DE2614274C3 - Hochspannungszundkerze - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Hochspannungszündkerze nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Silber ist bekanntlich der beste existierende Wärmeleiter und hat den weiteren Vorteil, daß es sich im Motorbetrieb als sehr korrosionsbeständig erweist und auch gul der erosiven Wirkung der Zündfunken widersteht.

Diesen für Kerzen günstigen Eigenschaften stehen jedoch der hohe Preis und die geringe Warmfestigkeit des Silbers entgegen.

Die Verwendung von massiven Silberelektroden hat sich daher im wesentlichen auf Zündkerzen beschränkt, die im Motor hohen thermischen Belastungen ausgesetzt sind und deren große Empfindlichkeit gegen Verrußen durch Erhöhung der Wärmeleitung ihrer Mittelelcktrode und dadurch mögliche Verlängerung des Isolatorfußes gemildert werden muß.

Solche VoIlsilbermitlelelekliOdcn sind jedoch der Gefahr des Schmelzens ausgesetzt, wenn sie sich infolge ihrer geringen Warmfestigkeit im Motorbetrieb verbiegen und mit dem hocherhitzten Isolatorfuß in Berührung kommen. Es ist daher erforderlich, zumindest am zündseitigen Ende des Isolatorfußes einen genügenden Zwischenraum zur Miltelelcktrodc vorzusehen. Dieser Zwischenraum wird aus Hcrstellungsgründen gewöhnlich durch eine Verjüngung des Elektrodenendes hergestellt und verringert somit die Ausnützung des teuren Werkstoffes.

Der hohe Preis des Silbers hat zur Suche nach Ersatzlösungen in Form von Mehrstoffeleklrodcn geführt. So ist aus dem im Jahre 1923 angemeldeten US-Patent 17 62 989 eine Mehrstoffelektrode bekannt, die sowohl einen niedrigen Preis als auch ein gutes Wärmeleitvermögen anstrebt. Zu diesem Zweck ist sie aus einem Manteldraht mit einem korrosionsbeständigen Nickelmantel und einer Kupferseele hergestellt. Dieser Manteldraht ist gut zu verarbeiten und die Kupferseele übernimmt nicht nur die Aufgabe der

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Verbesserung der Wärmeleitung, sie ist auch im Werkstoffpreis um ein Mehrfaches billiger als Nickel. Um das Temperaturniveau am Zündende zu senken, ist die Elektrode durch den ganzen Isolator hindurchgeführt und in einen großvolumigen Anschlußknopf aus Messing eingeschraubt.

Da Kupfer nur ein gut wärmeleitender, aber kein oxydationsbeständiger Werkstoff ist, ist man dazu übergegangen, das Zündende der Mehrstoffelektrode durch einen abbrandfesteren Stoff zu versiegeln bzw. durch eine in den Mantel eingesetzte Elektrodenspitze aus abbrandfestem Material zu verbessern

Aus der deutschen Gebrauchsmusterschrift 73 43 689 ist eine Zündkerzen-Mittelelektrode aus Faserverbundwerkstoff bekannt, bei dem in ein Matrixmaterial Fasern eingelagert sind. Als Werkstoffe werden für das Matrixmaterial Nickel vorgeschlagen und für die Fasern Silber. Die Fasern sind in einer Vielzahl vorgesehen und ihr Durchmesser liegt in der Größenordnung von μΐη.

Die Herstellung eines solchen Faserverbundwerksloffes ist schwierig und kostspielig. Eine in Massenfertigung hergestellte Zündkerze verteuert sich dadurch nicht unerheblich.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Zündkerze mit einer Mittelelektrode mit erhöhter Temperaiurableitung aufzuzeigen. Die Mittelelektrode soll sich einfach und preisgünstig herstellen lassen und außerdem wärmebeständig und widerstandsfähig gegenüber den korrodierenden Angriffen der Verbrennungsgase sein.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Hauptanspruches gelöst. Eine vorteilhafte Ausgestaltung ergibt sich aus dem Untcranspruch. Da Silber und Eisen nicht miteinander legieren, ist eine Mehrstoffelektrodc nach Art der Miltelclektrodc für Masseelektroden weniger gut geeignet, weil die übliche Widerstandsschweißung auf Schwierigkeiten stößt. Man wird daher die Masseelektrode zumeist als Dach- oder Hakenelektrodc aus Flachdiahl und üblichen Nickellegierungen herstellen, die sich gul auf den Kerzenstahlkörper aufschweißen lassen.

Durch die Verwendung solcher Masseclcktmden ist jedoch der Weilerentwicklung der Zündkerzen wegen ihres geringen Wärmeleitvermögens eine Grenze gesetzt.

