergibt, weist der überstehende Abschnitt 51 in Längsrichtung der Mittelelektrode 30 eine mit der Außenzylinderfläche des Hauptkörpers 52 der Edelmetallzündspitze 50 gleichachsige, aber zu dieser nach außen hin versetzte Bogenkante 51a auf. Darüber hinaus hat der überstehende Abschnitt 51 zwei parallele Seitenkanten 51b und 51c, die jeweils in der Scherrichtung B verlaufen und dadurch die Bogenkante 51a des überstehenden Abschnitts 51 mit der Außenzylinderfläche des Hauptkörpers 52 verbinden.
Im Übrigen ist der überstehende Abschnitt 51, wie in 1 gezeigt ist, über den Funkenspalt 60 hinweg dem vom Beinabschnitt 41 fernen Ende (d. h. dem vorderen Ende) des Gegenabschnitts 42 der Masseelektrode 40 zugewandt.
Anhand verschiedener Versuchskörper mit unterschiedlichem Überstand L1, unterschiedlichen überstehenden Bereichen L2, L2' und unterschiedlicher überstehender Höhe H1 wurde das Zündvermögen der oben beschriebenen Zündkerze bewertet.
Der Überstand L1 entspricht der Differenz zwischen dem Radius des äußersten Randes (d. h. der Bogenkante 51a) des überstehenden Abschnitts 51 und dem Radius des Hauptkörpers 52 der Edelmetallzündspitze 50. Mit anderen Worten entspricht der Überstand L1 dem Überhang des überstehenden Abschnitts 51 von der Außenzylinderfläche des Hauptkörpers 52 in der zur Achse der Mittelelektrode 30 lotrechten Richtung. Der überstehende Bereich L2 entspricht dem Abstand der Linie C vom Punkt d und der überstehende Bereich L2' dem Abstand der Linie C vom Punkt d', wobei die Linie C die zur Scherrichtung B lotrechte Tangentiallinie des Hauptkörpers 52 darstellt und durch die Vorderkante des Hauptkörpers 52 führt, der Punkt d die Stelle darstellt, an der die Seitenkante 51b mit der Außenzylinderfläche des Hauptkörpers 52 verbunden ist, und der Punkt d' die Stelle darstellt, an der die Seitenkante 51c mit der Außenzylinderfläche des Hauptkörpers 52 verbunden ist. Die überstehende Höhe H1 entspricht der Maximallänge des überstehenden Abschnitts 51 in Längsrichtung der Mittelelektrode 30.
3 zeigt eine Tabelle mit den Abmessungen der in diesem Bewertungsversuch verwendeten Versuchskörper der Edelmetallzündspitze. Jeder Versuchskörper bestand aus Ir-10 Rh und hatte einen Durchmesser (D) von 0,7 mm und eine Höhe (H0) von 0,8 mm.
Der Bewertungsversuch erfolgte im praktischen Einsatz unter Einbau jedes Versuchskörpers in ein Fahrzeug und über eine Versuchsstrecke von 10 × 10⁴ km, wobei nach jeweils 2 × 10⁴ km periodisch das Zündvermögen überprüft wurde. Bei diesem Bewertungsversuch wurde die Zündgrenze A/F als Faktor eingeführt, der das Zündvermögen wiedergibt. 4 zeigt eine grafische Darstellung des Verlaufs des nach jeweils einer Reisestrecke von 2 × 10⁴ km untersuchten Zündvermögens und 5 eine grafische Darstellung eines anhand dieses Bewertungsversuchs erzielten Versuchsergebnisses zum Zusammenhang zwischen der überstehenden Länge L1 und dem Zündvermögen.
In den 3, 4 und 5 werden jeweils die gleichen Symbole verwendet, wobei der durch eine schwarze Markierung
gekennzeichnete Versuchskörper eine herkömmliche Zündspitze ohne überstehenden Abschnitt 51 darstellt.
