DE19650728B4

DE19650728B4 - Zündkerze

Info

Publication number: DE19650728B4
Application number: DE19650728A
Authority: DE
Inventors: Hironori Kariya Osamura
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1995-12-06
Filing date: 1996-12-06
Publication date: 2006-02-02
Anticipated expiration: 2016-12-07
Also published as: US6147441A; JPH09219274A; DE19650728A1

Abstract

Zündkerze mit:
einer Mittenelektrode (3), welche aus einer Ni-Legierung gebildet ist, mit einem Spitzenabschnitt (3a);
einem Isolator (2), welcher den Rand der Mittenelektrode (3) derart bedeckt, daß der Spitzenabschnitt (3a) der Mittenelektrode (3) bloßgelegt ist, wobei der Isolator ebenfalls einen Spitzenabschnitt (2b) besitzt;
einem Paßstück (1), welches den Rand des Isolators (2) umgibt und ein Gewinde auf der Außenseite aufweist, wobei ein Hohlraum (7) zwischen dem Paßstück (1) und dem Isolator (2) gebildet ist und der Spitzenabschnitt (2b) des Isolators (2) bloßgelegt ist;
einer Edelmetallspitze (51), welche aus Ir oder einer Ir-Legierung gebildet ist, die auf dem Spitzenabschnitt (3b) der Mittenelektrode (3) vorgesehen ist; und
einer Masseelektrode (4), die an dem Paßstück (1) verankert ist und von der Edelmetallspitze (51) und einer Entladungslücke (6) getrennt und gegenüberliegend angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die Beziehungen
0,9 mm ≤ A ≤ 1,35...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zündkerze kleiner Größe und großer Haltbarkeit, welche zur Verwendung in Verbrennungsmotoren von Automobilen und dergleichen geeignet ist nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
In Bezinmotoren verwendete Zündkerzen besitzen üblicherweise wie in 3 dargestellt einen Isolator 2, welcher eine aus einer Nickellegierung gebildete Mittenelektrode 3 bedeckt, ein Paßstück 1, welches um den Rand des Isolators 2 angepaßt ist, eine Erdungselektrode 4, welche an dem Ende des Paßstücks 1 vorgesehen ist, und eine Edelmetallspitze 52, welche an der Spitze der Erdungselektrode 4 vorgesehen ist, und sind derart entworfen, daß ein Zündstrom in der Entladungslücke 6 zwischen der Edelmetallspitze 52 und der Mittenelektrode 1 fließt, wodurch eine in einer Verbrennungskammer komprimierte Gasmischung durch die dadurch gebildete elektrische Entladung gezündet wird.
Jedoch wenn die Mittenelektrode 1 lediglich aus einer Nickellegierung besteht, ist die Abnutzungsrate extrem hoch, wodurch es erschwert wird, eine lange haltbare Zündkerze vorzusehen.
Somit werden lange haltbare Zündkerzen durch Schweißen einer Platinspitze 51 als Edelmetallmaterial auf den Entladungsabschnitt der aus der Nickellegierung gebildeten Elektrode erzeugt.
In den vergangenen Jahren wurde bei Verbrennungsmotoren die Ventilgröße erhöht, und es wurden für eine größere Ausgangsleistung und eine größere Fahrstrecke eine größere Anzahl von Ventilen verlangt, wodurch der zum Anbringen der Zündkerzen verfügbare Raum reduziert wurde, was zu dem Er fordernis von Zündkerzen mit kleinerer Größe führte. Insbesondere müssen bei Zündkerzen, die in Motorrädern und kompakten Automobilen verwendet werden, der Gewindedurchmesser bei etwa 12 mm oder darunter liegen.
Im Angesicht dieser Umstände ist es nötig, Zündkerzen kleinerer Größe herzustellen, bei welchen die Elektroden mit aus Iridium und Iridiumlegierungen gebildeten Edelmetallspitzen verschweißt sind, um eine überlegene Abnutzungswiderstandsfähigkeit vorzusehen.

Die Veröffentlichungsschrift der JP 2-49388 A offenbart eine Zündkerze, bei welcher eine Edelmetallspitze 51 verwendet wird, welche aus Ir oder Ir-Legierungen gebildet ist, welche eine größere Widerstandsfähigkeit als Pt oder Pt-Legierungen aufweisen.

Es wurden (von den Erfindern der vorliegenden Erfindung) Versuche unternommen, eine Edelmetallspitze 51 einer kleinen Größe und mit einer Abnutzungswiderstandsfähigkeit unter Verwendung von Ir und Ir-Legierungen zu bilden, wobei die Edellmetallspitze 51 zur Verwendung in Zündkerzen kleiner Größe bestimmt war.

Die Versuche führten jedoch zu dem Ergebnis, daß mit den Edelmetallspitzen 51, welche aus Ir oder Ir-Legierungen gebildet wurden, versehene Zündkerzen kleiner Größe häufig "Seitenfunken" bilden, welche in den Hohlraum 7 zwischen der inneren Wand des Paßstücks 1 und der äußeren Wand oder dem Gehäuse des Isolators 2 während des Betriebs austreten, und diese Seitenfunken reduzieren drastisch die Ansteuerungscharakteristik wie die Leerlaufstabilität und Beschleunigung.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Zündkerze unter Verwendung von Iridium oder Iridiumlegierungen vorzusehen, bei welcher die Bildung von Seitenfunken trotz einer kleinen Größe minimiert ist.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1.

