DE10352792A1

DE10352792A1 - Zündkerze und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE10352792A1
Application number: DE2003152792
Authority: DE
Inventors: Werner Niessner; Christophe Houllé
Original assignee: Beru AG
Current assignee: BorgWarner Ludwigsburg GmbH
Priority date: 2003-11-12
Filing date: 2003-11-12
Publication date: 2005-06-23
Also published as: EP1531530A2

Abstract

Zündkerze mit einem Zündkerzenkörper (1), einer isoliert im Zündkerzenkörper (1) vorgesehenen Mittelelektrode (3) und wenigstens einer am Kerzenkörper (1) angebrachten Körperelektrode (4). Zwischen den Elektroden (3, 4) ist eine Zündfunkenstrecke gebildet. Die Mittelelektrode (3) und/oder die Körperelektrode (4), die aus einer Nickellegierung bestehen, sind mit einer Edelmetallarmierung in ihren Funkenaustrittsflächen versehen. Die Edelmetallarmierung besteht aus Edelmetalleinsatzstücken (5, 6), die an ihren äußeren Rändern mit der Nickellegierung der Elektrode (3, 4) eine Legierung gebildet haben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Zündkerze mit einem Kerzenkörper, einer isoliert im Kerzenkörper vorgesehenen Mittelelektrode und wenigstens am Kerzenkörper angebrachten Körperelektrode, wobei zwischen den Elektroden eine Zündfunkenstrecke gebildet ist und die Mittelelektrode und/oder die Körperelektrode mit einer Edelmetallarmierung versehen ist/sind sowie ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Zündkerze.

Eine derartige Zündkerze, die beispielsweise aus der EP 0 587 446 A1 oder der DE 196 41 856 bekannt ist, wird insbesondere für die Hochspannungszündung bei Brennkraftmaschinen verwandt und weist widerstandsgeschweißte Edelmetallarmierungen auf.

Derartige widerstandsgeschweißte Edelmetallarmierungen an beispielsweise der Körperelektrode einer Zündkerze sind jedoch anfällig gegen thermomechanische Spannungen, wodurch die Lebensdauer begrenzt ist.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht daher darin, eine Zündkerze mit längerer Lebensdauer sowie ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen Zündkerze zu schaffen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch eine Zündkerze gelöst, wie sie im Anspruch 1 angegeben ist.

Um die Zündkerzenlebensdauer zu erhöhen, werden bisher im Bereich der Zündfunkenstrecken, die Luft- und/oder Gleitfunkenstrecken sein können, temperaturstabile und verschleißfeste Werkstoffe eingesetzt. Es sind auch Edelmetallarmierungen an der Funkenaustrittsfläche der Mittelelektrode und der Körperelektrode aus Platin/Platinlegierungen und/oder Iridiumlegierungen bekannt.

Berechnungen an der Materialpaarung Nickellegierung/Platinlegierung haben jedoch ergeben, dass die zwischen Platinlegierungen und Nickellegierungen sehr verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten zu großen Zugspannungen in der Grenzschicht führen. Die thermisch induzierten Zugspannungen während des Motorbetriebs überschreiten dabei die Zugspannungsfestigkeit der Platinwerkstoffe und die Abnahme der Zeitstandfestigkeit des Platins führt zusätzlich zu thermischen Ermüdungserscheinungen, die Rissbildungen in der widerstandgeschweißten Platin-Nickelverbindungszone zur Folge haben. Eine Heißgaskorrosion in den Rissen der Verbindungszone führt letztendlich zum Ablösen der Edelmetallarmierung und zum frühzeitigen Ende der Lebensdauer der Zündkerze.

Bei der erfindungsgemäßen Ausbildung werden die auftretenden Zugspannungen an der Platin-Nickelverbindungszone dadurch vermindert, dass die Wärmeausdehnungskoeffizienten durch Bildung einer Legierung zwischen dem Edelmetalleinsatzstück und der Nickellegierung der Mittel- und/oder Körperelektrode angepasst werden. Diese Legierungsbildung erfolgt an einer Stelle der höchsten Zugspannungsbelastung, nämlich am äußeren Rand des Edelmetalleinsatzstücks.

Besonders bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Glühkerze sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 8.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist so ausgestaltet, wie es im Anspruch 9 angegeben ist.