Wie sich aus den in den 4 und 5 gezeigten Versuchsergebnissen ergibt, zeigte jede mit dem überstehenden Abschnitt 51 versehene Zündkerze zu Anfang ihrer Lebensdauer nach einer Reisestrecke von weniger als 4 × 10⁴ km ein hervorragendes Zündvermögen, während sich mit der herkömmlichen Zündkerze kein stabiles oder zuverlässiges Zündvermögen erreichen ließ.
Dies lässt sich dadurch erklären, dass das elektrische Feld in dem Funkenspalt an dem lokalen Abschnitt, an dem der überstehende Abschnitt 51 ausgebildet ist, verhältnismäßig stark ist. Daher bildet sich der Flammenkern während der Funkenentladung am fernen Ende der Masseelektrode 40. Der Flammenkern kann sich prompt und stabil entwickeln, ohne ernstlich dem Abkühleffekt der Masseelektrode 40 einschließlich ihres Beinabschnitts 41 ausgesetzt zu sein.
Wie sich darüber hinaus aus 5 ergibt, lässt sich ein hervorragendes Zündvermögen sicher stellen, wenn der Überstand L1 die Bedingung 0,01 mm ≤ L1 ≤ 0,2 mm erfüllt. Das Zündvermögen verbessert sich umso mehr, je größer der Überstand L1 ist.
Darüber hinaus ist es vorzuziehen, wenn die Längen L2 und L2' des überstehenden Abschnitts 51 die Bedingung 0,1 ≤ L2/D ≤ 0,5 bzw. 0,1 ≤ L2'/D ≤ 0,5 erfüllen. Es ist auch vorzuziehen, wenn die überstehende Höhe H1 die Bedingung 0,1 mm ≤ H1 ≤ 0,3 mm erfüllt.
6 zeigt eine Tabelle mit den Abmessungen von Versuchskörpern einer Edelmetallzündspitze, die in einem anderen Bewertungsversuch verwendet wurden. Die Versuchskörper unterschieden sich wie bei dem oben beschriebenen Bewertungsversuch im Hinblick auf die überstehende Länge L1, die überstehenden Bereiche L2, L2' und die überstehende Höhe H1. Jeder Versuchskörper bestand zwar aus Ir-10 Rh, hatte jedoch einen Durchmesser (D) von 0,4 mm und eine Höhe (H0) von 0,6 mm.
7 zeigt eine grafische Darstellung des Verlaufs des nach jeweils einer Reisestrecke von 2 × 10⁴ km untersuchten Zündvermögens und 8 eine grafische Darstellung eines anhand dieses Bewertungsversuchs erzielten Versuchsergebnisses zum Zusammenhang zwischen der überstehenden Länge L1 und dem Zündvermögen. In den 6, 7 und 8 werden jeweils die gleichen Symbole verwendet, wobei der mit einer schwarzen Markierung
gekennzeichnete Versuchskörper eine herkömmliche Zündspitze ohne überstehenden Abschnitt 51 darstellt.
Wie sich aus den in den 7 und 8 gezeigten Versuchsergebnissen ergibt, zeigte jede mit dem überstehenden Abschnitt 51 versehene Zündkerze zu Anfang ihrer Lebensdauer nach einer Reisestrecke von weniger als 4 × 10⁴ km ein hervorragendes Zündvermögen, während sich mit der herkömmlichen Zündkerze kein stabiles oder zuverlässiges Zündvermögen erreichen ließ. Wie sich darüber hinaus aus 8 ergibt, lässt sich ein hervorragendes Zündvermögen sicher stellen, wenn der Überstand L1 die Bedingung 0,01 mm ≤ L1 ≤ 0,2 mm erfüllt. Das Zündvermögen verbessert sich umso mehr, je größer der Überstand L1 ist.
Die 9A bis 9E zeigen abgewandelte Beispiele für die Edelmetallzündspitze einer Zündkerze gemäß dem ersten Vergleichsbeispiel, die sich hinsichtlich der Form des überstehenden Abschnitts 51 unterscheiden. Jede dieser abgewandelten Edelmetallzündspitzen funktioniert im Wesentlichen auf die gleiche Weise und erbringt im Wesentlichen die gleiche Wirkung wie die oben beschriebene Zündspitze.