Es wurde (von den Erfindern der vorliegenden Erfindung) herausgefunden, daß sich eine wesentliche Bildung von Seitenfunken bei Iridium- oder Iridiumlegierungsspitzen aus folgenden Gründen zeigt.

Insbesondere erzeugt Platin, dessen Schmelzpunkt um etwa 700°K niedriger als derjenige von Iridium liegt, große geschmolzene und angehäufte Teile auf der Entladungsoberfläche infolge der Zündenergie und der hohen Temperatur des Verbrennungsgases. Die Erzeugung dieser Teilchen schafft Unregelmäßigkeiten auf der Elektrodenoberfläche. Die Bildung dieser Unregelmäßigkeiten führt zu einer größeren Elektrolyse, wodurch eine frühere Funkenentladung auftritt.

Somit stellt die vorliegende Erfindung eine aus Iridium gebildete Zündkerze kleiner Größe bereit, bei welcher nahezu keine Seitenfunken erzeugt werden, als Maßnahme dagegen, daß sonst aus Iridiummaterialien gebildete Zündkerzen kleiner Größe gegenüber herkömmlichen Platinspitzen ein spürbar häufigeres Auftreten von Seitenfunken zeigen.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Zündkerze, welche folgende Komponenten aufweist:
eine aus einer Ni-Legierung gebildete Mittenelektrode (3) mit einem Spitzenabschnitt (3a);
einen Isolator (2), welcher den Rand der Mittenelektrode (3) derart bedeckt, daß der Spitzenabschnitt (3a) der Mittenelektrode (3) bloßgelegt ist, wobei der Isolator ebenfalls ein Spitzenabschnitt (2b) aufweist;
ein Paßstück (1), welches den Rand des Isolators (2) umgibt und ein Gewinde auf der Außenseite bildet, wobei ein Hohlraum (7) zwischen dem Paßstück (1) und dem Isolator (2) gebildet ist und der Spitzenabschnitt (2a) des Isolators (2) bloßgelegt ist;
eine Edelmetallspitze (51), die aus Ir oder einer Ir-Legierung gebildet ist und auf dem Spitzenabschnitt (3b) der Mittenelektrode (3) vorgesehen ist; und
eine Erdungselektrode (4), welche an dem Paßstück (1) befestigt ist und getrennt und gegenüberliegend der Edelmetallspitze (51) und der Entladungslücke (6) angeordnet ist;
wobei folgende Beziehungen gelten
0,9 mm ≤ A ≤ 1,35 mm,
(10/9) A ≤ B,
1,0 mm ≤ C ≤ 2,5 mm,
10 mm ≤ D ≤ 12 mm,
2,0 mm ≤ F ≤ 2,7 mm,
0,6 mm ≤ G ≤ 0,9 mm,
0,3 mm ≤ H ≤ 1,0 mm, und
A die Länge der Entladungslücke (6), B die Breite des Hohlraums (7), C die Vorsprungslänge des Isolators (2) bezüglich des Paßstücks (1), D der äußere Durchmesser des Gewindeabschnitts des Paßstücks (1), F der Durchmesser des Spitzenabschnitts (3b) der Mittenelektrode (3), G der Durchmesser des Endes der Edelmetallspitze (51) und H die Vorsprungshöhe der Edelmetallspitze (51) bezüglich der Mittenelektrode (3) darstellen.

Insbesondere besitzt die Zündkerze der vorliegenden Erfindung eine kleine Größe mit einem Gewindeaußendurchmesser von D gleich 12 mm oder darunter, oder mit einem herstellungsbedingten Gewindeaußendurchmesser D von 10 mm oder darüber. Die Edelmetallspitze (51) ist ebenfalls aus Ir oder einer Ir-Legierung mit einem hohem Schmelzpunkt gebildet, so daß die Abnutzungswiderstandsfähigkeit der Edelmetallspitze (51) verbessert wird und eine Langzeitverwendung trotz der kleinen Größe ermöglicht wird. Diese Konstruktion sieht eine erfindungsgemäße Zündkerze mit kleiner Größe und großer Haltbarkeit vor.

Darüber hinaus ist der Betrag des für die Edelmetallspitze (51) verwendeten und verbrauchten Materials minimiert, da die Konstruktion derart gestaltet ist, daß der Isolator (2) den Rand der Mittenelektrode (3) bedeckt, während der Spitzenabschnitt (3a) der Mittenelektrode (3) bloßgelegt ist, wobei die Edelmetallspitze (51) an dem Spitzenabschnitt (3a) befestigt ist, während die auf dem Isolator (2) gehaltene Mittenelektrode (3) aus einer Ni-Legierung gebildet ist und lediglich die Edelmetallspitze (51), welche der Funkenentladung dient, aus höchst abnutzungsbeständigem Ir oder einer Ir-Legierung gebildet ist.

Die Zündkerze mit kleinerer Größe und größerer Lebensdauer, welche mit geringerem Aufwand hergestellt werden kann, besitzt die folgenden Größenbeschränkungen.