Besonders bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Ansprüche 10 bis 15.

Im Folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnungen besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen
1 in einer Teilschnittansicht ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Zündkerze mit edelmetallarmierter Mittelelektrode und Körperelektrode,
2 in einer Schnittansicht und in einer Draufsicht das Einbringen des Edelmetalleinsatzstücks in die Zündfunkenaustrittsfläche der Mittelelektrode,
3 in einer Teilschnittansicht das Einbringen des Edelmetalleinsatzstücks in die Körperelektrode,
4A–C den Verfahrensablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens hinsichtlich der Bildung der Mittelelektrode und
5 den Verfahrensablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens hinsichtlich der Körperelektrode.
Das in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäße Zündkerze umfasst im Wesentlichen einen metallischen Kerzenkörper 1, einen keramischen Isolator 2, eine Mittelelektrode 3 und eine Körperelektrode 4. Die Mittelelektrode 3 und die Körperelektrode 4 bilden einen Spalt, der als Zünd funkenstrecke, im vorliegenden Fall als Luftfunkenstrecke dient.
Eine Edelmetallarmierung in Form von Edelmetalleinsatzstücken 5, 6 aus Platin, einer Platinlegierung, Iridium oder eine Iridiumlegierung ist an der Mittelelektrode 3 und/oder der Körperelektrode 4 vorgesehen. Die Mittelelektrode 3 und/oder die Körperelektrode 4 bestehen aus einer Nickellegierung.
Wie es im Einzelnen in 2 dargestellt ist, die die Zündspitze der Mittelelektrode 3 zeigt, ist das Edelmetalleinsatzstück 6 durch Widerstandsschweißen, Drücken und anschließendes Laserschweißen in die Austrittsfläche des Zündfunkens eingebracht. Es schließt bündig mit dieser Fläche ab.
An der äußeren kreisförmigen Peripherie 7 des Edelmetalleinsatzstücks 6 ist eine Schmelzzone 6a mittels Energieeinbringung durch einen Laserlichtstrahl vorgesehen. In dieser Schmelzzone ist eine Legierung zwischen den Materialien des Edelmetalleinsatzstücks 6 und der Mittelelektrode 3, d. h. zwischen dem Edelmetall und der Nickellegierung dieser Bauteile gebildet.
3 zeigt die Körperelektrode 4 mit dem Edelmetalleinsatzstück 5, das in der gleichen Weise eingebracht ist, wie es anhand von 7 beschrieben wurde. Mittels eines Laserlichtstrahles ist somit eine Schmelzzone 5a an der kreisrunden äußeren Peripherie 7 des Edelmetalleinsatzstücks 5 gebildet, in der eine Legierung zwischen den Materialien der Körperelektrode 4 und des Edelmetalleinsatzstücks 5 erzeugt ist.
Die Schmelzzonen 5a, 6a haben eine Tiefe, die wenigstens der Dicke der Edelmetalleinsatzstücke 5, 6 entspricht.
Im Folgenden wird anhand der 4 und 5 das Verfahren beschrieben, mit dem eine Zündkerze der oben beschriebenen Art hergestellt werden kann, wobei sich 4 auf die Verwirkli chung der Mittelelektrode und 5 auf die Verwirklichung der Körperelektrode bezieht.
Wie es in den 4 und 5 dargestellt ist, wird auf einer Mittelektrode 3 oder einer Körperelektrode 4 aus einer Nickellegierung ein Edelmetallstück 5, 6 aus Platin oder einer Platinlegierung, Iridium oder einer Iridiumlegierung durch Widerstandsschweißen flächig aufgebracht. Die Widerstandsschweißung bewirkt eine gute Anbindung des Edelmetalls an den Elektroden 3, 4 und damit eine gute Wärmableitung.
Das Edelmetallstück 5, 6 kann als Einzelteil in Form einer kreisförmigen Ronde oder Kugel ausgebildet sein oder in Drahtform der Schweißstelle zugeführt werden, wie es in 4A und 5A dargestellt ist.
Wenn das Edelmetalleinsatzstück in Drahtform zugeführt wird, erfolgt nach dem Widerstandsschweißen ein Ablängen, wobei der Draht axial oder radial auf die Elektroden 3, 4 geschweißt werden kann.
Nach dem Widerstandsschweißen wird das Edelmetalleinsatzstück 5, 6 in die Mittelelektrode 3 oder die Körperelektrode 4 zwangsweise bündig eingepresst (4B, 5B).
Anschließend wird das in den Elektrodenwerkstoff durch Druck eingebettete Edelmetalleinsatzstück 5, 6 mit einem Laserstrahl längs der äußeren kreisrunden Peripherie 7 entlang der Grenze zwischen dem Edelmetall des Edelmetalleinsatzstückes und dem Nickelbasiswerkstoff der Elektrode vorzugsweise rundum um 360° geschweißt (4C, 5C).
Durch diese Laserbearbeitung bildet sich zwischen den Materialien des Edelmetalleinsatzstücks und dem Grundmaterial der Elektrode eine Legierungszone, die aus dem Basisnickelwerkstoff der Elektroden und dem Edelmetall besteht.
Es ist bevorzugt, als Laser eine kontinuierlich imitierenden Festkörperlaser mit Lichtleiterkabel 300 μm und Fokus < 150 μm einzusetzen.
Die Edelmetallwerkstoffe und der Basisnickelwerkstoff des Edelmetalleinsatzstückes bzw. der Elektroden sind insbesondere so angepasst, dass ihre Wärmeausdehnungskoeffizienten angenähert sind. Ein Beispiel sind Inconel und eine Pt-Ni-Legierung mit 10 bis 40% Nickel.

