DE2421585A1

DE2421585A1 - Zuendkerze

Info

Publication number: DE2421585A1
Application number: DE2421585A
Authority: DE
Inventors: Carl James Eaton; Richard Stanley Podiak
Original assignee: Champion Spark Plug Co
Current assignee: Federal Mogul Ignition LLC
Priority date: 1973-07-05
Filing date: 1974-05-03
Publication date: 1975-01-30
Also published as: NL7406133A; BE812626A; DE2463438A1; NO141493B; NL176989B; AR202304A1; JPS5847840B2; GB1437142A; JPS5022942A; MY7800162A; IN144298B; FR2236294A1; US3868530A; CH575669A5; CA1024843A; DE2421585C2; NL176989C; NO141493C; SE7406500L; FR2236294B1

Description

Herne, 8000 München 40,

Freillsrathstraße 19 «!^!!««nl'Oah- Eisonacher Straße 17

Postfach 140 DipL-ing.-R. h. B-aill P«t.-Anw. Betzier

Pat.-Anw. Herrmann-Trentepohl DlDl-PhVS EdUSTCJ ΒθίζΐΘΓ Fernsprecher: 36 3011

Fernsprecher: 51013 r ' J ' 36 3012

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Zuschrift bitie nach:

München

CHAMPION SPAEK PLUG COMPANY Toledo, Ohio, Y.St.A.

Zündkerze

Priorität: 5. Juli 1973, V.St.A, - US-Serial Fo, 376 524

Die Erfindung "betrifft eine Zündkerze mit einem auf Masse liegenden Mantelgehäusa, einem Isolator, wenigstens einer- von dem Mantelgehäuse getragenen Masse-Elektrode, einer gegenüber der Masse-Elektrode in funkenbildendem Verhältnis stehende Mittelelektrode, die aus einem Metall mit guten Funken-korrosionsbeständigen Eigenschaften und mit einer mittleren Bohrung wenigstens in deren Zündseite ausgebildet ist, so'.vie ein Verfahren zur Herstellung der Mittelelektrode einer derartigen Zündkerze.

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Es ist bereits bekannt, Edelmetalle oder Halbedelmetalle für Elektrodenspitzen von Zündkerzen zum Zwecke einer verlängerten lebensdauer zu verwenden. Die Spitze aus Edelmetall ist gemäß der US-PS 2 296 033 an einen Körper aus weniger teurem Metall angeschweißt, der die Mittelelektrode bildet und selbst als Zündspitze arbeitet. Eine derartige Anordnung findet man in einer Vielzahl von früheren Zündkerzen-Gestaltungen. Es wurde auch bereits vorgeschlagen, Wolfram oder eine Wolframlegierung in einer solchen Anordnung zu verwenden (US-PS 2 391 455). Wolfram und Wolfram-Verbindungen korrodieren jedoch äußerst schnell bei einigen modernen Verbrsnnungskraftmaschinen, und jede Konstruktion, bei der die Seiten der Wolfram-Spitze niht geschützt sind, zeigt bei bestimmten. Betriebsarten bzw. Beanspruchungen eine sehr niedrige Elektroden-Lebensdauer .

.Aus der US~PS 2 391 456 ist es bereits bekannt, daß das Ende einer Elektrode mit einer Schutzhülle aus Platin od. dgl. bedeckt werden kann, um eine Elektrode mit großer Gebrauchsdauer zu erzeugen, bei der der Elektrodenkern aus Molybdän oder einer Molybdänlegierung mit großer Wärmeleitfähigkeit und einem Wärmeausdehnungskoeffizienten, der gleich dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Kappe oder der Schutzhülle ist, besteht. Die meisten üblichen Anordnungen benützten eine Niete aus Platin, die in der Bohrung einer Isolatorspitze oder in die Bohrung einer gespaltenen Nickelhülse - ähnlich wie in der US-PS 3 256 457 - eingesetzt wurde. Die Niete wird dcidurch in richtiger Anordnung gehalten, daß ein Silbermetall um den oberen Abschnitt des Kopfes der Niete vergossen wurde*