Es wurde von den Erfindern der vorliegenden Erfindung herausgefunden, daß, wenn der Durchmesser F der Mittenelektrode (3) kleiner als 2,0 mm ist, ermöglicht es die Edelmetallspitze (51), daß sich Hitze von den elektrischen Funken und dem Verbrennungsgas auf die Mittenelektrode (3) zu bewegt und somit die Hitze auf die Edelmetallspitze (51) beschränkt ist, was zu einer geringen Abnutzungswiderstandsfähigkeit der Edelmetallspitze (51) führt.

Die obere Grenze für F beträgt 2,7 mm. Entsprechend der vorliegenden Erfindung gilt 2,0 mm ≤ F ≤ 2,7 mm.

Es wurde des weiteren herausgefunden, daß, wenn der Enddurchmesser G der Edelmetallspitze (51) kleiner als 0,6 mm ist, die Temperatur der Edelmetallspitze (51) weiter erhöht ist, wodurch die Abnutzungswiderstandsfähigkeit beeinträchtigt wird und die Zündkerze für eine lange Zeitdauer unbrauchbar gemacht wird.

Es wurde des weiteren herausgefunden, daß Ir und Ir-Legierungen hart und spröde sind, ein kleiner Enddurchmesser G die Edelmetallspitze (51) anfällig macht, während der Herstellung zerstört zu werden, wodurch die Produktivität und Haltbarkeit beeinträchtigt werden und praktische Schwierigkeiten erzeugt werden. Daher besitzt entsprechend der vorliegenden Erfindung der Enddurchmesser G der Edelmetallspitze (51) die Beschränkung von 0,6 ≤ G mm.

Des weiteren wurde herausgefunden, daß, wenn die Vorsprungshöhe H der Edelmetallspitze (51) bezüglich der Mittenelektrode (3) kleiner als 0,3 mm ist, die Zündfähigkeit davon spürbar beeinträchtigt ist. Darüber hinaus keine Schwierigkeiten bezüglich springender Funken oder der Zündfähigkeit sogar dann auftreten, wenn H größer als 1,0 mm ist. Da die Edelmetallspitze aus harten und spröden reinem Iridium oder einer Iridiumlegierung gebildet ist, treten darüber hinaus Schwierigkeiten einer geringen Bearbeitbarkeit und einer Unbequemlichkeit bei dem Herstellungsverfahren der Edelmetallspitze auf, was ein Hemmnis für die Massenproduktion der Zündkerze darstellt. Entsprechend der vorliegenden Erfindung gilt somit 0,3 mm ≤ H ≤ 1,0 mm.

Für den Fall der lange haltbaren kostengünstigen Zündkerzen kleiner Größe mit Dimensionen in dem oben spezifi zierten Bereich wurden Größenbereiche, welche effektiv Seitenfunken verhindern, experimentell bestimmt.

Zuerst einmal wurde experimentell bestätigt, daß, wenn der Enddurchmesser G der Edelmetallspitze (51) größer als 0,9 mm ist, sich eine größere Neigung zur Bildung von "Seitenfunken" ergibt, welche elektrische Funken darstellen, die zwischen der Mittenelektrode (3) und dem Paßstück (1) auftreten.

Somit gilt für die Zündkerze der vorliegenden Erfindung: G ≤ 0,9 mm,um die Bildung von Seitenfunken wirksam zu verhindern.

Es wurde darüber hinaus experimentell wie unten dargelegt bestätigt, daß, wenn die Länge A der Entladungslücke (6) kleiner als 0,9 mm ist, die Zündfähigkeit beeinträchtigt ist.

Somit gilt für die Zündkerze der vorliegenden Erfindung: 0,9 ≤ A mm,um eine Beeinträchtigung der Zündfähigkeit zu verhindern.

Des weiteren wurde wie unten dargelegt experimentell bestätigt, daß wenn die Breite B (mm) des Hohlraums (7) kleiner als (10/9) × A ist, eine größere Neigung zur Bildung von Seitenfunken vorliegt.

Somit gilt für die Zündkerze der vorliegenden Erfindung: (10/9) × A ≤ B,um die Bildung von Seitenfunken wirksam zu verhindern.

Ferner wurde wie unten dargelegt experimentell bestätigt, daß, wenn die Vorsprungslänge C des Isolators (2) bezüglich des Paßstücks (1) 1,0 mm oder weniger beträgt, eine größere Neigung zur Bildung von Seitenfunken vorliegt.

Somit gilt für die Zündkerze der vorliegenden Erfindung: 1,0 ≤ C mm,um die Bildung von Seitenfunken wirksam zu verhindern.

Es gibt keine bestimmte obere Grenze der Vorsprungshöhe, und bis zu 2,5 mm treten auf gar keinen Fall Schwierigkeiten auf.

Ebenfalls ist die Breite B des Hohlraums auf 1,5 mm bei einem Gewindedurchmesser von 12 mm beschränkt. In diesem Fall beträgt der obere Wert für A 1,35 gegenüber B ≥ (10/9) × A.

Entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht die Edelmetallspitze (51) aus einer Ir-Legierung, die eine Mischung aus Ir und einem oder mehrerer Edelmetalle enthält, die aus Pt, Pd, Rh und Ru gewählt sind, und entsprechend einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht die Edelmetallspitze (51) aus einer Ir-Legierung, welche eine Mischung aus einem oder mehrerer Stoffe enthält, die aus Ni, W, Si, Y₂O₃ und ZrO₂ gewählt sind, mit Ir oder der Ir-Legierung entsprechend der einen Ausführungsform.

