Stand der
TechnikState of
technology
Die Erfindung geht aus von einer
Zündkerze für eine Brennkraftmaschine
nach der Gattung des unabhängigen
Patentanspruchs. In der DE
196 23 989 A1 wird eine Zündkerze beschrieben, bei der
in den Isolator am brennraumseitigen Ende in eine zylinderförmige, mittige
Bohrung eine Mittelelektrode eingesetzt ist. Dahinter in Richtung
des brennraumfernen Endes des Isolators ist in der Bohrung ein metallischer
Kontaktstift angeordnet, der mit einer Schicht aus Nickel oder einer
Nickel-Silber-Legierung
versehen ist. Dieser Kontaktstift befindet sich in elektrischem
Kontakt mit der Mittelelektrode.The invention relates to a spark plug for an internal combustion engine according to the preamble of the independent claim. In the DE 196 23 989 A1 describes a spark plug in which a center electrode is inserted into the insulator at the end on the combustion chamber side in a cylindrical, central bore. Behind in the direction of the end of the insulator remote from the combustion chamber, a metallic contact pin is arranged in the bore, which is provided with a layer of nickel or a nickel-silver alloy. This contact pin is in electrical contact with the center electrode.
Aus der DE 196 31 985 A1 ist bekannt,
eine Zündkerzenelektrode,
die als Ausgangs- oder
Endpunkt für
elektrische Entladungen dient, mit Verschleißschutzschichten aus hochschmelzenden
Metallen, Legierungen, Metallkeramiken und anderen Verbindungen
wie beispielsweise Aluminiden zu versehen. Durch die Verschleißschutzschichten
wird der Verschleiß aufgrund
der Funkenerzeugung zwischen dieser Elektrode und einer weiteren
Elektrode der Zündkerze
vermindert. Der zuständige
Fachmann würde
bei gemeinsamer Betrachtung der Lehre der DE 196 23 989 A1 und der DE 196 31 985 A1 zu
einer Zündkerze
kommen, deren Elektrode mit einer Verschleißschutzschicht versehen ist.From the DE 196 31 985 A1 It is known to provide a spark plug electrode, which serves as a starting or end point for electrical discharges, with wear protection layers made of refractory metals, alloys, metal ceramics and other compounds such as aluminides. The wear protection layers reduce wear due to the generation of sparks between this electrode and another electrode of the spark plug. The responsible specialist would consider the teaching of the DE 196 23 989 A1 and the DE 196 31 985 A1 come to a spark plug, the electrode of which is provided with a wear protection layer.
In der EP 0 660 475 A1 wird eine Zündkerzenelektrode
beschrieben, deren Dauerhaltbarkeit erhöht wird, indem eine Spitze
oder eine Schicht aus einer hochschmelzenden, zähen, korrosions- und thermowechselbeständigen intermetallischen
Verbindung an der Elektrode vorgeschlagen wird.In the EP 0 660 475 A1 describes a spark plug electrode, the durability of which is increased by proposing a tip or a layer of a high-melting, tough, corrosion and thermally resistant intermetallic compound on the electrode.
Aus der DE 38 73 436 T2 ist ein
thermisches Sprühbeschichtungsverfahren
beispielsweise zum Beschichten von Brennerstäben und Turbinenschaufeln bekannt,
durch das eine verbesserte Haftung der Beschichtung auf dem Substrat,
eine geringe Restspannung und eine verbesserte Beständigkeit
gegen Absplitterungen erreicht wird.From the DE 38 73 436 T2 a thermal spray coating method is known, for example for coating burner rods and turbine blades, by means of which an improved adhesion of the coating to the substrate, a low residual stress and an improved resistance to chipping are achieved.
Aus der US 4,713,574 ist schließlich bekannt,
eine Zündkerze
mit einer Aluminiumoxidschicht zu versehen, um eine Erosion des
Elektrodenmaterials zu verhindern.From the US 4,713,574 it is finally known to provide a spark plug with an aluminum oxide layer in order to prevent erosion of the electrode material.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die
Orts- und Formstabilität
der Mittelelektrode zu gewährleisten.
Der Fachmann erhält
aus den genannten Druckschriften weder einzeln noch in Kombination
eine Anregung in Richtung der vorliegenden Erfindung. Insbesondere
erhält
der Fachmann aus der DE 196
31 985 A1 keine Anregung, zur Lösung der genannten Aufgabe
einen Korrosionsschutz für
den Kontaktstift vorzusehen.The invention has for its object to ensure the spatial and dimensional stability of the center electrode. The person skilled in the art receives no suggestion in the direction of the present invention either individually or in combination from the publications mentioned. In particular, the person skilled in the art DE 196 31 985 A1 no suggestion to provide corrosion protection for the contact pin to solve the above-mentioned problem.