In der Praxis bedarf die Met-Anordnung einer großen Menge an Edelmetall, welches nichts zur Punken-Iebensdauer d.er Elektrode beiträgt. Ein sehr großer Teil des Edelmetalls wird als Tragstange verschwendet. In der Praxis hat'sich ferner als

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schwierig erwiesen, die Niete für lange Betriebsintervalle in der korrosiven Umgebung der Verbrennungskammer fest anzubringen.

Bei allen bekannten Anordnungen ist die Quantität des Edelmetalls so groß, daß unter modernen Bedingungen der Preis der Zündkerze äußerst hoch wird und die begrenzten Vorräte an Edelmetallen stark vergeudet v/erden.

Bei bekannten Zündkerzen ragt dio Mittelelektrode von ihrem

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Halte isolator/, und Ablagerungen auf der Isolatoroberfläche werden absichtlich vom Zündprozeß ausgeschlossen. Es hat sich gezeigt, daß unter bestimmten Umständen diese Ablagerungen tatsächlich in einer nutzbringenden Weise verwendet werden können, um die Lebensdauer der Zündkerze zu verlängern.

Der Erfindung liegt vor allem die Aufgabe zugrunde, eine Zündkerze mit langer Lebensdauer zu schaffen.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung weist ein aus einem unedlen Metall bestehendes Bohr oder eine ausgebohrte Stange auf, beispielsweise ein Eohr au3 einer Nickellegierung oder eine ausgebohrte Stange aus einer Nickellegierung, in deren Bohrung ein kurzer Abschnitt eines Peindrahtes aus Edelmetall, beispielsweise aus Platin oder einer Platinlegierung, eingesetzt ist. Anstelle von Platin können jedoch verschiedene andere Edelmetalle oder Halbedelmetalle einschließlich Wolfram benützt werden, welches weniger teuer ist. Bei dieser Anox^dnung kann der verwendete Pe indraht ab schnitt 10$ von dem Draht betragen, der aufgrund des Stromes bei bekannten Anordnungen zur Erreichung einer vergleichbaren Elektroden-Lebensdauer benötigt v/ird.

Das Eohr wird_/ nachdem der dünne Abschnitt des Edelmetalldrah-

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tes in die Bohrung im Mittelrohr eingesetzt wurde, gestaucht bzw. zusammengepreßt, um dessen Durchmesser etwas zu verringern und um den dünnen Draht an Ort und Stelle mechanisch festzuklemmen bzw. fest anzuordnen. Die zusammengesetzte Elektrode wird dann in einen Isolator zur Halterung eingesetzt; bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die funkenbildende Fläche gegenüber der Isolatorspitze ausgefluchtet. Die Elektrode kann jedoch gewünschtenfalls die Isolatorspitze überragen.

Bei einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist die ETickelelektrode nach außen erweitert ,und eine Endausnehmung ist ausgebohrt oder durchbrochen, um einen kleinen zylindrischen Abschnitt des Edelmetalldrahts aufzunehmen. Das Nickel wird dann auf seinen ursprünglichen Durchmesser zurückgepreßt bzw. zurückgestaucht. Dieser Vorgang klemmt den Einsatz aus Edelmetall fest in die Elektrode aus unedlem Metall, wodurch in dein Draht aus Edelmetall an der Stelle, an der er in das Ende der Elektrode aus unedlem Metall eintritt, eine hinterschnittene Dicke bzw. Stärke hervorgerufen wird. Das Stauchen bzw. Pressen zwingt den eingeschlossenen Abschnitt des Edelmetalls in eine volle und feste Berührungsbeziehung mit dem Elektrodenmetall. Dieses Verfahren ist für alle Legierungseinsätze aus Edelmetall und Halbedelmetall effektiv, welche Dehnungs- und Pormbarkeitseigenschaften haben, die besser oder gleich denjenigen einer Elektrode aus einem unedlen Metall sind.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Pig. 1 eine Seitenansicht einer Zündkerze mit einer Mittelelektrode gemäß der Erfindung, wobei.ein Teil in einem Mittel-Vertikalschnitt dargestellt ist,