Die aus einem derartigen Material gebildete Edelmetallspitze (51) besitzt eine hervorragende Abnutzungswiderstandsfähigkeit, wodurch die Lebensdauer der Zündkerze verlängert werden kann.

Wie oben dargelegt ist die vorliegende Erfindung nicht nur durch die Dimensionen (A, B und C), welche sich direkt auf Seitenfunken beziehen, sondern ebenfalls durch die Beziehung zwischen den Größen (G und H), welche die Neigung für Funken bestimmen, bei Iridiummaterialien aufzutreten, und den Größen (A, B und C) bestimmt, welche direkt auf Seitenfunken bezogen sind.

Die vorliegende Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert.
1 zeigt eine partielle Querschnittsansicht einer Zündkerze, welche eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
2 zeigt eine vergrößerte Teilansicht von 1.
3 zeigt eine Querschnittsansicht einer herkömmlichen Zündkerze.
4 zeigt einen Graphen, welcher die Bestimmung bzw. Abschätzung der Zündfähigkeit darstellt.
5A bis 5C zeigen Graphen, welche die Rate des Auftretens von Seitenfunken darstellen.
6A zeigt einen Graphen, welcher die Spannungswellenform zu normalen Zeitpunkten darstellt, und 6B zeigt einen Graphen, welcher die Spannungswellenform während des Auftretens von Seitenfunken darstellt.
7 stellt das Auftreten von Seitenfunken mit einer aus Pt oder aus Ir gebildeten Endspitze dar.
8 zeigt einen Graphen, welcher die Bestimmung der Abnutzungswiderstandsfähigkeit darstellt.
Im folgenden werden Zündkerzen entsprechend der Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf 1 und 2 erläutert.
Entsprechend 1 stellt Bezugszeichen 1 ein zylindrisches Paßstück dar, welches aus einem korrosionsbeständigen, leitenden Metall (Eisenlegierung) gebildet ist und mit einem Gewindeabschnitt 1a zur Anbringung an einem nicht dargestellten Motorblock versehen ist. Diese Ausführungsform einer Zündkerze stellt eine Zündkerze kleiner Größe mit einem Gewindeaußendurchmesser D des Gewindeabschnitts 1a von weniger als 12 mm dar. Aus Herstellungsgründen beträgt der Gewindeaußendurchmesser D mindestens 10 mm.
Ein aus Aluminiumkeramik (Al₂O₃) gebildeter Isolator 2 ist innerhalb des Paßstücks 1 befestigt, und eine Mittenelektrode 3 ist an der axialen Öffnung 2a des Isolators 2 angebracht. Der Spitzenabschnitt 2b des Isolators 2 ist derart bestimmt, daß er über das Paßstück 1 hinausragt. Die Mittenelektrode 3 ist als Zylinder ausgebildet, welcher aus einem stark hitzeleitenden Metall wie Cu im Inneren und einem hitzebeständigen, korrosionsbeständigen, leitenden Metall wie einer Ni-Legierung außen gebildet und wie in 3 dargestellt derart konstruiert ist, daß der Spitzenabschnitt 3a gegenüber dem Spitzenabschnitt 2b des Isolators 2 bloßgelegt ist.
Der Bereich um die Mittenelektrode 3 herum an der Position entsprechend dem Vorsprungsende 2c des Isolators 2 bildet einen leicht geringeren Durchmesser. Dadurch wird eine Beschädigung des Isolators 2 durch den äußeren Rand der Mittenelektrode 3 verhindert, welcher das Vorsprungsende 2c des Isolators 2 berührt.
Eine Massenelektrode 4 ist ebenfalls an dem einen Ende des Paßstücks 1 durch Schweißen befestigt. Diese Massenelektrode 4 ist aus einem Metall wie einer Ni-Legierung gebildet, welche hitzewiderstandsfähig, korrosionswiderstandsfähig und leitend ist, und sie ist getrennt von und gegenüberliegend dem Spitzenabschnitt 3a der Mittenelektrode 3 und der Entladungslücke 6 angeordnet. Eine Edelmetallspitze 51 ist ebenfalls auf dem Spitzenabschnitt 3a der Mittenelektrode 3 vorgesehen. Insbesondere wird entsprechend 2 die Edelmetallspitze 51 in ein Loch 3b eingesetzt, welches in dem Spitzenabschnitt 3a der Mittenelektrode 3 gebildet ist, und danach wird der Rand des Spitzenabschnitts 3a der Mittenelektrode 3 verstemmt bzw. aufgespreizt, um die Edelmetallspitze 51 in dem Loch 3b zu verankern, nachdem zur Bildung einer geschweißten Schicht 8 zwischen der Mittenelektrode 3 und der Edelmetallspitze 51 zur Sicherung der Verankerung ein Laserschweißen durchgeführt worden ist.
Wie in 2 dargestellt ist ein Zylinderabschnitt 3c mit einem Durchmesser, der kleiner als der Mittenabschnitt ist, an dem Spitzenabschnitt 3a der Mittenelektrode 3 gebildet. Dies gestattet die Bildung einer Schweißschicht 8, welche die Mittenelektrode 3 und die Edelmetallspitze 51 gleichförmig zusammenschweißt, da das Laserlicht den äußeren Rand des Zylinderabschnitts 3c während des Laserschweißens senkrecht überstreicht, wodurch ein sichereres Verankern der Edelmetallspitze 51 an dem Spitzenabschnitt 3a der Mittenelektrode 3 erzielt wird. Darüber hinaus ist eine andere Edelmetallspitze 52 durch Widerstandsschweißen an dem Abschnitt 4a der Masseelektrode 4 entsprechend dem Spitzenabschnitt 3a der Mittenelektrode 3 verankert. Diese Edelmetallspitze 52 bildet somit ein Teil der Massenelektrode 4.
