DE2516727C3 - Zündkerzen-Elektrode - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine drahtförmige Zündkerzen-Elektrode, insbesondere Mittelelektrode, für Brennkraftmaschinen-Zündkerzen, die einen Faserverbundstoff enthält, bei dem in ein Matrixmaterial von hoher Leitfähigkeit für Elektrizität und Wärme mindestens eine im wesentlichen in Längsrichtung der Elektrode angeordnete Faser aus einem korrosionsbeständigen. Elektrizität und möglichst auch Wärme gut leitenden Material eingebettet ist und der von einem die zündseitige Stirnfläche der Elektrode unbedeckt lassenden Mantel aus einem korrosionsbeständigen Material umgeben ist.

Die unterschiedlichen Eigenschaften der Kraftfahrzeugmotoren hinsichtlich Betriebsbelastung, Arbeitsverfahren, Verdichtung, Drehzahl, Kühlung, Vergasereinstellung und Kraftstoff machen es unmöglich, mit einer Einheitskerze für alle Motoren auszukommen. Ein und dieselbe Zündkerze würde sich in dem einen Motor sehr stark, erhitzen, in einem anderen Motor dagegen eine relativ niedrige mittlere Temperatur annehmen. Im ersten Fall würde sich das Kraftstoff-Luft-Gemisch an den in den Verbrennungsraum hineinragenden glühenden Teilen der Zündkerze entzünden (Glühzündung), im anderen Fall wäre der Isolatorfluß durch die Verbrennungsrückstände sehr bald so stark verschmutzt, daß infolge von Nebenschlüssen Zündaussetzer auftreten würden. Um zu verhindern, daß die Zündkerze in einem bestimmten Motor weder zu heiß wird, noch zu kalt bleibt, wurden Zündkerzen mit verschiedenen Belastbarkeiten geschaffen; diese unterschiedlichen Belastbarkeiten werden durch den Begriff »Wärmewert« charakterisiert, der jeder Zündkerze zugeordnet wird.

Der Wärmewert einer Zündkerze ist in einer Zahl ausgedrückt, die den Widerstand gegenüber Erhitzung kennzeichnet; je höher die Wärmewertzahl ist, desto höher kann die Zündkerze belastet werden, ohne daß Glühzündungen auftreten, desto leichter neigt sie aber auch zu Verschmutzungen, weil die Selbstreiniguugstemperatur beim Fahren nicht so rasch und beim Drosseln des Motors leicht unterschritten wird. Die Wärmewertabstufung von Zündkerzen erfolgt konstruktiv über die unterschiedliche Gestaltung der wärmeaufnehmenden Isolatoroberfläche, d.h. — bei gleichem Bohrungsdurchmesser des Zündkerzen-Gehäuses — über die Länge des Isolatorfußes; Zündkerzen hohen Wärmewertes haben kurze. Zündkerzen niederen Wärmewertes lange Isolatorfüße. Um auch bereits bei niedriger Motorleistung bei einer Zündkerze die sogenannte Selbstreinigungs- oder Freibrenntemperatur (etwa 50O⁰C) zu erreichen, bei der Ruß, öl und Ölkohle auf dem Isolator der Zündkerze so weit wegbrennen, daß kein Nebenschluß für den Zündstrom entstehen kann, benötigt die Zündkerze einen Isolatorfuß mit großer Oberfläche, d. h. eine Zündkerze mit langem Isolatorfuß. Die Verwendung längerer Isolatorfüße läßt sich aufgrund der Neigung dieser Isolatorfüße zu Selbstzündungen bzw. Glühzündungen nur dann realisieren, wenn die beim Verbrennungsprozeß des Motors entstehende Wärme auch abgeleitet werden kann. Zu diesem Zwecke wurde unter vielen anderen Vorschlägen auch bereits versucht, diese schnelle Wärmeableitung über eine Wärme gut leitende Mittelelektrode zu bewirken, die zu diesem Zwecke mindestens zu einem Teil aus einem Material mit hervorragender Wärmeleitfähigkeit besteht. Es ist auch bekannt, für derartige Zündkerzen-Elektroden Silber als Matrixmaterial zu verwenden, in das nickelhaltige Fasern eingelagert sind; die nickelhaltigen Fasern dienen dabei dem Zweck, die Korrosion an der Elektrode zu verringern und den Abstand zwischen dieser Elektrode und der gegenüberliegenden Elektrode

4" weitgehend konstant zu halten. Nachteil dieser bekannten Lösung, wobei das Matrixmaterial aus Silber besteht, ist der sehr hohe Preis solcher Elektroden.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Elektrode zu schaffen, die eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzt und eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Heißgaskorrosion aufweist und somit einen relativ langen Isolatorfuß erlaubt, die aber wesentlich billiger ist als die vorstehend beschriebene Elektrode mit Silber als Matrixmaterial, in das Nickelfasern eingebettet sind.