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Pig. 2 und 3 Teil-Schnittansichten der Mittelelektrode in vergrößertem Maßstab zur Veranschaulichung des Herstellungsverfahrens,

Fig. 4 eine Schnittansicht durch die Mitte einer Elektrode zur Veranschaulichung des typischen Zustands nach einem Betrieb über längere Dauer, wobei der Edelme.talldraht durch die Erosion der Mekel-Schutzhülle freigelegt wurde,

Fig. 5 und 6 Teil-Mittenschnittansichten durch eine Abwandlung der Erfindung, wobei ein kleines, zylindrisches, tablettenförmiges Element aus Edelmeta3.1 verwendet ist, und

Fig. 7 eine Teilansicht einer Zündkerze mit einer modifizierten Elektrodengestalt entsprechend Fig. 6, teilweise im Schnitt gehalten.

In Fig. 1 ist eine herkömmliche Zündkerze mit einer Kapsel bzw. einem Mantelgehäuse 10 dargestellt, die bzw. das von der Gewindeöffnung in einem Motor-Zylinderkopf aufgenommen wird. Die Kerze weist einen Isolator 11 auf, der in der Kapsel 10 sitzt; der Isolator enthält eine Bohrung, die eine Mittelelektrode 15 aufnimmt. Die Mittelelektrode 15 ist in einer Bohrung 16 des Isolators 11 angeordnet und'mittels einer festgeklopften Pulvermenge 17 oder einer anderen geeigneten Einrichtung gegen einen Gasaustritt abgedichtet. Die Mittelelektrode 15 umfaßt einen unteren Abschnitt 18, der rohrförmig oder ausgebohrt ausgebildet sein kann, um eine mittlere Längsöffnung für den nachstehend beschriebenen Zweck zu liefern. Eine Masse-Elektrode 19 vervollständigt die Zündkerze. Es ist

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zu beachten, daß bei der erfindunp;sgemäßen Ausgestaltung gemäß Fig. 1 das Ende des unteren Abschnitts oder das Zündende der Mittelelektrode 18 koplanar bzw. in einer Ebene mit dem flachen Ende des Isolators 11 liegt oder zu diesem flachen Ende ausgefluchtet ist.

Wie aus Fig. 2 hervorgeht, nimmt der untere Elektrodenabschnitt 18, der rohrförmig oder ausgebohrt aiisgebildet ist, einen feinen Drahteinsatz auf, der - wie dargestellt - au3 zwei Abschnitten besteht. Ein Abschnitt des feinen Drahteinsatzes ist aus einem Edelmetall hergestellt und mit 21 bezeichnet. Der übrige Abschnitt des Drahteinsatzes ist mit bezeichnet und besteht aus einem Grundmetall wie beispielsweise nur aus Eisen oder Nickel, um die Öffnung im Nickelrohr 18.auszufüllen. Bei der bevorzugten Ausfuhrungsform kann der feine Drahteinsatz einen Durchmesser von 0,2539 mm (0,010 inch) bis etwa 0,759 mm (0,03 inch) und eine Länge von 3,809 mm (0,15 inch) bis 6,349 mm (0,25 inch) aufweisen. Die Anordnung mit einem über dem größeren Durchmesser -liegenden Durchmesser "zeigt nicht mehr alle gewünschten Wirtschaftlichkeiten. Mit einem unter dem kleinen Durchmesser liegenden Durchmesser läßt sich der kleine Abschnitt des Edelmetalldrahtes sehr schwierig bei der Verbindung der Elektrode handhaben, und feinere Drähte v/erden daher nicht bevorzugt. Gold-, Platin-, Palladium-, Rhodium-, Rhenium-, Ruthenium- und Wolfram-Legierungen liegen innerhalb der sogenannten Edelmetalle , die für den freiliegenden Abschnitt der Femdraht-Elektrode benützt werden können. Das einzige Kriterium ist im wesentlichen das, daß die Edelmetall-Legierung derart sein sollte, daß sie in Drahtform gezogen werden kann, und sie gegen Funkenerosion beständig ist.