Die 9A bis 9C zeigen Draufsichten auf einen abgewandelten überstehenden Abschnitt 51 in Längsrichtung der Mittelelektrode 30. Bei dem in 9A gezeigten Beispiel hat der überstehende Abschnitt 51 Seitenkanten 51b und 51c, die nicht zueinander parallel sind und jeweils in Tangentialrichtung des Hauptkörpers 52 verlaufen. Bei dem in 9B gezeigten Beispiel weist der überstehende Abschnitt 51 entlang seines äußersten Randes mehrere dreieckige Einkerbungen auf. Bei dem in 9C gezeigten Beispiel weist der überstehende Abschnitt 51 verhältnismäßig große dreieckige Einkerbungen mit jeweils einer überstehenden Oberseite und einem Bodenbereich auf, der an der Außenzylinderfläche des Hauptkörpers 52 ausgerichtet ist.
Die 9D und 9E zeigen jeweils einen abgewandelten überstehenden Abschnitt 51 in Perspektivansicht. Bei dem in 9D gezeigten Beispiel hat der überstehende Abschnitt 51 im vertikalen, die Achse der Mittelelektrode 30 einschließenden Querschnitt eine Rechteckform. Bei dem in 9E gezeigten Beispiel hat der überstehende Abschnitt 51 im vertikalen, die Achse der Mittelelektrode 30 einschließenden Querschnitte eine spitz zulaufende (genauer gesagt eine abgeschnitten rechteckige) Form.
Ausführungsbeispiel
Das Ausführungsbeispiel dieser Erfindung sieht eine Zündkerze mit einer Edelmetallzündspitze 150 vor, die zwei Bereiche unterschiedlicher Oberflächenrauheit aufweist, die jeweils als eine den Funkenspalt 60 bildende Entladungsoberfläche dienen. Der eine Bereich der Edelmetallzündspitze 150 hat eine größere Oberflächenrauheit als der andere Bereich und ist über den Funkenspalt 60 hinweg dem von dem Beinabschnitt 41 fernen Ende des Gegenabschnitts 42 der Masseelektrode 40 zugewandt.
10 zeigt als Seitenansicht einen wesentlichen Teil einer Zündkerze gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung und 11 eine Draufsicht auf die in 10 gezeigte Edelmetallzündspitze 150 aus Richtung des Pfeils E. Das Ausführungsbeispiel hat mit Ausnahme der Edelmetallzündspitze 150 den gleichen Aufbau wie das erste Vergleichsbeispiel.
Die Edelmetallzündspitze 150 wird ausgebildet, indem ein dünner und langer Materialstab zu einem Stück mit vorbestimmter Länge abgeschert wird. Durch dieses Abscheren werden auf der Edelmetallzündspitze 150 zwei Bereiche mit zueinander unterschiedlicher Oberflächenrauheit ausgebildet, die als die den Funkenspalt 60 bildende Entladungsoberfläche dienen. Genauer gesagt befindet sich auf der Entladungsoberfläche der Edelmetallzündspitze 150 der eine Bereich X der Edelmetallzündspitze 150 in Scherrichtung E auf der Vorderseite und der andere Bereich Y auf der Rückseite. Der Bereich X hat eine größere Oberflächenrauheit als der Bereich Y. Der Bereich X ist über den Funkenspalt 60 hinweg dem von dem Beinabschnitt 41 fernen Ende des Gegenabschnitts 42 der Masseelektrode 40 zugewandt.
Anhand verschiedener Versuchskörper mit unterschiedlicher gefilterter Maximalwelligkeitsdifferenz ΔW_CM, unterschiedlichen Längen L3, L3' für den Bereich X und unterschiedlicher Oberflächenrauheitsdifferenz ΔR_Z wurde das Zündvermögen der oben beschriebenen Zündkerze bewertet.
Die gefilterte Maximalwelligkeitsdifferenz ΔW_CM entspricht der Differenz zwischen W_CM(X) und W_CM(Y), d. h. es gilt ΔW_CM = W_CM(X) – W_CM(Y), wobei W_CM(X) in einer gefilterten Welligkeitskurve der maximalen Welligkeit im Bereich X und W_CM(Y) in einer gefilterten Welligkeitskurve der maximalen Welligkeit im Bereich Y entspricht.