Vorteile der
ErfindungAdvantages of
invention
Die Zündkerze mit den Merkmalen des Hauptanspruchs
hat demgegenüber
den Vorteil, daß die
Korrosionsbeständigkeit
des Kontaktstifts wirksam und mit einfachen Mitteln verbessert wird.
Die Betriebssicherheit der Zündkerze
wird somit verbessert. Weiterhin wird eine Orts- und Formstabilität der Mittelelektrode
gewährleistet,
so daß ein
erhöhter Zündspannungsbedarf
vermieden wird.The spark plug with the features of the main claim
has against it
the advantage that the
corrosion resistance
the contact pin is effective and improved with simple means.
The operational safety of the spark plug
is thus improved. Furthermore, the position and shape stability of the center electrode
guaranteed
so that a
increased ignition voltage requirement
is avoided.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch
angegebenen Zündkerze
möglich.
So ist es fertigungstechnisch günstig,
die gesamte Oberfläche
des Kontaktstifts zu beschichten. Es ist weiterhin fertigungstechnisch
vorteilhaft, die Beschichtung durch thermisches Spritzen oder durch
Abscheidung aus der Gasphase, insbesondere durch Alitieren vorzunehmen, was
eine Fertigung der erfindungsgemäßen Zündkerze
in großen
Stückzahlen
erlaubt. Als vorteilhaft erweist sich weiterhin, daß vor Einbau
des Kontaktstifts eine Voroxidation des beschichteten Kontaktstifts
durchgeführt
wird, da so eine Al2O3-Schutzschicht
ausgebildet wird. Vorteilhaft ist eine Ausbildung des Kontaktstifts
aus einer Fe-Co-Ni-Legierung, da dieser dem mittleren Wärmeausdehnungskoeffizienten
des Isolators angepaßt
ist. Es ist außerdem
vorteilhaft, die Form des Kontaktstifts zylinderförmig mit
einem größeren Durchmesser
am brennraumfernen Ende insbesondere stufenförmig oder kegelförmig abgesetzt
zu gestalten, da die Kontaktstifte in der Fertigung so vorteilhaft
transportiert werden können.
Ebenso von Vorteil ist eine Fertigung des Kontaktstifts in einer
einfachen zylindrischen oder kegelförmigen Form, da Fertigungsschritte
eingespart werden können.The measures listed in the subclaims enable advantageous developments and improvements of the spark plug specified in the main claim. In terms of manufacturing technology, it is therefore favorable to coat the entire surface of the contact pin. It is also advantageous in terms of production technology to carry out the coating by thermal spraying or by deposition from the gas phase, in particular by alitizing, which allows the spark plug according to the invention to be produced in large numbers. It also proves to be advantageous that a pre-oxidation of the coated contact pin is carried out before installing the contact pin, since an Al 2 O 3 protective layer is formed in this way. It is advantageous to form the contact pin from an Fe-Co-Ni alloy, since it is adapted to the average coefficient of thermal expansion of the insulator. It is also advantageous to design the shape of the contact pin in the form of a cylinder with a larger diameter at the end remote from the combustion chamber, in particular step-like or conical, since the contact pins can thus be advantageously transported in production. It is also advantageous to manufacture the contact pin in a simple cylindrical or conical shape, since manufacturing steps can be saved.
Eine brennraumseitige, kegelförmig zulaufende
Spitze des Kontaktstifts ist vorteilhaft, da eine höhere Druckbeaufschlagung
des brennraumseitigen Endes des Kontaktstifts bei der Fertigung
erreicht werden kann.A conical taper on the combustion chamber side
Tip of the contact pin is advantageous because of a higher pressurization
the combustion chamber end of the contact pin during manufacture
can be achieved.
Zeichnungendrawings
Ausführungsbeispiele der Erfindung
sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert. Es
zeigen:Embodiments of the invention
are shown in the drawing and in the description below
explained in more detail. It
demonstrate:
1 einen
schematischen Längsschnitt durch
eine erfindungsgemäße Zündkerze, 1 2 shows a schematic longitudinal section through a spark plug according to the invention,
2 einen
schematischen Längsschnitt durch
einen erfindungsgemäßen Kontaktstift, 2 2 shows a schematic longitudinal section through a contact pin according to the invention,
3 einen
schematischen Längsschnitt durch
einen erfindungsgemäßen Kontaktstift
und eine Edelmetall-Elektrode, 3 2 shows a schematic longitudinal section through a contact pin according to the invention and a noble metal electrode,
4 einen
schematischen Längsschnitt durch
ein weiteres Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Kontaktstifts, 4 2 shows a schematic longitudinal section through a further exemplary embodiment of a contact pin according to the invention,
5 bis 8 jeweils weitere Ausführungsbeispiele
erfindungsgemäßer Kontaktstift-Formen
in schematischen Längsschnitten, 5 to 8th further exemplary embodiments of contact pin shapes according to the invention in schematic longitudinal sections,
9 eine
brennraumseitige Spitze eines erfindungsgemäßen Kontaktstifts in einem
schematischen Längsschnitt, 9 a combustion chamber-side tip of a contact pin according to the invention in a schematic longitudinal section,
10 ein
Diagramm, bei dem die Durchmesserzunahme eines unbeschichteten,
eines vernickelten und eines erfindungsgemäßen, alitierten Kontaktstifts
bei Auslagerung bei 900°C
an Luft über der
Zeit aufgetragen ist. 10 a diagram in which the increase in diameter of an uncoated, a nickel-plated and an alitated contact pin according to the invention is plotted over time when stored at 900 ° C. in air.