Nachdem der Feindraht-Abschnitt aus Edelmetall 21 und der Feindraht-Abschnitt 22 aus unedlem Metall in die Öffnung bzw.

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Bohrung des Nickelrohrs eingesetzt wurden, das danach als Schutzhülle für den Peindraht wirkt, wird der Aufbau gestaucht, um den Durchmesser des unteren Elektrodenabschnitts etwas zu reduzieren und die Abschnitte 21 und 22 an Ort und Stelle in der Schutzhülle durch eine mechanische Haftung zwischen dem Draht und der Nickel-Schutzhülle zu verklemmen. Es hat sich gezeigt, daß die gestauchte Elektrode durch Heiz- und Kühlzyklen hindurch wegen des langen Axialkontaktes zwischen dem Einsatz und der Nickel-Schutzhülle zusammenbleibt. Die Vorrichtung zur Ausführung des Gesenkschrittes ist von herkömmlicher Art.

Die Funkenbildung zwischen der Massenelektrode 19 und der Mittelelektrode 18 findet anfänglich über die gesamte Oberfläche der Mittelelektrode hinweg statt, da die Funkenbildung an dem Punkt mit der· geringsten Zündspannungsbedingung auftreten wird. Die Nickel-Schutzhülle, die etwas weniger gegen Erosion beständig ist, nützt sich ab und hinterläßt öine kleine vorragende Spitze aus Edelmetälldraht, die - wie es in Fig. 4 gezeigt ist - freiliegt. Fig. 4 zeigt schematisch den Zustand der Mittelelektrode nach einer Zündkerzenarbeitstätigkeit von einigen Tausend Meilen. Es läßt sich erkennen, daß die Nickel-Schutzhülle wegerodiert wurde, jedoch daß der Edelmetalldraht noch seinen ursprünglichen Zustand einnimmt und gegenüber der Masse-Elektrode in betriebsfähiger Eelation steht; die Zündkerze wird noch bei einer niedrigen Zündspannung zündfähig sein. Während der Arbeitsweise einer Maschine mit Treibstoffen von nur geringem Bleigehalt bilden sich leitfähige Ablagerungen am Isolatorende. Dadurch, daß diese Oberfläche koplanar zum Elektrodenende ausgebildet wird, nehmen die leitfähigen Ablagerungen am Zündprozeß teil und wirken tatsächlich als eine Mittelelektrode, zu der Funken mit ausreichender Intensität zur Zündung der Zylinderladung auftreten können. Dies verlängert weiterhin die Lebensdauer

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der erfindungsgemäßen Zündkerze·

Während der experimentelle Nachweis zeigt, daß ein feines loch axial in einen Nickelstab eingebohrt werden kann, um den unteren Mittel-Elektrodenabschnitt 18 zu bilden, zeigt sich in der Praxis die Verwendung eines Nickelrohrs als leichter durchführbar.

Der Abschnitt 22 des feinen Drahteinsatzes aus einem Grundmetall bzw. unedlen Metall wird nur dazu verwendet, die Bohrung des Eohrs 18 abzuschließen ,und die Quantität des Edelmetalldrahtes zu erhalten. Der Stöpsel aus unedlem Metall wird außerdem einen gleichmäßigen Außendurchmesser der Elektrode während des Zu3pitzen3 bzw. des Gesenkvorganges hervorrufen und zum Verschließen bzw. Zustopfen des Eohrs gegen einen Gasaustritt beitragen.