In 11 kreuzt die Grenzlinie F zwischen dem vorderen Bereich X und dem hinteren Bereich Y die Außenzylinderfläche der Edelmetallzündspitze 150 an den Punkten g und g' und liegt die Tangentiallinie C der Edelmetallzündspitze 150 lotrecht zur Scherrichtung B und führt durch die Vorderkante der Edelmetallzündspitze 150 hindurch. Die eine Länge L3 des Bereichs X entspricht dem Abstand von der Linie C zum Kreuzungspunkt g und die andere Länge L3' dem Abstand der Linie C zum Kreuzungspunkt g'.
Darüber hinaus entspricht die Oberflächenrauheitsdifferenz ΔR_Z der Differenz zwischen R_Z(X) und R_Z(Y), d. h. es gilt ΔR_Z = R_Z(X) – R_Z(Y), wobei R_Z(X) die über zehn Punkte gemittelte Rauheit im vorderen Bereich X und R_Z(Y) die über zehn Punkte gemittelte Rauheit im hinteren Bereich Y darstellt.
12 zeigt eine Tabelle mit den Abmessungen der in dem Bewertungsversuch verwendeten Versuchskörper der Edelmetallzündspitze. Jeder Versuchskörper bestand aus Ir-10 Rh und hatte einen Durchmesser (D) von 0,7 mm und eine Höhe (H0) von 0,8 mm.
13 zeigt eine grafische Darstellung des Verlaufs des nach jeweils einer Reisestrecke von 2 × 10⁴ km untersuchten Zündvermögens und 14 eine grafische Darstellung des anhand dieses Bewertungsversuchs erzielten Versuchsergebnisses zum Zusammenhang zwischen der Oberflächenrauheitsdifferenz ΔR_Z und dem Zündvermögen. In den 12, 13 und 14 werden jeweils die gleichen Symbole verwendet, wobei der durch eine schwarze Markierung
gekennzeichnete Versuchskörper eine herkömmliche Zündspitze darstellt, deren Oberflächenrauheitsdifferenz ΔR_Z nicht mehr als 4 μm betrug.
Wie sich aus den in den 13 und 14 gezeigten Versuchsergebnissen ergibt, zeigte jeder der Versuchskörper 1 bis 7 zu Anfang seiner Lebensdauer nach einer Reisestrecke von weniger als 4 × 10⁴ km ein hervorragendes Zündvermögen, während sich mit der herkömmlichen Zündkerze kein stabiles oder zuverlässiges Zündvermögen erreichen ließ.
Dies lässt sich dadurch erklären, dass das elektrische Feld im Funkenspalt am vorderen Bereich X verhältnismäßig stark ist. Der Flammenkern bildet sich daher während der Funkenentladung am fernen Ende der Masseelektrode 40. Der Flammenkern kann sich prompt und stabil entwickeln, ohne ernstlich dem Abkühleffekt der Masseelektrode 40 einschließlich ihres Beinabschnitts 41 ausgesetzt zu sein.
Allerdings zeigte der Versuchskörper 8, obwohl sich der Bereich X mit größerer Oberflächenrauheit auf der Entladungsoberfläche der Edelmetallzündspitze 150 an der vorderen Seite befand, kein besonders gutes Zündvermögen, da die gefilterte Maximalwelligkeitsdifferenz ΔW_CM im Minusbereich lag (d. h. –50). Dies lässt sich dadurch erklären, dass das elektrische Feld im Funkenspalt nicht immer am vorderen Bereich X stark ist, wenn die gefilterte Maximalwelligkeitsdifferenz ΔW_CM im Minusbereich liegt.
Ein hervorragendes Zündvermögen lässt sich also dann sicher stellen, wenn die Oberflächenrauheitsdifferenz ΔR_Z mehr als 4 μm beträgt und die gefilterte Maximalwelligkeitsdifferenz ΔW_CM nicht im Minusbereich liegt.