Beschreibung
der Ausführungsbeispieledescription
of the embodiments
1 zeigt
einen schematischen Längsschnitt
durch eine erfindungsgemäße Zündkerze 1. In
einem metallischen, rohrförmigen
Gehäuse 5 ist ein
keramischer Isolator 10 angeordnet, dessen brennraumseitiges
Ende mit verringertem Außendurchmesser
den sogenannten Isolatorfuß 12 bildet. Die Rotationssymmetrie-Achsen
von Kerzengehäuse 5 und
Isolator 10 liegen deckungsgleich. Ebenfalls deckungsgleich
liegt die Achse eines in die zylinderförmige Öffnung am brennraumfernen Ende
des Isolators 10 eingebetteten Anschlußbolzens 15. Ebenfalls
in der zylinderförmigen Öffnung des
Isolators sind hinter dem Anschlußbolzen 15 in Richtung Brennraum
in dieser Reihenfolge ein oder mehrere Panatpakete 17,
ein Kontaktstift 20 und eine Edelmetall-Elektrode 25 angeordnet. Die
Edelmetall-Elektrode 25 wird in der Regel als Mittelelektrode
bezeichnet. Die Rotationssymmetrie-Achsen von Mittelelektrode 25 und
Kontaktstift 20 sind deckungsgleich mit der Achse des Isolatorfußes 12.
Am Kerzengehäuse ist
die Masseelektrode 30 angebracht, die in Richtung Mittelelektrode
abgebogen ist. Der Freiraum zwischen Mittelelektrode und Masseelektrode
wird als Funkenstrecke 35 bezeichnet. 1 shows a schematic longitudinal section through a spark plug according to the invention 1 , In a metallic, tubular housing 5 is a ceramic insulator 10 arranged, the combustion chamber end with reduced outer diameter the so-called insulator 12 forms. The rotational symmetry axes of candle housings 5 and isolator 10 are congruent. The axis of the insulator is also congruent in the cylindrical opening at the end of the insulator remote from the combustion chamber 10 embedded connecting bolt 15 , Also in the cylindrical opening of the insulator are behind the connector bolt 15 one or more Panat packages in this direction towards the combustion chamber 17 , a contact pin 20 and a precious metal electrode 25 arranged. The precious metal electrode 25 is usually referred to as the center electrode. The rotational symmetry axes of the center electrode 25 and contact pin 20 are congruent with the axis of the insulator foot 12 , The ground electrode is on the candle housing 30 attached, which is bent towards the center electrode. The space between the center electrode and the ground electrode is called a spark gap 35 designated.
Die Edelmetall-Mittelelektrode 25 befindet sich über den
Kontaktstift 20 und ein oder mehrere Panatpakete 17 in
elektrischem Kontakt mit dem Anschlußbolzen 15, wobei
ein Panatpaket 17 ein von dünnen Metallschichten durchzogenes
Glasmaterial-Paket darstellt, das einen bestimmten elektrischen Widerstand
beinhaltet und gleichzeitig die Fixierung des Anschlußbolzens 15 und
des Kontaktstifts 20 in der Isolatoröffnung gewährleistet. Der Isolator 10 besteht
aus einem keramischen Material, welches elektrisch isolierend wirkt
und das Innere von Umwelt- und Motorraumeinflüssen abschirmt.The precious metal center electrode 25 is located above the contact pin 20 and one or more panat packages 17 in electrical contact with the connecting bolt 15 , being a panat package 17 represents a glass material package with thin metal layers, which contains a certain electrical resistance and at the same time fixes the connecting bolt 15 and the contact pin 20 guaranteed in the insulator opening. The isolator 10 consists of a ceramic material that has an electrically insulating effect and shields the interior from environmental and engine compartment influences.
Der Kontaktstift 20 besteht
aus einem Metall, vorzugsweise aus einer Eisen-Basis-Legierung,
beispielsweise aus einer Eisen-Nickel-Kobalt-(Fe-Ni-Co-)Legierung.