Wenn der verwendete Metalleinsatz aus Wolfram oder einer Wolfram-Drahtlegierung besteht, die im Vergleich zu Platin oder-Platinlegierungen billig ist, dient die Nickel-Schutzhülle zum Schutz der Seiten des Wolframdrahts gegen eine chemische Einwirkung aufgrund von Auspuffgasen. Wolframlegierungen sind höchst zufriedenstellende Materialien zur Verwendung als Elektroden, wenn die nichtzündenden Oberflächen in ausreichender Weise geschützt werden können. Die in dichter Weise eingeschnürte bzw. im Gesenk angespitzte Nickel-Schutzhülle schützt den Wolframeinsatz und beschränkt die Erosion und Korrosion nur auf die freiliegende Endfläche.

Bei der in den Fig. 5 und 6 dargestellten Ausführungsform der Erfindung weist das Edelmetall anfangs die Form einer kleinen zylindrischen 'Tablette 30 auf. Die NickeIelektrode ist bei 31' dargestellt. Die Elektrode ist an ihrer Zündseite angebohrt bzw. angestochen, um eine Ausnehmung 32 zu bilden; das benach-

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barte Metall der Elektrode verläuft konisch, wie dies bei 33 dargestellt ist. Die Tablette 30 bzw. das Element 30 wird in die Ausnehmung 32 eingesetzt,und die Einheit wird gestaucht bzw« eingeschnürt, um das Nickel in eine enge Verbindung bzw. Berührung mit den Seitenwänden der Tablette zu zwingen, wie dies in Pig. 6 dargestellt ist. Der Gesenkvorgang läßt den erweiterten Abteil 33 der Elektrode 31 einen größeren Badialdruck auf den Mittelabschnitt der Edelmetalltablette 30 aus- üben, welcher in einem hinterschnittenen Durchmesser in der Tablette bzw. dem Element 30 an den Punkt resultiert, an dem es aus der Nickelelektrode 31 austritt. Diese Wirkung faßt den Teil des Einsatzes 30 ein, der innerhalb des Hohlraums 32 liegt und zwingt ihn in eine volle und dichte Berührung mit den Hohlraumwänden.

Bei der Herstellung kann es sich zeigen, daß die Handhabung der sehr kleinen Tablette bzw. des sehr kleinen Elements 30 schwierig ist ; in diesem Fall wird die Tablette 30 nach dem Gesenksehritt gebildet,und bei dem Verfahren wird das Ende des langen Drahtes in die Ausnehmung 32 eingesetzt, die Einheit wird eingeschnürt bzw. einem Gesenkvorgang unterworfen und die Tablette dann von dem Draht umhüllt.

Während des Gesenkvorganges bzw. des Stauchvorganges kann sich das Edelmetall des tablettenförmigen Elements gewünscht enfalüs von dem Niekeldräht 31 aus erstrecken, wie dies in I¹Xg. 7 gezeigt ist. Bei diesem Aufbau wird eine Funkenbildung bzw. Zündung im allgemeinen nur zum Edelmetall erfolgen, da das Nickel für eine Funkenbildung bzw. Zündung zu weit entfernt ist und die Spitzenkonfiguration des Verschlußstopfens sich nach einem längeren bzw. hinausgezögerten Gebrauch bedeutsam verändern wird. Bei dieser Ausführungsform kann jedoch auch der Vorsprung des Edelmetalls .aus Nickel gewünschtenfalls v/eggelassen werden.

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Die Erfindung bezieht sich auf Zündkerzen für Verbrennungskraftmaschinen und betrifft insbeonsere eine Mittelelektrode mit einer Zündspitze, die aus einem Edelmetall besteht, sowie auf ein Verfahren zur Herstellung dieser Elektrode. Die Verwendung einer Edelmetallelektrode hat bekanntlich den Vorteil, daß eine beträchtlich größere Lebensdauer der Zündkerze erreicht wird. Dieser Vorteil wird erfindungsgemäß zusätzlich zu einer wesentlichen Eeduzierung der Masse des verwendeten Edelmetalls erreicht. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist die koplanare Anordnung des Endes der Mittelelektrode und deren Halterung für den Isolator.