Davon abgesehen ist es vorzuziehen, wenn die Längen L3 und L3' des Bereichs X die Bedingung 0,1 ≤ L3/D ≤ 0,5 bzw. 0,1 ≤ L3'/D ≤ 0,5 erfüllen.
15 zeigt eine Tabelle mit den Abmessungen von Probekörpern einer Edelmetallzündspitze, die in einem anderen Bewertungsversuch verwendet wurden. Die Probekörper unterschieden sich wie bei dem oben beschriebenen Bewertungsversuch im Hinblick auf die gefilterte Maximalwelligkeitsdifferenz ΔW_CM, die Längen L3, L3' des Bereichs X und die Oberflächenrauheitsdifferenz ΔR_Z. Jeder Probekörper bestand zwar aus Ir-10 Rh, hatte aber einen Durchmesser (D) von 0,4 mm und eine Höhe (H0) von 0,6 mm.
16 zeigt eine grafische Darstellung des Verlaufs des jeweils nach einer Reisestrecke von 2 × 10⁴ km untersuchten Zündvermögens und 17 eine grafische Darstellung eines anhand dieses Bewertungsversuchs erzielten Versuchsergebnisses zum Zusammenhang zwischen der Oberflächenrauheitsdifferenz ΔR_Z und dem Zündvermögen. In den 15, 16 und 17 werden jeweils die gleichen Symbole verwendet, wobei der durch eine schwarze Markierung
gekennzeichnete Versuchskörper eine herkömmliche Zündspitze darstellt, deren Oberflächenrauheitsdifferenz ΔR_Z nicht mehr als 4 μm betrug.
Wie sich aus den in den 16 und 17 gezeigten Versuchsergebnissen ergibt, zeigte jeder der Versuchskörper 1 bis 7 zu Anfang seiner Lebensdauer nach einer Reisestrecke von weniger als 4 × 10⁴ km ein hervorragendes Zündvermögen, während sich mit der herkömmlichen Zündkerze kein stabiles oder zuverlässiges Zündvermögen erreichen ließ. Ein hervorragendes Zündvermögen lässt sich also sicher stellen, wenn die Oberflächenrauheitsdifferenz ΔR_Z mehr als 4 μm beträgt und die gefilterte Maximalwelligkeitsdifferenz ΔW_CM nicht im Minusbereich liegt.
Davon abgesehen ist es vorzuziehen, wenn die Längen L3 und L3' des Bereichs X die Bedingung 0,1 ≤ L3/D ≤ 0,5 bzw. 0,1 ≤ L3'/D ≤ 0,5 erfüllen.
Die 18A bis 18D zeigen Draufsichten auf abgewandelte Beispiele für die Edelmetallzündspitze einer Zündkerze gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung, die sich hinsichtlich der Form der Grenzlinie F unterscheiden. Jede der abgewandelten Edelmetallzündspitzen funktioniert auf im Wesentlichen die gleiche Weise und erbringt im Wesentlichen die gleiche Wirkung wie die oben beschriebene Zündspitze.
Bei dem in 18A gezeigten Beispiel ist die Grenzlinie F eine gekrümmte Linie, die einen vorderen Bereich X zurück lässt, der ähnlich wie ein zunehmender Mond konkav gestaltet ist. Bei dem in 18B gezeigten Beispiel ist die Grenzlinie F eine entgegengesetzt gekrümmte Linie, die einen vorderen Bereich X zurück lässt, der konvex gestaltet ist. Bei dem in 18C gezeigten Beispiel besteht die Grenzlinie F aus zwei zueinander schrägen Geraden, die einen vorderen Bereich X zurück lassen, der konkav gestaltet ist. Bei dem in 18D gezeigten Beispiel besteht die Grenzlinie F aus zwei zueinander entgegengesetzt geneigten Geraden, so dass ein vorderer Bereich X zurück bleibt, der konvex gestaltet ist.