Die Korrosionsbeständigkeit
dieser Legierung ist jedoch gering. Der Kontaktstift 20 hat
die Aufgabe, eine räumliche
Trennung zwischen Mittelelektrode 25 und Panatpaket(en) 17 zu
gewährleisten,
da das Panatpaket oder die Panatpakete 17 wegen ihrer geringen
Temperaturbeständigkeit
(nur bis ca. 600°C)
nicht den hohen Temperaturen an der Spitze des Isolators ausgesetzt
werden dürfen.The contact pin 20 consists of a metal, preferably an iron-based alloy, for example an iron-nickel-cobalt (Fe-Ni-Co) alloy. However, the corrosion resistance of this alloy is low. The contact pin 20 has the task of a spatial separation between the center electrode 25 and panat package (s) 17 to ensure as the Panatpaket or the Panatpaket 17 Because of their low temperature resistance (only up to approx. 600 ° C) they must not be exposed to the high temperatures at the tip of the insulator.
Die Zündkerze dient dazu, elektrische
Energie zum Zünden
des Kraftstoff-Luft-Gemischs im nicht dargestellten Brennraum der
Brennkraftmaschine bereitzustellen. Dazu wird eine Hochspannung über den
Anschlußbolzen 15,
das Panat 17, den Kontaktstift 20 zur Mittelelektrode 25 geleitet,
die dann einen Funkenüberschlag
zwischen der Mittelelektrode 25 und der Masseelektrode 30 bewirkt.
Durch die im Funken enthaltene Energie wird das im Brennraum enthaltene
Kraftstoff-Luft-Gemisch gezündet,
wodurch durch verschiedene Reaktionen hochreaktive Gase entstehen.The spark plug is used to provide electrical energy for igniting the fuel-air mixture in the combustion chamber, not shown, of the internal combustion engine. To do this, a high voltage is applied across the connecting bolt 15 , the panat 17 , the contact pin 20 to the center electrode 25 passed, which then creates a flashover between the center electrode 25 and the ground electrode 30 causes. The energy contained in the spark ignites the fuel-air mixture in the combustion chamber, which creates highly reactive gases through various reactions.
Ein Problem für den Betrieb der Zündkerzen ist
die Korrosion des Kontaktstifts 20, die durch die entlang
eines kleinen Spalts zwischen Isolator und Mittelelektrode eindringenden
hochreaktiven Gase verursacht wird. Der Spalt zwischen Mittelelektrode und
Isolator entsteht, da das Isolatormaterial und das Elektrodenmaterial
unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten besitzen und
starken Temperaturschwankungen ausgesetzt sind. Erfindungsgemäß wird zur
Verringerung der Korrosion eine Schicht aus einem oder mehreren
Metall-Aluminiden auf der Oberfläche
des Kontaktstifts 20 aufgebracht. Vorzugsweise weist die
Metall-Aluminid-Schicht
eine Dicke von bis zu 100 um auf, vorteilhaft kann jedoch auch eine
größere Dicke
der Metall- Aluminid-Schicht sein.
Es kann somit ein durch die Korrosion verursachter erhöhter Zündspannungsbedarf
wirksam verhindert werden. Der Energiebedarf wird gesenkt und die
Zündsicherheit
wird verbessert.Corrosion of the contact pin is a problem for the operation of the spark plugs 20 , which is caused by the highly reactive gases entering along a small gap between the insulator and the center electrode. The gap between the center electrode and the insulator arises because the insulator material and the electrode material have different coefficients of thermal expansion and are exposed to strong temperature fluctuations. According to the invention, a layer of one or more metal aluminides is used on the surface of the contact pin to reduce corrosion 20 applied. The metal-aluminide layer preferably has a thickness of up to 100 μm, but a greater thickness of the metal-aluminide layer can also be advantageous. An increased ignition voltage requirement caused by the corrosion can thus be effectively prevented. The energy requirement is reduced and the ignition safety is improved.
In 2 ist
ein erfindungsgemäßer Kontaktstift
separat in einem Längsschnitt
dargestellt. Der Kontaktstift 20 besitzt eine zylindrische
Form, wobei der Durchmesser des brennraumfernen Endes des Kontaktstifts 20 größer ist
und kegelförmig
von dem Bereich mit dem kleineren Durchmesser abgesetzt ist. Das
brennraumseitige Ende des Kontaktstifts 20 besitzt eine
kegelförmig
zulaufende Spitze, die kreisförmig
abgeplattet ist, wodurch die brennraumseitige Deckfläche 37 gebildet
wird. Durch Abscheidung von Aluminium aus der Gasphase wird an der
Oberfläche des
Kontaktstifts 20 eine Schicht aus einem oder mehreren Metall-Alumiden
gebildet, die in der 2 durch
eine breite Linie veranschaulicht wurde. Metall-Aluminide sind intermetallische
Verbindungen, die aus einem Metall und Aluminium bestehen. Bei der
vorzugsweisen Verwendung eines Kontaktstifts 20 aus einer
Fe-Ni-Co-Legierung bildet sich entsprechend ein oder mehrere Fe-Ni-Co-Aluminide.In 2 a contact pin according to the invention is shown separately in a longitudinal section. The contact pin 20 has a cylindrical shape, the diameter of the end of the contact pin remote from the combustion chamber 20 is larger and is conically offset from the area with the smaller diameter. The combustion chamber end of the contact pin 20 has a tapered tip that is flattened in a circle, creating the top surface on the combustion chamber side 37 is formed. By depositing aluminum from the gas phase on the surface of the contact pin 20 a layer of one or more metal alumides formed in the 2 was illustrated by a broad line. Metal aluminides are intermetallic compounds that consist of a metal and aluminum. When using a contact pin 20 One or more Fe-Ni-Co aluminides are correspondingly formed from an Fe-Ni-Co alloy.