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Claims

- 11 Patentansprüche

hy Zündkerze mit einem auf Masse liegenden Mantelgehäuse, einem Isolator, wenigstens einer von dem Mantelgehäuse getragenen Masse-Elektrode, einer gegenüber der Masse-Elektrode in funkenbildendem Verhältnis stehende Mittelelektrode, die aus einem Metall mit guten Funken-korrosionsbeständigen Eigenschaften und mit einer mittleren Bohrung wenigstens in deren Zündseite ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet , daß ein kleinvolumiger Einsatz aus einer Edelmetallegierung in die Bohrung (18) eingesetzt und in eine gegenüber dem benachbarten Elektrodenkörper feste, mechanisch gehaltene Beziehung gestaucht bzw. eingepreßt ist und daß das Ende des Einsatzes auf der Zündseite der Elek-,trode liegt.
2. Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der- Einsatz aus einer korrosionsbeständigen Metallegierung aus der Gruppe Gold, Platin, Palladium, Euthenium, Ehenium, Ehodium und Wolfram besteht.
3* Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende des kleinvolumigen Einsatzes und der übrige Teil der Mittelelektrode (15) sowie das Ende des Isolators (11) insgesamt in einer Ebene liegen bzw. koplanar sind.
4. Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der kleinvolumige Einsatz einen Feindraht aufweist, daß das Ende des Peindrahtes und der übrige Teil der Mittelelektrode (15) sowie das Ende des Isolators (11) in einer Ebene liegen.

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5. Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch'gekennzeichnet, daß sich die Bohrung (16) zuerst weiter in Axialrichtung erstreckt als der Einsatz aus Edelmetall und daß ein Draht aus einem Nichtedelmetall den Bereich der Bohrung (16) ausfüllt, der nicht von dem Einsatz aus Edelmetall ausgefüllt ist.
6. Verfahren zur Herstellung der Mittelelektrode einer Zündkerze nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende eines zylindrischen Drahtes aus unedlem Metall erweitert wird, daß in dem erweiterten Ende eine Ausnehmung gebildet wird, daß ein kleiner Körper aus Edelmetall in die Ausnehmung eingesetzt und die Teile zusammengestaucht bzw. zusammengepreßt werden, um das erweiterte Ende in eine zylindrische Form zurück zu verbringen, wobei das unedle Metall in die Seitenwände des Einsatzes 'eingreift und die Seitenwände des Einsatzes unterschneidet.
7. Verfahren zur Herstellung einer Mittelelektrode einer Zündkerze nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine axiale Öffnung im Körper eines Nichtedelmetails ausgebildet, wenigstens ein Teil dieser Öffnung mit einem Einsatz aus Edelmetall ausgefüllt und die Teile zusammengestaucht bzw. zusammengepreßt werden, um den Einsatz aus Edelmetall nur an dessen Seitenwänden zu erfassen.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der übrige Teil der Öffnung mit einem Nichtedelmetall zur Beibehaltung der zylindrischen Form der Mittelelektrode ausgefüllt wird.
9· Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die anfangs ausgebildete Axialöffnung in das Ende des Drahts aus Nichtedelmetall zur Bildung einer axialen Ausnehmung durchgebohrt wird, daß die Axialausnehmung mit einem tabletten-

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förmigen Element aus Edelmetall ausgefüllt und der Draht aus Nichtedelmetall gegen die Seiten des tablettenförmigen Elements gestaucht bzw. gepreßt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9> dadurch gekennzeichnet, daß sich das tablettenförmige Element außerhalb des Endes des Drahtes aus Nichtedelmetall axial erstreckt.

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