Die Edelmetallspitzen 51, 52 sind zylindrisch ausgebildet und aus Edelmetallen mit hoher Hitzewiderstandsfähigkeit, Korrosionswiderstandsfähigkeit, Leitfähigkeit und hohem Schmelzpunkt gebildet. Entsprechend der vorliegenden Erfindung ist die Edelmetallspitze 51 aus Ir oder einer Ir-Legierung, welche einen hohen Schmelzpunkt aufweisen, gebildet, während die Edelmetallspitze 52 aus einer Pt-Legierung wie Pt/20 Gewichtsprozent Ir/2 Gewichtsprozent Ni (hiernach als Pt-20Ir-2Ni bezeichnet) gebildet ist.
Vor kurzem entwickelte Motoren besitzen geringere Motordrehzahlen während des Leerlaufs und ein höheres Luft/Kraftstoff-Verhältnis (Luftvolumen/Kraftstoffvolumen) für eine effizientere Verwendung von Kraftstoff. Dementsprechend sind hervorragende Zündkerzen diejenigen Zündkerzen mit einer guten Zündfähigkeit sogar bei einem Vorliegen eines hohen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses (geringe Kraftstoffkonzentration) während des Leerlaufs.
Die Ergebnisse der Bestimmung bzw. Abschätzung der Zündfähigkeit der Zündkerze wird im folgenden unter Bezugnahme auf 4 erörtert.
Die für diese Bestimmung verwendete Zündkerze war eine Zündkerze derart, wie sie in 2 dargestellt ist, wobei der Gewindeaußendurchmesser D 12 mm, die Vorprungshöhe H der Edelmetallspitze 51 bezüglich der Mittenelektrode 3 0,3 mm, die Breite B des Hohlraums 7 1,7 mm, die Vorsprungslänge C des Isolators bezüglich des Paßstücks 1 2,0 mm, der Spitzendurchmesser E des Isolators 2 4,6 mm und der Durchmesser F der Mittenelektrode 3 in der Nähe des Spitzenabschnitts 2b des Isolators 2 2,5 mm betrugen; die Edel metallspitze 51 an der Seite der Mittenelektrode 3 war aus Ir gebildet.
Die Edelmetallspitze 52 war aus Pt-20Ir-2Ni gebildet, der Spitzendurchmesser betrug 0,9 mm, die Höhe betrug 0,3 mm, die Höhe I des Zylinderabschnitts 3c der Mittenelektrode betrug 1,0 mm, und der Durchmesser J betrug 1,5 mm. Die Form und das Material der Edelmetallspitze 52 und des Zylinderabschnitts 3c der Mittenelektrode 3 waren dieselben wie diejenigen, die für die später beschriebene Bestimmung der Zündkerzen verwendet wurden.
Zündkerzen, bei welchen der Enddurchmesser G der Edelmetallspitze 51 jeweils 0,6, 0,9 und 1,2 mm betrug, wurden mit Entladungslücken A von 0,7, 0,9 und 1,1 mm hergestellt, und die Zündkerzen wurden bezüglich der Zündfähigkeit beurteilt.
Ebenfalls besaß eine für die Abschätzung verwendete herkömmliche Zündkerze einen Gewindeaußendurchmesser D von 12 min, einen Enddurchmesser G von 1,1 mm bezüglich der Edelmetallspitze 51, eine Vorsprungshöhe H von 0,4 mm bezüglich der Edelmetallspitze 51, eine Entladungslücke A von 1,1 mm, eine Breite B des Hohlraums 7 von 1,7 mm und eine Vorsprungslänge C von 2,0 mm, einen Spitzendurchmesser E des Isolators 2 von 4,6 mm und einen Durchmesser F von 2,5 mm bezüglich der Mittenelektrode 3 nahe dem Spitzenabschnitt 2b des Isolators 2. Ebenfalls war die Edelmetallspitze 51 aus Pt-20Ir-2Ni gebildet, und die Edelmetallspitze 52 war dieselbe wie diejenige, die bezüglich der oben beschriebenen Abschätzung der Zündkerzen verwendet wurde.
Die Bestimmung bzw. Abschätzung der Zündfähigkeit wurde unter Verwendung eines vierzylindrigen Benzinmotors mit einem Hubraum von 2000 cm³ im Leerlauf (Motordrehzahl = 650 UpM) durchgeführt, wobei eine hohe Zündfähigkeit erfordert wird. Der Leerlauf wurde über 2 Minuten bei einem konstanten Luft/Kraftstoff-Verhältnis (Luftvolumen/Kraftstoffvolumen) durchgeführt, und in Fällen, bei welchen während der zwei Minuten nicht mehr als eine Fehlzündung (HC-Spitze) auftraten, wurde das Luft/Kraftstoff-Verhältnis erhöht und der Leerlauf über zwei weitere Minuten aufrechterhalten. Die Bestimmung wurde für ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis wiederholt, bei welchem wenigstens zwei Fehlzündungen während der zwei Minuten des Leerlaufs auftraten, und dieses Luft/Kraftstoff-Verhältnis wurde als das Schwellenwert-Luft/Kraftstoff-Verhältnis aufgezeichnet.
Diese Bestimmung für die Messung des Schwellenwert-Luft/Kraftstoff-Verhältnisses wurde dreimal für jede der oben beschriebenen Zündkerzen wiederholt. Ein hohes Schwellenwert-Luft/Kraftstoff-Verhältnis zeigt an, daß die Zündkerze eine hervorragende Zündfähigkeit von nicht mehr als einer Fehlzündung sogar bei einer Verwendung von Gasmischungen mit geringem Kraftstoffgehalt aufweist. Der Schwellenwert eines zweimaligen Auftretens von Fehlzündungen wurde verwendet, da eine einzige Fehlzündung infolge einer fehlerhaften Beurteilung oder einer geringen Wahrscheinlichkeit auftreten kann, und somit ist es schwierig zu bestätigen, daß eine Fehlzündung definitiv während der zwei Minuten des aufeinanderfolgenden Leerlaufs aufgetreten ist.