Claims

Zündkerze mit – einem Zündkerzenkörper (1), – einer isoliert im Zündkerzenkörper (1) vorgesehenen Mittelelektrode (3), und – wenigstens einer am Zündkerzenkörper (1) angebrachten Körperelektrode (4), wobei – zwischen den Elektroden (3, 4) eine Zündfunkenstrecke gebildet ist und – die Mittelelektrode (3) und/oder die Körperelektrode (4) mit einer Edelmetallarmierung versehen ist/sind, dadurch gekennzeichnet, dass – die Mittelelektrode (3) und/oder die Körperelektrode (4) aus einer Nickellegierung bestehen und die Edelmetallarmierung aus wenigstens Edelmetalleinsatzstück (5, 6) besteht, das an der Funkenaustrittsfläche in die Elektrode eingesetzt ist und an seinem äußeren Rand mit der Nickellegierung der Elektrode (3, 4) ein Legierung gebildet hat.
Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Legierungsbereich ein Schmelzbereich (6a, 5a) ist.
Zündkerze nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Legierungsbereich kreisförmig ausgebildet ist.
Zündkerze nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Legierungsbereich als Vollkreis über 360° ausgebildet ist.
Zündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe des Legierungsbereiches (5a, 6a) wenigstens gleich der Dicke des Edelmetalleinsatzstücks (5, 6) ist.
Zündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Edelmetalleinsatzstück (5, 6) aus Platin oder einer Platinlegierung besteht.
Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Edelmetalleinsatzstück (5, 6) aus Iridium oder Iridiumlegierung besteht.
Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff des Edelmetalleinsatzstücks (5, 6) eine Pt-Ni-Legierung mit 10 bis 40% Nickel ist und die Elektroden aus Iconel bestehen.
Verfahren zum Herstellen einer Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Zündfunkenaustrittsfläche der Mittelelektrode und/oder der Körperelektrode ein Edelmetalleinsatzstück aufgebracht und bündig mit der Zündfunkenaustrittsfläche in die Elektrode gedrückt wird und das Edelmetalleinsatzstück an seinem äußeren Rand lasergeschweißt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Edelmetalleinsatzstück in Form einer Kugel oder einer kreisförmigen Ronde auf die Elektrode aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Edelmetalleinsatzstück in Form eines Drahtes auf die Elektrode aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserschweißen kreisförmig am Außenumfang des Edelmetalleinsatzstücks erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserschweißen so erfolgt, dass die Tiefe der sich bildenden Schmelzzone wenigstens gleich der Dicke des Edelmetalleinsatzstücks ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Schweißen mit einem kontinuierlich emittierenden Laserlichtstrahl ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Laser mit einem Fokus < 150 μm verwandt wird.