Diese Aufgabe wurde gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Elektrode zwischen 5 und 50 Vol-%, insbesondere um 30 Vol-%, Kupfer bzw. einer korrosionsbeständigen Kupferlegierung als Matrixmaterial und bis zu 200 Stück der genannten Fasern in diesem Matrixmaterial enthält; es hat sich nämlich überraschenderweise gezeigt, daß Kupfer bzw. korrosionsbeständiges niedrig legiertes Kupfer — das ungeschützt bei Elektroden aufgrund seiner Heißgaskorrosionsanfälligkeit bekannterweise nicht verwendbar ist — dann hervorragend für diesen Zweck geeignet ist, wenn Fasern aus einem korrosionsbeständigen Material darin eingebettet sind. Ein Mantel aus einem ebenfalls korrosionsbeständigen Material umgibt dabei die Mantelfläche der Elektrode, läßt jedoch die zündseitige Stirnfläche der Mittelelektrode unbedeckt. Die Verbilligung der Stoffkosten dieser erfindungsgemäßen Elektroden gegenüber denen mit einer Matrix aus Silber beläuft

sich auf mindestens 50%.

Da sich herausgestellt hat, daß mit wachsender Anzahl von Fasern im Matrismaterial die Kosten der Elektrode steigen und auch die Korrosionsanfälligkeit innerhalb der Elektrode zunimmt, ist es in Ausgestaltung der Erfindung von Vorteil, wenn die Anzahl der Fasern auf wesentlich weniger als 200 Fasern, bevorzugt auf 7 Fasern, beschränkt bleibt und die Fasern derart gleichmäßig Ober den Querschnitt des Matrixmaterials verteilt sind, daß sie sich nicht miteinander berühren.

Als Material für die Fasern der Elektrode eignen sich bevorzugt korrosionsbeständige Legierungen auf Nikkei-, Chrom- oder Kobalt-Basis, ein Material, was ebenfalls für den Elektroden-Mantel empfehlenswert ist.

Als erwünschter Nebeneffekt dieser Erfindung hat sich ergeben, daß die für den Funkenüberschlag zwischen den Elektroden erforderliche Zündspannung niedriger liegt als bei Zündkerzen-Elektroden ohne Faser-Einlagen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden beschrieben und näher erläutert; es zeigt

F i g. 1 eine teilweise geschnitten dargestellte Zündkerze nach der Erfindung in vergrößertem Maßstab,

Fig.2 einen Schnitt nach der Linie I/I durch die Mittelelektrode der Zündkerze in Fig. 1 in vergrößerter Darstellung,

F i g. 3 einen Schnitt durch eine andere Ausführungsform einer Mittelelektrode gemäß der Erfindung in vergrößerter Darstellung und

Fig.4 einen Längsschnitt nach der Linie 11 l/III drr in F i g. 3 dargestellten Elektrode.

Die in Fig. 1 dargestellte Zündkerze besteht im wesentlichen aus dem elektrischen Anschlußteil 10, der elektrisch mit dem Anschlußteil 10 in Verbindung stehenden Mittelelektrode 11, dem das Anschlußteil 10 und die Mittelelektrode 11 weitgehend umhüllenden Isolator 12 und dem Zündkerzen-Gehäuse 13, das an seinem zündseitigen Endabschnitt eine Masseelektrode 14 und ein Gewinde 15 für die Befestigung der Zündkerze in einem nicht dargestellten Motorblock hat; der den zündseitigen Endabschnitt der Mittelelektrode 11 umgebende Teil des Isolators 12 wird als Isolatorfuß bezeichnet und ist mit Bezugszeichen 16 versehen. Der einteilige Isolator 12 einschließlich seines Isolatorfußes 16 ist ein Keramikkörper, der auf der Basis von Aluminiumoxyd mit Zusätzen von glasartigen Substanzen hergestellt ist und seine hohe mechanische Festigkeit durch Brennen bei hohen Temperaturen in SpezialÖfen erhalten hat.