Die Ergebnisse entsprechend 4 zeigen, daß dann, wenn der Enddurchmesser G der Edelmetallspitze 51 0,9 mm oder weniger beträgt und die Entladungslücke A (mm) 0,9 mm oder mehr beträgt, das Schwellenwert-Luft/Kraftstoff-Verhältnis im Vergleich mit einer herkömmlichen Zündkerze größer wird. Mit anderen Worten, es wurde bestätigt, daß dann, wenn G ≤ 0,9 mm und 0,9 ≤ Abei dieser Ausführungsform gelten, die Zündfähigkeit gegenüber herkömmlichen Zündkerzen verbessert ist.
Die Ergebnisse des Bestimmens der Neigung zu Seitenfunken bei der Zündkerze wird im folgenden unter Bezugnahme auf 5A bis 5C erörtert.
Die für diese Bestimmung verwendete Zündkerze war eine der in 2 dargestellten Zündkerzen, wobei der Gewindeaußendurchmesser D 12 mm, die Vorsprungshöhe H der Edelmetallspitze 51 bezüglich der Mittenelektrode 3 0,8 mm, der Enddurchmesser G 0,9 mm, der Spitzendurchmesser E des Isolators 2 4,6 mm und der Durchmesser F der Mittenelektrode 3 in der Nähe des Spitzenabschnitts 2b des Isolators 2 2,5 mm betrugen. Ebenfalls wurde in dem Fall einer Zündkerze mit einer Vorsprungslänge C von 0,0 mm die Neigung zu Seitenfunken für eine Breite B des Hohlraums 7 von 1,0, 1,25 und 1,5 mm und die A/B-Verhältnisse von 0,8, 0,9, 1,0 und 1,1 bestimmt. Dieselbe Bestimmung wurde für Zündkerzen mit Vorsprungslängen C von 1,0 und 2,0 durchgeführt.
Die Breite B des Hohlraums 7 wurde auf 1,0, 1,25 und 1,5 durch Ändern der Dicke des Paßstücks 1 verändert. Das Verhältnis von A/B wurde auf 0,8, 0,9, 1,0 und 1,1 durch Bewegen der Massenelektrode 4 gegen eine konstante Breite B des Hohlraums 7 durch Ändern der Entladungslücke A verändert. Die Edelmetallspitze 51 war aus Ir gebildet, und der Zylinderabschnitt der Edelmetallspitze 51 war auf einen gekrümmten Radius R von 0,3 mm rund abgetrennt, um eine Abnutzung der Edelmetallspitze 51 zu simulieren.
Die Bestimmung der Neigung zu Seitenfunken wurde unter Verwendung eines vierzylindrigen Benzinmotors mit einem Hubraum von 2000 cm³ durchgeführt, wobei das Öffnen der Drosselklappe unter bestimmten Bedigungen oft zum Auftreten von Seitenfunken führt, d.h. im Zustand des Leerlaufs (Motordrehzahl = 650 UpM) und einem darauffolgenden Hochdrehen des Motors auf seine Maximaldrehzahl (Motordrehzahl = etwa 6000 UpM) insgesamt 50mal und Zählen der Anzahl von auftretenden Seitenfunken.
Die Seitenfunken wurden durch eine Beobachtung mit einem Oszilloskop der Spannungswellenform bestimmt, welche während der Entladung an die Zündkerze angelegt wurde. Insbesondere stellt die in 6A dargestellte Spannungswellenform die normale Entladung ohne Seitenfunken dar, während die in 6B dargestellte Spannungswellenform eine bestimmte Wellenform darstellt, bei welcher Seitenfunken auftreten, wobei die Entladungszeit T kurz war und die Induktionsentladespannung V groß war.
Wenn die in 5B dargestellte Spannungswellenform sogar einmal während eines einzigen Hochdrehens beobachtet wurde, wurde dies als Hochdrehen mit Seitenfunken aufgezeichnet, und es wurde der Anteil der Anzahl des Hochdrehens, bei welchem Seitenfunken bei fünfzigmaligem Hochdrehen auftraten, als die Seitenfunkenhäufigkeitsrate (%) bestimmt, welche in 5A bis 5B dargestellt ist.
Durch die Ergebnisse entsprechend 5A–5C wurde bestätigt, daß, wenn A/B größer als 0,9 ist, d.h. wenn die Breite B des Hoh1raums 7 kleiner als A × (10/9) ist, die Seitenfunkenhäufigkeitsrate stark ansteigt. Es ist ebenfalls dargestellt, daß, wenn die Vorsprungslänge C 1,0 mm oder mehr beträgt, die Seitenfunkenhäufigkeitsrate 0 beträgt und daß somit absolut keine Seitenfunken erzeugt werden. Mit anderen Worten, es wurde bestätigt, daß, wenn B ≥ A × (10/9) (mm) und 1,0 ≤ C (mm)bei dieser Ausführungsform gelten, das Auftreten von Seitenfunken wirksam verhindert werden kann.
Im folgenden werden Vergleichsdaten für Seitenfunkenhäufigkeitsraten bei Zündkerzen kleiner Größe mit einer Platinelektrode und einer Iridiumelektrode gegeben.
Die für dieses Vergleichsexperiment verwendeten Zündkerzen, Motoren, usw. sind dieselben wie diejenigen, die zur Bestimmung der Neigung zu Seitenfunken verwendet wurden, welche bei den Zündkerzen wie vorhergehend beschrieben auftraten (5A bis 5C), mit der Ausmnahme, daß in diesem Fall C = 1,0 mm, B = 1,0 mm und A/B = 1,0 gilt. Darüber hinaus wurde für den Vergleich der Seitenfunkenhäufigkeitsrate ebenfalls die Fälle bestimmt, bei welchen die Spitze des Spitzenabschnitts 3b der Mittenelektrode 3 aus Ir bzw. Pt gebildet war.