Vorzugsweise werden Schichtdicken
zwischen 20 und 70 um angestrebt. Die Metall-Aluminid-Schicht 40 wird
mindestens an der brennraumseitigen Deckfläche 37 des Kontaktstifts 20 und
mindestens über
eine Länge
von 1 mm gemessen von der brennraumseitigen Deckfläche des
Kontaktstifts gebildet.Layer thicknesses of between 20 and 70 μm are preferred. The metal aluminide layer 40 at least on the top surface of the combustion chamber 37 of the contact pin 20 and formed at least over a length of 1 mm from the top surface of the contact pin on the combustion chamber side.
Die Metall-Aluminid-Schicht erhöht die Korrosionsbeständigkeit
des Kontaktstifts 20 deutlich. Die Schutzwirkung der durch
die Diffusion des elementaren Aluminiums in den Kontaktstift gebildeten Metall-Aluminid- Schicht 40 beruht
auf einer an der äußeren Oberfläche gebildeten,
geschlossenen, fest haftenden, sehr dünnen Al2O3-Schicht, die aufgrund ihres sehr langsamen
Wachstums sowohl das darunterliegende Aluminid als auch das Grundmaterial
vor einem korrosiven Angriff schützt.
Bei Auftreten einer lokalen Zerstörung der Al2O3-Schicht, z.B. durch Abplatzen, bildet sich
aufgrund des im Aluminid vorhandenen Aluminiums eine neue Al2O3-Schicht aus.
Somit ist eine selbstausheilende Passivierung der beschichteten
Oberfläche
des Kontaktstifts 20 gewährleistet.The metal aluminide layer increases the corrosion resistance of the contact pin 20 clear. The protective effect of the metal-aluminide layer formed by the diffusion of the elemental aluminum into the contact pin 40 is based on a closed, solid formed on the outer surface adherent, very thin Al 2 O 3 layer, which due to its very slow growth protects both the underlying aluminide and the base material from corrosive attack. If local destruction of the Al 2 O 3 layer occurs, for example due to chipping, a new Al 2 O 3 layer is formed due to the aluminum present in the aluminide. This is a self-healing passivation of the coated surface of the contact pin 20 guaranteed.
In 3 ist
der erfindungsgemäße Kontaktstift 20 aus 2 noch einmal in einem schematischen
Längsschnitt
zusammen mit der Mittelelektrode 25 dargestellt. Da der
Kontaktstift an der brennraumseitigen Deckfläche 37 mit der Metall-Aluminid-Schicht 40 überzogen
ist, bildet sich unter Betriebsbedingungen, d.h. bei Temperaturen
von bis zu 1000°C,
beim Kontakt mit der Edelmetall-Mittelelektrode 25 an dieser
der Mittelelektrode 25 zugewandten Deckfläche 37 des
Kontaktstifts 20 eine oder mehrere Edelmetall-Aluminium-Verbindungen, die spröde sind.