Zweites Vergleichsbeispiel
Das zweite Vergleichsbeispiel sieht eine Zündkerze mit einer Edelmetallzündspitze 250 vor, die einen abgeschrägten Abschnitt 253 hat, der entlang eines Teils des Außenzylinderumfangs ihrer Entladungsoberfläche ausgebildet ist und sich nahe an dem Beinabschnitt 41 der Masseelektrode 40 befindet.
19 zeigt als Seitenansicht einen wesentlichen Teil einer Zündkerze gemäß dem zweiten Vergleichsbeispiel und 20 eine Draufsicht auf die in 19 gezeigte Edelmetallzündspitze 250 aus Richtung des Pfeils J. Das zweite Vergleichsbeispiel hat mit Ausnahme der Edelmetallzündspitze 250 einen mit dem ersten Vergleichsbeispiel identischen Aufbau.
In einem die Achse der Mittelelektrode 30 einschließenden Querschnitt ist der abgeschrägte Abschnitt 253 gekrümmt. Der Krümmungsradius r des abgeschrägten Abschnitts 253 ist am hinteren Ende der Edelmetallzündspitze 250 (d. h. an dem am nächsten an dem Beinabschnitt 41 der Masseelektrode 40 gelegenen Punkt) maximal und nimmt zum vorderen Ende der Edelmetallzündspitze 250 (d. h. zu einem über den Funkenspalt 60 hinweg dem Gegenabschnitt 52 der Masseelektrode 40 zugewandten Punkt) hin ab.
Die Edelmetallzündspitze 250 wird ausgebildet, indem ein dünner und langer Materialstab zu einem Stück mit vorbestimmter Länge abgeschert wird. Durch dieses Abscheren bildet sich entlang des Außenzylinderumfangs der den Funkenspalt 60 bildenden Entladungsoberfläche der abgeschrägte Abschnitt 253.
Anhand verschiedener Versuchskörper mit unterschiedlichem maximalen Krümmungsradius r·max und unterschiedlichen Längen L4, L4' für den abgeschrägten Abschnitts 253 wurde das Zündvermögen der oben beschriebenen Zündkerze bewertet.
In 20 führt die Tangentiallinie K der Edelmetallzündspitze 250 durch das am nächsten am Beinabschnitt 41 der Masseelektrode 40 gelegene hintere Ende der Edelmetallzündspitze 250 hindurch. Die Tangentiallinie K ist lotrecht zu einer die Achse der Masseelektrode 40 einschließenden Ebene. Ein Ende des abgeschrägten Abschnitts 253 endet am Punkt m der Edelmetallzündspitze 250 und das andere Ende des abgeschrägten Abschnitts 253 am Punkt m' der Edelmetallzündspitze 250. Die eine Länge L4 des abgeschrägten Abschnitts 253 entspricht dem Abstand von der Linie K zum Endpunkt m und die andere Länge L4' dem Abstand von der Linie K zu dem Endpunkt m'.
21 zeigt eine Tabelle mit den Abmessungen der in dem Bewertungsversuch verwendeten Versuchskörper der Edelmetallzündspitze. Jeder Versuchskörper bestand aus Ir-10 Rh und hatte einen Durchmesser (D) von 0,7 mm und eine Höhe (H0) von 0,8 mm.
22 zeigt eine grafische Darstellung des Verlaufs des nach jeweils einer Reisestrecke von 2 × 10⁴ km untersuchten Zündvermögens und 23 eine grafische Darstellung eines anhand dieses Bewertungsversuchs erzielten Versuchsergebnisses zum Zusammenhang zwischen dem maximalen Krümmungsradius r·max und dem Zündvermögen. In den 21, 22 und 23 werden jeweils die gleichen Symbole verwendet, wobei der durch eine schwarze Markierung
gekennzeichnete Versuchskörper eine herkömmliche Zündspitze ohne abgeschrägten Abschnitt 253 darstellt.
Wie sich aus den in den 22 und 23 gezeigten Versuchsergebnissen ergibt, zeigte jeder Probekörper, der den abgeschrägten Abschnitt 253 aufwies, zu Anfang seiner Lebensdauer nach einer Reisestrecke von weniger als 4 × 10⁴ km ein hervorragendes Zündvermögen, während sich mit der herkömmlichen Zündkerze kein stabiles oder zuverlässiges Zündvermögen erreichen ließ.