Die Ergebnisse sind in 7 dargestellt. Dieser Balkengraph zeigt deutlich, daß in dem Fall Pt keine Seitenfunken auftreten, wohingegen im Fall von Ir Seitenfunken spürbar auftreten, obwohl die anderen Bedingungen bzw. Zustände identisch waren.
Die Ergebnisse des Bestimmens bzw. Abschätzens der Abnutzungswiderstandsfähigkeit der Zündkerzen der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf 8 erörtert.
Die für diese Bestimmung bzw. Abschätzung verwendeten Versuchszündkerzen 1 bis 4 waren Zündkerzen entsprechend 2, bei welchen der Gewindeaußendurchmesser D 12 mm, die Vorsprungshöhe H der Edelmetallspitze 51 bezüglich der Mittenelektrode 3 0,8 mm, die Entladungslücke A 1,1 nun, die Breite B des Hohlraums 7 1,7 mm, die Vorsprungslänge C des Isolators 2 bezüglich des Paßstücks 1 2,0 mm, der Spitzen durchmesser E des Isolators 2 4,6 mm und der Durchmesser F der Mittenelektrode 3 in der Nähe des Spitzenabschnitts 2b des Isolators 2 2,5 mm betrugen.
Die äußere Edelmetallspitze 52 war aus Pt-20Ir-2Ni gebildet, der Spitzendurchmesser betrug 0,9 mm, die Höhe betrug 0,3 mm, die Höhe I des Zylinderabschnitts 3c der Mittenelektrode 3 betrug 1,0 mm, und der Durchmesser J betrug 1,5 mm. Das Material und der Enddurchmesser G der Edelmetallspitze 51 wurden jeweils während der Bestimmung verändert.
Insbesondere besaß die Versuchszündkerze 1 eine Edelmetallspitze 51, welche aus reinem Ir gebildet war und einen Enddurchmesser G von 0,6 mm aufwies, besaß die Versuchszündkerze 2 eine Edelmetallspitze 51, welche aus Ir-10 Gewichtsprozent Rh gebildet war und einen Enddurchmesser G von 0,6 mm aufwies, besaß die Versuchskerze 3 eine Edelmetallspitze 51, welche aus Ir-10 Gewichtsprozent Y₂O₃ gebildet war und einen Enddurchmesser G von 0,6 mm aufwies, und besaß eine Versuchszündkerze 4 eine Edelmetallspitze 51, welche aus reinem Ir gebildet war und einen Enddurchmesser G von 0,9 mm aufwies.
Es wurde ebenfalls eine herkömmliche Zündkerze verwendet, welche dem oben beschriebenen Typ entsprach.
Die Bestimmung der Abnutzungswiderstandsfähigkeit wurde durchgeführt unter Messung des Betrags der Abnutzung der Edelmetallspitze 51 und der Edelmetallspitze 52 nach 500 Stunden einer Entladung bei 60 Zündungen pro Minute unter Verwendung einer Leistungsquelle mit einer Entladungsenergie von 55 mJ. Insbesondere wurden die anfängliche Entladungslücke A (nun) und die abschließende Entladungslücke A (mm) gemessen, und es wurde die Differenz als Betrag der Abnutzung (mm) der Edelmetallspitze 51 und der Edelmetallspitze 52 wie in 6 dargestellt aufgezeichnet.
Wie aus den Ergebnissen von 8 zu sehen besitzen jede der Versuchszündkerzen 1 bis 4 dieselbe oder eine geringere Abnutzung der Edelmetallspitze 51 im Vergleich zu dem Vergleichsbeispiel, obwohl sie einen kleineren Enddurchmesser G der Edelmetallspitze 51 gegenüber den herkömmlichen Zündkerzen besaßen. Mit anderen Worten, es wurde bestätigt, daß gegenüber herkömmlichen Zündkerzen eine größere Abnutzungswiderstandsfähigkeit unter Verwendung einer aus Ir oder einer Ir-Legierung ähnlich wie bei den Versuchszündkerzen 1 bis 4 erzielt werden kann.
Es wurde ebenfalls bestätigt, daß Zündkerzen, welche Edelmetallspitzen aufweisen, die aus Ir-Legierungen anders als die in den Versuchszündkerzen 1 bis 4 verwendeten gebildet waren, beispielsweise aus Ir-Legierungen, welche Ir mit einem oder mehreren Edelmetallen enthalten, die aus Pt, Pd und Ru gewählt sind, oder die aus Ir-Legierungen gebildet sind, die reines Ir oder eine der oben erwähnten Ir-Legierungen enthalten, die mit einem oder mehreren Stoffen kombiniert sind, welche aus Ni, W, Si und ZrO₂ gewählt sind, dieselbe oder eine überlegene Abnutzungswiderstandsfähigkeit gegenüber herkömmlichen Zündkerzen besitzen.
Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen wurde die Edelmetallspitze 51 und die Edelmetallspitze 52 auf der Mittenelektrode 3 bzw. der Massenelektrode 4 gebildet, jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf eine derartige Konstruktion beschränkt, und es kann beispielsweise die Edelmetallspitze 51 allein auf der Mittenelektrode 3 gebildet sein.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird eine Zündkerze mit einem Gewindeaußendurchmesser D von 10 mm bis 12 mm offenbart, wobei die Länge A der Entladungslücke (6), die Breite B des Hohlraums (7), die Vorsprungslänge C des Isolators (2) bezüglich des Paßstücks (1), der Durchmesser F der Mittenelektrode (3), der Enddurchmesser G der Edelmetallspitze (51) und die Vorsprungshöhe H der Edelmetallspitze (51) bezüglich der Mittenelektrode innerhalb der folgenden Bereiche liegen:
0,9 mm ≤ A ≤ 1,35 mm, (10/9)A ≤ B, 1,0 mm ≤ C ≤ 2,5 mm, 10 mm ≤ D ≤ 12 mm, 2,0 mm ≤ F ≤ 2,7 mm, 0,6 mm ≤ G ≤ 0,9 mm, und 0,3 mm ≤ H ≤ 1,0 mm.