Vorzugsweise besteht die Mittelelektrode 25 aus Platin
bzw. einer Platin-Legierung, demzufolge bildet sich an dieser Kontaktstift-Deckfläche 37 eine
oder mehrere spröde
Platin-Aluminium-Verbindungen aus. Die Bildung von spröden Verbindungen an
der Deckfläche
des Kontaktstifts 37 ist vorteilhaft, da bei zu starken
Längenänderungen
durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten
von Mittelelektrode 25 und Kontaktstift 20, die
bei thermischer Zyklierung auftreten, im Übergangsbereich zwischen Mittelelektrode 25 und
Kontaktstift 20 eine Spaltbildung ermöglicht wird. Ein derartiger
Spalt ist in 3 mit dem
Bezugszeichen 42 versehen. Ein Kraftschluß zwischen
Mittelelektrode 25 und Kontaktstift 20 wird durch
den Spalt 42 verhindert. Es kann so eine Orts- und Formstabilität der Mittelelektrode gewährleistet
werden, wodurch ein erhöhter
Zündspannungsbedarf
vermieden wird. Besonders ausgeprägt ist die Spaltbildung dann,
wenn die Dicke der Metall-Aluminid-Schicht, von der ausgehend sich die Edelmetall-Aluminium-Verbindung bildet,
eine Dicke von mehr als 100 um aufweist. Ein elektrischer Kontakt
zwischen der Mittelelektrode 25 und dem Kontaktstift 20 ist
bei bestimmungsgemäß in der
Zündkerze
auftretenden Spannungen stets vorhanden.In 3 is the contact pin according to the invention 20 out 2 once again in a schematic longitudinal section together with the center electrode 25 shown. Because the contact pin on the combustion chamber side top surface 37 with the metal aluminide layer 40 is coated under operating conditions, ie at temperatures of up to 1000 ° C, on contact with the noble metal center electrode 25 on this the center electrode 25 facing top surface 37 of the contact pin 20 one or more precious metal-aluminum compounds that are brittle. The center electrode is preferably present 25 made of platinum or a platinum alloy, consequently forms on this contact pin top surface 37 one or more brittle platinum-aluminum compounds. The formation of brittle connections on the top surface of the contact pin 37 is advantageous because in the case of excessive changes in length due to different thermal expansion coefficients of the central electrode 25 and contact pin 20 that occur during thermal cycling, in the transition area between the center electrode 25 and contact pin 20 gap formation is made possible. Such a gap is in 3 with the reference symbol 42 Mistake. A frictional connection between the center electrode 25 and contact pin 20 is through the gap 42 prevented. A positional and dimensional stability of the center electrode can thus be ensured, as a result of which an increased ignition voltage requirement is avoided. The gap formation is particularly pronounced when the thickness of the metal-aluminide layer from which the noble metal-aluminum compound is formed has a thickness of more than 100 μm. An electrical contact between the center electrode 25 and the contact pin 20 is always present in the spark plug as intended.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in 4 dargestellt. Es ist analog
zu 2 der schematische Längsschnitt
eines Kontaktstifts 20 mit analoger Form gezeigt, wobei
nun die gesamte Oberfläche
des Kontaktstifts 20 mit der Metall-Aluminid-Schicht 40 überzogen
ist. Analog zu 2 kennzeichnet
die breite Linie die Metall-Aluminid-Schicht 40. Mit der Bezugszahl 37 ist
wiederum die brennraumseitige Deckfläche des Kontaktstifts bezeichnet.Another embodiment is in 4 shown. It is analogous to 2 the schematic longitudinal section of a contact pin 20 shown with an analog shape, with the entire surface of the contact pin 20 with the metal aluminide layer 40 is covered. Analogous to 2 the broad line identifies the metal-aluminide layer 40 , With the reference number 37 is again the top surface of the contact pin on the combustion chamber side.
Ein erfindungsgemäßer Kontaktstift kann in Gleitfunkenzündkerzen,
in Luftfunkenzündkerzen und
in Luft-Gleitfunkenzündkerzen
verwendet werden. Dabei kann ein erfindungsgemäßer Kontaktstift auch eine
andere als die in 2 und 4 dargestellte Form aufweisen.
Beispielsweise können
die beiden Durchmesser des Kontaktstifts in 2 und 4 beliebig
gewählt
werden. Auch die Länge
der beiden Bereiche und die Länge
des kegelförmigen Übergangs zwischen
beiden Bereichen ist nicht festgelegt. Auch die Länge der
kegelförmig
zulaufenden brennraumseitigen Spitze des Kontaktstifts kann beliebig
gewählt
werden. Ebenso ist der Durchmesser der brennraumseitigen Deckfläche 37 beliebig
wählbar. Der
Kontaktstift läßt sich
demnach optimal der Dimensionierung der Zündkerze und den Gegebenheiten
der Fertigung anpassen.A contact pin according to the invention can be used in sliding spark plugs, in air spark plugs and in air sliding spark plugs. A contact pin according to the invention can also be a different one than that in FIG 2 and 4 have the shape shown. For example, the two diameters of the contact pin in 2 and 4 can be chosen arbitrarily. The length of the two areas and the length of the conical transition between the two areas is also not specified. The length of the tapered tip of the contact pin on the combustion chamber side can also be chosen as desired. The diameter of the top surface on the combustion chamber is also the same 37 freely selectable. The contact pin can therefore be optimally adapted to the dimensions of the spark plug and the conditions of manufacture.