Dies lässt sich dadurch erklären, dass das elektrische Feld im Funkenspalt am abgeschrägten Abschnitt 253 verhältnismäßig schwach ist. Der Flammenkern bildet sich daher während der Funkenentladung am fernen Ende der Masseelektrode 40. Der Flammenkern kann sich prompt und stabil entwickeln, ohne ernstlich dem Abkühleffekt der Masseelektrode 40 einschließlich ihres Beinabschnittes 41 ausgesetzt zu sein.
Wie sich darüber hinaus aus 23 ergibt, kann ein hervorragendes Zündvermögen sicher gestellt werden, wenn der maximale Krümmungsradius r·max die Bedingung 0,05 mm ≤ r·max erfüllt. Das Zündvermögen verbessert sich umso mehr, je größer der maximale Krümmungsradius r·max ist.
24 zeigt eine Tabelle mit den Abmessungen von Versuchskörpern einer Edelmetallzündspitze, die in einem anderen Bewertungsversuch verwendet wurden. Die Versuchskörper unterschieden sich wie bei dem oben beschriebenen Bewertungsversuch im Hinblick auf den maximalen Krümmungsradius r·max und die Längen L4, L4' des abgeschrägten Abschnitts 253. Jeder Versuchskörper bestand zwar aus Ir-10 Rh, hatte jedoch einen Durchmesser D von 0,4 mm und eine Höhe (H0) von 0,6 mm.
25 zeigt eine grafische Darstellung des Verlaufs des jeweils nach einer Reisestrecke von 2 × 10⁴ km untersuchten Zündvermögens und 26 eine grafische Darstellung eines anhand dieses Bewertungsversuchs erzielten Versuchsergebnisses zum Zusammenhang zwischen dem maximalen Krümmungsradius r·max und dem Zündvermögen. In den 24, 25 und 26 werden jeweils die gleichen Symbole verwendet, wobei der durch eine schwarze Markierung
gekennzeichnete Versuchskörper eine herkömmliche Zündspitze ohne abgeschrägten Abschnitt 253 darstellt.
Wie sich aus den in den 25 und 26 gezeigten Versuchsergebnissen ergibt, zeigte jede Zündkerze, die den abgeschrägten Abschnitt 253 aufwies, zu Anfang ihrer Lebensdauer nach einer Reisestrecke von weniger als 4 × 10⁴ km ein hervorragendes Zündvermögen, während sich mit der herkömmlichen Zündkerze kein stabiles oder zuverlässiges Zündvermögen erreichen ließ. Wie darüber hinaus aus 25 hervorgeht, lässt sich ein hervorragendes Zündvermögen sicher stellen, wenn der maximale Krümmungsradius r·max die Bedingung 0,05 mm ≤ r·max erfüllt. Das Zündvermögen verbessert sich umso mehr, je größer der maximale Krümmungsradius r·max ist.
Die 27A und 27B zeigen abgewandelte Beispiele für die Edelmetallzündspitze einer Zündkerze gemäß dem zweiten Vergleichsbeispiel, die sich hinsichtlich der Form des abgeschrägten Abschnitts 253 unterscheiden. Jede der abgewandelten Edelmetallzündspitzen funktioniert im Wesentlichen auf die gleiche Weise und erbringt im Wesentlichen die gleiche Wirkung wie die oben beschriebene Zündspitze.
Die 27A und 27B zeigen jeweils einen abgewandelten abgeschrägten Abschnitt 252 in Perspektivansicht. Bei dem in 27A gezeigten Beispiel ist der abgeschrägte Abschnitt 253 in dem die Achse der Mittelelektrode 30 einschließenden Querschnitt abgeflacht und nicht gekrümmt. Die Breite des abgeschrägten Abschnitts 253 ist konstant. Bei dem in 27B gezeigten Beispiel ist der abgeschrägte Abschnitt 253 in dem die Achse der Mittelelektrode 30 einschließenden Querschnitt abgeflacht und nicht gekrümmt. Die Breite des abgeschrägten Abschnitts 253 ist am hinteren Ende der Edelmetallzündspitze 250 (d. h. an dem am nächsten am Beinabschnitt 41 der Masseelektrode 40 gelegenen Punkt) maximal und nimmt zum vorderen Ende der Edelmetallzündspitze 250 (d. h. zu dem über den Funkenspalt 60 hinweg dem Gegenabschnitt 42 der Masseelektrode 40 zugewandten Punkt) hin ab.