Claims

Zündkerze mit: einer Mittenelektrode (3), welche aus einer Ni-Legierung gebildet ist, mit einem Spitzenabschnitt (3a); einem Isolator (2), welcher den Rand der Mittenelektrode (3) derart bedeckt, daß der Spitzenabschnitt (3a) der Mittenelektrode (3) bloßgelegt ist, wobei der Isolator ebenfalls einen Spitzenabschnitt (2b) besitzt; einem Paßstück (1), welches den Rand des Isolators (2) umgibt und ein Gewinde auf der Außenseite aufweist, wobei ein Hohlraum (7) zwischen dem Paßstück (1) und dem Isolator (2) gebildet ist und der Spitzenabschnitt (2b) des Isolators (2) bloßgelegt ist; einer Edelmetallspitze (51), welche aus Ir oder einer Ir-Legierung gebildet ist, die auf dem Spitzenabschnitt (3b) der Mittenelektrode (3) vorgesehen ist; und einer Masseelektrode (4), die an dem Paßstück (1) verankert ist und von der Edelmetallspitze (51) und einer Entladungslücke (6) getrennt und gegenüberliegend angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Beziehungen 0,9 mm ≤ A ≤ 1,35 mm, (10/9) A ≤ B, 1,0 mm ≤ C ≤ 2,5 mm, 10 mm ≤ D ≤ 12 mm, 2,0 mm ≤ F ≤ 2,7 mm, 0,6 mm ≤ G ≤ 0,9 mm und 0,3 mm ≤ H ≤ 1,0 mm gelten, wobei A die Länge der Entladungslücke (6), B die Breite des Hohlraums (7), C die Vorsprungslänge des Isolators (2) bezüglich des Paßstücks (1), D den äußeren Durchmesser des Gewindeabschnitts des Paßstücks (1), F den Durchmesser des Spitzenabschnitts (3b) der Mittenelektrode (3), G den Durchmesser des Endes der Edelmetallspitze (51) und H die Vorsprungshöhe der Edelmetallspitze (51) bezüglich der Mittenelektrode (3) darstellen.
Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Edelmetallspitze (51) aus einem Material gebildet ist, welches aus Ir kombiniert mit einem oder mehreren Edelmetallen ausgewählt aus Pt, Pd, Rh und Ru besteht.
Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Edelmetallspitze (51) aus einem Material gebildet ist, welches aus einer Kombination eines Materials oder mehrerer Materialien ausgewählt aus Ni, W, Si, Y₂O₃ und ZrO₂ mit einem Material gebildet aus Ir oder Ir kombiniert mit einem Edelmetall oder mehreren Edelmetallen ausgewählt aus Pt, Pd, Rh und Ru besteht.
Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Edelmetallspitze (51) wenigstens 60% Ir enthält.