Ein weiteres Ausführungsbeispiele ist in 5 dargestellt. Der in einem
Längsschnitt
dargestellte Kontaktstift 20 weist gegenüber dem
Ausführungsbeispiel
der 2 keine kegelförmig zulaufende
Spitze und eine Deckfläche 37 auf,
die keinen verringerten Durchmesser gegenüber dem brennraumseitigen zylinderförmigen Bereich
besitzt. Somit weist die brennraumseitige Deckfläche 37 den gleichen Durchmesser
wie der zylinderförmige
brennraumseitige Bereich auf. Denkbar wäre auch ein Ausführungsbeispiel,
wie es in 6 dargestellt
ist. Hier ist der Übergang
zwischen dem brennraumseitigen zylinderförmigen Bereich und dem brennraumfernen zylinderförmigen Bereich
mit dem größeren Durchmesser
stufenförmig
gestaltet. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel tritt, wie in 7 dargestellt, eine Durchmesseränderung
entlang des Kontaktstifts nicht auf.Another embodiment is in 5 shown. The contact pin shown in a longitudinal section 20 points over the embodiment of 2 no tapered tip and a top surface 37 on, which has no reduced diameter compared to the combustion chamber-side cylindrical region. Thus, the top surface on the combustion chamber side 37 the same diameter as the cylindrical area on the combustion chamber side. An example of an embodiment such as that in 6 is shown. Here, the transition between the cylindrical area on the combustion chamber side and the cylindrical area with the larger diameter remote from the combustion chamber is designed in a stepped manner. In another embodiment, as in 7 shown, a diameter change along the contact pin does not occur.
Ebenso könnte eine kegelstumpfförmige Ausführung des
Kontaktstifts möglich
sein, die in 8 gezeigt
wird. Die Ausführungsformen
in den 6 bis 8 können auch eine Gestaltung der
brennraumseitigen Spitze aufweisen, wie sie in 2 beschrieben und in 9 noch einmal separat in einem Längsschnitt
dargestellt wurde. Entsprechend der 9 kann
die brennraumseitige Spitze des Kontaktstifts 20 kegelförmig zulaufen
und eine brennraumseitige Deckfläche
aufweisen, die einen geringeren Durchmesser aufweist, als der sich
daran anschließende
Bereich.Likewise, a frustoconical design of the contact pin could be possible, which in 8th will be shown. The embodiments in the 6 to 8th can also have a design of the tip on the combustion chamber, as shown in 2 described and in 9 was shown separately in a longitudinal section. According to the 9 the tip of the contact pin on the combustion chamber side 20 taper in a conical shape and have a combustion chamber-side cover surface that has a smaller diameter than the adjoining area.
Die Abscheidung des für die Aluminium-haltige
Oberflächenbeschichtung,
das Metall-Aluminid, des Kontaktstifts 20 notwendigen Aluminiums
kann mittels thermischer Spritzverfahren, einer physikalischen (Physical
Vapor Deposition, PVD) oder einer chemischen (Chemical Vapor Deposition,
CVD) Abscheidung aus der Gasphase erfolgen. Vorzugsweise erfolgt
die Aluminium-Abscheidung über
ein CVD-Verfahren,
insbesondere durch eine Alitierung.The deposition of the contact pin for the aluminum-containing surface coating, the metal aluminide 20 The necessary aluminum can be removed from the gas phase by means of thermal spray processes, physical (physical vapor deposition, PVD) or chemical (chemical vapor deposition, CVD). The aluminum is preferably deposited using a CVD process, in particular by an alitation.
Als Alitieren wird ein Verfahren
bezeichnet, bei dem die Randschicht eines Werkstücks mit Aluminium durch eine
thermochemische Behandlung angereichert wird. Dabei wird das Werkstück beispielsweise
in ein Pulverbett eingebettet, das aus einem hohen Anteil von Al2O3, einer Aluminium-haltigen
Donorlegierung und einem halogenhaltigen Aktivator zusammengesetzt
ist. Die Abscheidung von elementarem Aluminium erfolgt über eine
chemische Reaktion aus mehreren Schritten in einer Wasserstoff-haltigen
Atmosphäre
bei einem Druck zwischen 0,01 und 10 MPa und Temperaturen von 900°C bis 1100°C über eine
Zeit von bis zu 10 Stunden. In das Pulverbett kann eine große Anzahl
von Kontaktstiften eingebettet werden, deshalb läßt sich die Alitierung kostengünstig gestalten.
Das Alitieren kann jedoch auch ohne Pulverbett durchgeführt werden,
indem eine transportfähige,
gasförmige
Aluminium-Verbindung, ein Aluminium-Halogenid, an einem anderen Ort
bezogen auf den Ort, an dem die Beschichtung der Kontaktstifte erfolgt,
erzeugt wird und mittels einer Wasserstoffgas-haltigen Strömung an
den Beschichtungsort transportiert wird. Die transportfähige Aluminium-Verbindung
wird aus einer Aluminium-haltigen Donorlegierung und einem halogenhaltigen
Aktivator gebildet.Alitation is a process in which the surface layer of a workpiece is enriched with aluminum through a thermochemical treatment. The workpiece is embedded in a powder bed, for example, which is composed of a high proportion of Al 2 O 3 , an aluminum-containing donor alloy and a halogen-containing activator. Elemental aluminum is separated by chemical means Reaction from several steps in a hydrogen-containing atmosphere at a pressure between 0.01 and 10 MPa and temperatures from 900 ° C to 1100 ° C over a period of up to 10 hours. A large number of contact pins can be embedded in the powder bed, so the alitation can be designed inexpensively. However, the alitation can also be carried out without a powder bed by producing a transportable, gaseous aluminum compound, an aluminum halide, at a different location in relation to the location at which the contact pins are coated and by means of a flow containing hydrogen gas is transported to the coating site. The transportable aluminum compound is formed from an aluminum-containing donor alloy and a halogen-containing activator.