Weitere Abwandlungen
Es besteht außerdem die Möglichkeit, die oben beschriebenen Edelmetallzündspitzen 50, 150 und 250 nicht auf der Mittelelektrode 30, sondern jeweils auf der Masseelektrode 40 vorzusehen. Wahlweise kann es auch günstig sein, die oben beschriebenen Edelmetallzündspitzen 50, 150 und 250 sowohl auf der Mittelelektrode 30 als auch auf der Masseelektrode 40 vorzusehen.
Jede der Edelmetallzündspitzen 50, 150 und 250 kann auch aus einer Pt-Legierung bestehen, wobei sowohl eine Edelmetallzündspitze aus einer Ir-Legierung als auch eine Edelmetallzündspitze aus einer Pt-Legierung verwendet werden kann, wenn die Edelmetallzündspitzen 50, 150 und 250 auf sowohl der Mittelelektrode 30 als auch der Masseelektrode 40 vorhanden sind.
Darüber hinaus kann es günstig sein, das oben beschriebene Ausführungsbeispiel mit einem der beiden Vergleichsbeispiele oder mit beiden Vergleichsbeispielen zu kombinieren.

Claims

Zündkerze, mit: einem zylinderförmigen Metallgehäuse (10); einer von dem Metallgehäuse (10) isolierten und innerhalb des Metallgehäuses (10) gehaltenen säulenförmigen Mittelelektrode (30); einer Masseelektrode (40) mit einem Beinabschnitt (41), der im Wesentlichen parallel zur Achse der Mittelelektrode (30) verläuft und an einem Ende mit dem Metallgehäuse (10) verbunden ist, und einem Gegenabschnitt (42), der von dem anderen Ende des Beinabschnitts (41) aus in einer im Wesentlichen zu der Achse der Mittelelektrode (30) lotrechten Richtung verläuft, so dass er einem distalen Ende der Mittelelektrode (30) gegenüber liegt; und entweder einer säulenförmigen Edelmetallzündspitze (150), die mit dem distalen Ende der Mittelelektrode (30) oder dem Gegenabschnitt (42) der Masseelektrode (40) verbunden ist, oder jeweils einer säulenförmigen Edelmetallzündspitze (150), die mit dem distalen Ende der Mittelelektrode (30) und dem Gegenabschnitt (42) der Masseelektrode (40) verbunden ist, so dass sich ein Funkenspalt (60) ergibt, dadurch gekennzeichnet, dass die Edelmetallzündspitze (150) zwei Bereiche (X, Y) mit unterschiedlicher Oberflächenrauheit aufweist, die jeweils als eine den Funkenspalt (60) bildende Entladungsoberfläche dienen, und der eine Bereich (X) der Edelmetallzündspitze (150) eine größere Oberflächenrauheit als der andere Bereich (Y) hat und über den Funkenspalt (60) hinweg dem von dem Beinabschnitt (41) fernen Ende des Gegenabschnitts (42) der Masseelektrode (40) zugewandt ist.
Zündkerze nach Anspruch 1, bei der die Oberflächenrauheitsdifferenz zwischen den beiden Bereichen (X, Y) der Edelmetallzündspitze (150) in über zehn Punkte gemittelter Rauheit ausgedrückt mehr als 4 μm beträgt.
Zündkerze nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Edelmetallzündspitze (150) aus einer Iridium-(Ir-)Legierung oder einer Platin-(Pt-)Legierung besteht.
Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Edelmetallzündspitze (150) durch Abscheren eines Materialstabs zu einem Stück mit vorbestimmter Länge ausgebildet wurde.