In der F i g. 2 ist der Querschnitt der Mittelelektrode U dargestellt; diese Elektrode 11 hat einen Durchmesser von 2,4 mm. Die Elektrode 11 hat einen Mantel 17, der 0^35 mm dick ist und aus 96 Gewichtsprozent Nickel als korrosionsbeständigem Material besteht, dem zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit Elemente wie Chrom, Mangan und Silicium beigefügt sind; anstelle des korrosionsbeständigen Nickels für den Mantel 17 können auch andere bekannte korrosionsbeständige Legierungen auf Nickel-, Chrom- oder Kobaltbasis Verwendung finden. Dieser Mantel 17, der die zündseitige Stirnfläche 20 der Mittelelektrode 11 nicht bedeckt und dessen Dicke zwischen 0,2 und 0,5 mm liegen kann, umfaßt das heißgaskorrosionsgefährdete Matrixmaterial 18 Kupfer, in dem sieben Fasern 19 eingebettet sind, die im wesentlichen aus dem gleichen Materia! wie der Mantel 17 bestehen. Der Durchmesser der Fasern 19 beträgt ca. 0,3 mm, und sie sind im vorliegenden Beispiel derart angeordnet, daß eine der Fasern 19 axial in der Elektrode 11 verläuft und die anderen sechs etwa gleichmäßig darum herum angeordnet sind, ohne daß sich die Fasern 19 untereinander berühren; diese Art der Anordnung von den Fasern 19 hat sich beim Betriebsverhalten als günstig herausgestellt Je nach Anwendungszweck der Zündkerzen-Elektrode 11 können bis zu 200 Fasern im Matrixmaterial 18 Kupfer eingebettet sein, jedoch hat es sich herausgestellt, daß mit zunehmender Anzahl von Fasern 19 die Korrosionserscheinungen an der Mittelelektrode 11 zunehmen und außerdem noch der Herstellungspreis derartiger Mittelelektroden 11 höher wird; es ist aus diesem Grunde empfehlenswert, wenn die Anzahl der Fasern 19 nicht über einundzwanzig liegt. Der Gehalt der Elektrode 11 an Kupfer als Matrixmaterial 18 kann gemäß der Erfindung zwischen 5 und 50Vol-%, bevorzugt jedoch um 30 Vol-% liegen. Durch Verwendung von korrosionsbeständigem niedrig legiertem Kupfer als Matrixmaterial 18 (z. B. durch Zugabe von 0,1 —11,5 Gew-% Chrom oder Zirkon) kann noch zusätzlich die hervorragende Wirkung der eingelagerten Fasern 19 verbessert werden. Die zündseitige Stirnfläche 20 der Mittelelektrode 11 bedarf keines zusätzlichen Schutzes gegenüber Korrosion, was eine kostengünstige Serienfertigung dieser Mittelelektroden 11 von Draht als Ausgangsmaterial ermöglicht.

In den F i g. 3 und 4 ist eine andere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zündkerzen-Mittelelektrode XX' dargestellt. Bei dieser Mittelelektrode XY ist anstelle der sieben im Matrixmaterial 18 eingelagerten Fasern 19 gemäß der Mittelelektrode 11 in Fig.2 nur eine einzige Nickelfaser 19' im Matrixmaterial 18' Kupfer angeordnet; diese Faser 19' hat einen Durchmesser von 0,9 mm und verläuft axial innerhalb der Mittelelektrode 11'. Die anderen Merkmale über Abmessungen und Stoffe dieser Mittelelektrode XX' entsprechen denen der Mittelelektrode 11 nach Fig.2.

Wie schon erwähnt, können anstelle des Nickels als korrosionsbeständiges Material für den Mittelelektrodenmantel 17, 17' bzw. die Fasern 19, 19' auch andere korrosionsbeständige Legierungen auf Nickel-, Chrom- oder Kobaltbasis verwendet werden; als ein Beispiel für ein Material auf Nickel-Basis kann das unter dem Warenzeichen bekannte »Inconel 600« genannt werden, das etwa 75% Nickel, 15% Chrom und 10% Eisen enthält; als ein korrosionsbeständiges Material auf Chrom-Basis kann u.a. auch ein Material mit 20% Chrom, 5% Aluminium und 75% Eisen dienen, und als Material auf Kobalt-Basis sei beispielsweise das unter dem Handelsnamen bekannte »Vakumelt ATS 115« genannt, das aus 70% Kobalt, 20% Chrom und 10% Nickel besteht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Drahtförmige Zündkerzen-Elektrode, insbesondere Mittelelektrode, für Brennkraftmaschinen-Zündkerzen, die einen Faserverbundstoff enthält, bei dem in ein Matrixmaterial von hoher Leitfähigkeit für Elektrizität und Wärme mindestens eine im wesentlichen in Längsrichtung der Elektrode angeordnete Faser aus einem korrosionsbeständigen, Elektrizität und möglichst auch Wärme gut leitenden Material eingebettet ist und der von einem die zündseitige Stirnfläche der Elektrode unbedeckt lassenden Mantel aus einem korrosionsbeständigen Material umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (11,11') zwischen 5 und 50 Vol-%, insbesondere um 30 Vol-%, Kupfer bzw. einer korrosionsbeständigen Kupfer-Legierung ak Matrixmaterial (18,18') und bis zu 200 Stück der genannten Fasern (19) in diesem Matrixmaterial (18) enthält.

2. Zündkerzen-Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Matrixmaterials (18) 7 Fasern (19) eingebettet sind.

3. Zündkerzen-Elektrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die im Matrixmaterial (18) befindlichen Fasern (19) nicht berühren und möglichst gleichförmig über den Querschnitt des Matrixmaterials (18) verteilt sind.

4. Zündkerzen-Elektrode nach einem der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (19) aus korrosionsbeständigen Legierungen auf Nickel-, Chrom- oder Kobalt-Basis bestehen.