Dabei ist es möglich, den Ort der Entstehung der
transportfähigen
Aluminium-Verbindung und den Ort der Beschichtung der Kontaktstifte
so zu trennen, daß sie
in unterschiedlichen Behältern
angeordnet sind. Sie können
sich jedoch auch in dem gleichen Behälter befinden.It is possible to determine the place of origin
transportable
Aluminum connection and the location of the coating of the contact pins
to separate so that they
in different containers
are arranged. You can
but are also in the same container.
Vor dem Einbau des Kontaktstifts
kann zusätzliche
ein Oxidationsschritt des beschichteten Kontaktstifts vorgenommen
werden. Diese Voroxidation führt
schon vor Einbau des Kontaktstifts zu einer Bildung der oben beschriebenen
passivierenden Al2O3-Schicht.
Die Oxidation erfolgt bei Temperaturen zwischen 500°C und 1200°C über einen
Zeitraum von bis zu 100 Stunden in Sauerstoff-haltiger Atmosphäre.Before installing the contact pin, an additional oxidation step of the coated contact pin can be carried out. This pre-oxidation leads to the formation of the passivating Al 2 O 3 layer described above even before the contact pin is installed. The oxidation takes place at temperatures between 500 ° C and 1200 ° C over a period of up to 100 hours in an oxygen-containing atmosphere.
In der 10 wird
anhand eines Diagramms die oben beschriebene Wirkung der Metall-Aluminid-Schicht 40 gezeigt.
In dem Diagramm ist die Durchmesserzunahme eines Kontaktstifts gezeigt, wenn
der Kontaktstift einer Temperatur von 900°C an Luft ausgesetzt ist. Es
ist die Durchmesserzunahme der untersuchten Kontaktstifte in um über der
Auslagerungsdauer in Stunden aufgetragen. Dabei bedeuten die runden
Symbole die Meßwerte
für einen
unbeschichteten Fe-Ni-Co-Kontaktstift, die Quadrate die Meßwerte für einen
mit einer 20-30 um dicken Nickel-Schicht versehenen Fe-Ni-Co-Kontaktstift und die
Rhomben für
einen mit einer durch Alitierung erzeugten und 25-60 um dicken Fe-Ni-Co-Aluminid-Schicht versehenen
Fe-Ni-Co-Kontaktstift. Die Beschichtung ist jeweils auf der gesamten
Oberfläche
des Kontaktstifts aufgetragen. Deutlich zu erkennen ist eine beträchtliche
Durchmesserzunahme für den
unbeschichteten und den vernickelten Kontaktschicht, während die
Durchmesserzunahme des alitierten Kontaktstifts gering ist. Desweiteren
ist beim alitierten Kontaktstift nach einer Zeit von etwa 300 Stunden
keine weitere Durchmesserzunahme zu beobachten. Die Durchmesserzunahme
wird jeweils durch Korrosion des Kontaktstifts verursacht. Bei dem
alitierten Kontaktstift erfolgt die geringfügige Durchmesserzunahme durch
die Bildung der Al2O3-Schicht.In the 10 the effect of the metal-aluminide layer described above is based on a diagram 40 shown. The diagram shows the diameter increase of a contact pin when the contact pin is exposed to a temperature of 900 ° C in air. The diameter increase of the examined contact pins is plotted in um over the aging period in hours. The round symbols mean the measured values for an uncoated Fe-Ni-Co contact pin, the squares the measured values for an Fe-Ni-Co contact pin provided with a 20-30 μm thick nickel layer, and the rhombuses for one with a through Alitation produced and 25-60 µm thick Fe-Ni-Co aluminide layer provided Fe-Ni-Co contact pin. The coating is applied to the entire surface of the contact pin. A considerable increase in diameter can be clearly seen for the uncoated and the nickel-plated contact layer, while the increase in diameter of the contact pin is slight. Furthermore, no further increase in diameter can be observed after about 300 hours in the case of the alitated contact pin. The increase in diameter is caused by corrosion of the contact pin. With the alitated contact pin, the slight increase in diameter is caused by the formation of the Al 2 O 3 layer.
In Zündkerzen mit einem erfindungsgemäßen Kontaktstift
konnte eine Verringerung der Korrosion und eine Orts- und Formstabilität der Mittelelektrode
beobachtet werden.In spark plugs with a contact pin according to the invention
was able to reduce corrosion and maintain the position and shape of the center electrode
to be watched.