Für besondere Zwecke, wo z. B. die Funkenstrecke zwecks Erreichung einer schadstoffiirmeren. schnelleren, klopfsichereren und verlustärmeren, vom Brennrauminneren nach den gekühlten Wänden hin verlaufenden Verbrennungen tiefer als bisher in einen kompaktgestalteten Verbrennungsraum hineinragen soll, lohnt es sich, trotz des größeren Aufwandes auch die Masseelektrode gemäß der Erfindung aus einer gleichartigen Mehrstoffelektrode wie die Mittelelektrode herzustellen. Diese Masseelcktrode wird jedoch durch Einsetzen in eine Bohrung des Kerzenslahlkörpers und durch Verstemmen und/oder Verschweißen des Mantels mit dem Kerzenstahlkörper befestigt.

Was die Bemessung des Nickclmantcls und des Silberkerns betrifft, so geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, daß zur Erreichung eines guten Kompromisses zwischen dem Preis und den Gebrauchseigenschaften die Querschnittsfläche des Silberkerns nicht nur wegen ihres ausgezeichneten (etwa 8—lOmal größeren) Wärmeleitvermögens relativ klein im Verhältnis zum Flächenquerschnitl des Nickclmanicls gehalten werden kann, sondern auch die Absenkung der Elektrodentemperatur infolge des inkorporierten SiI-

berkerns einen überverhaltnismäßig günstigen Einfluß auf die Verlängerung der Lebensdauer des Nickelmantels ausübt, weil sich der Abbrand hauptsächlich bei höheren Temperaturen sehr stark verändert

Bei den erwähnten Elektroden au* einem Manteldraht mit Nickelmantel und Kupferseele gemäß US-PS 17 62 989 ist zwar die geringe Zunderbeständigkeit des Kupfers von Nachteil; Kupfer liegt aber in der elektrochemischen Spannungsreihe mit fO,35 Volt Normalpotential näher bei Nickel (—0,25 Volt) als Silber ( + 0,81 Volt), so daß die Gefahr der Kontaktkorrosion infolge Elementenbildung geringer ist und diese Frage unbeachtet blieb bzw. durch die starke Verzunderung des Kupfers überdeckt wurde. Hierbei ist in Betracht zu ziehen, daß sich im Motorbetrieb aus dem ti Kraftstoff und Schmierstoff resultierende Säuren und elektrolytisch wirkende Feuchtigkeiten auf den Elektroden niederschlagen können und daß durch die Zündfunken ebenfalls chemische Verbindungen aufgebaut werden, die zur Elementenbildung beitragen können (z. B. Untersalpetersäure).

Die Erfindung strebt an. Schaden durch Kontaktkorrosion zu vermeiden oder doch so gering zu halten, daß die sonstigen Vorteile der Erfindung weilgehend erhalten bleiben. Sie geht dabei von dem Gedanken aus, daß Kontaktkorrosion infolge Elementenbildung vermieden werden kann, wenn das Normalpotential des Nickelmantels durch Passivierung auf das Normalpotential von Silber angehoben oder an dieses angenähert wird. Eine solche Passivierung könnte durch Eintauchen der Elektroden in ein oxydierende Säuren enthaltendes Passivierungsbad vorgenommen werden, wobei neben der Badkonzentration hauptsächlich die Zusammensetzung der Mantcllegierung, insbesondere ein etwaiger Chromanteil, die Passivierung beeinflußt. r>

Diese Art der Passivierung läßt sich aber nicht anwenden, wenn die Mittelelektrode, wie üblich, /weeks Ausgleichs von Fertigungstolcran/en erst nach dem Einbau des Isolators in den Kerzenslahlkörper auf d;-s Maß gebracht wird, mit welchem sie aus dem ao Ker/enstahlkörpcr herausragen soll. Hin einfacherer Weg ist es daher, eine solche Bemessung des Silbcrkenis vorzusehen, daß die höchste Betriebstemperatur der Elektroden zwar um etwa 100—300"C abgesenkt wird, diese aber immer noch hoch genug bleibt, um die r> Bildung von aus der Maniellcgierung entstehenden elektrisch isolierenden, wasser- und säureutilöslichen und daher schützenden und passivierend wirkenden Oxiden zu gewährleisten. Infolge der genannten Absenkung der Betriebstemperatur sind als Legierun- w gen für den Mantel die bekannten schwachlcgierlen Zündkerzen-Nickellegierungen mit ca. 97 — 94% Ni vorzuziehen, da sie den Vorteil haben, daß die Verminderung ihrer Wärmeleitfähigkeit durch die Legierungszusätze nicht so groß ausfällt. Für den Vi vorliegenden Zweck erweisen sich Silizium, Mangan und Magnesium (entsprechend DBP 20 12 200) als Legierungsziisät/e von im ganzen 3 — 6% als günstig, z.B. 2% Si, 2% Mn, 0,15-ri »Wo Mg. Zu diesen Lcgicrungszusätzen können .iod) dis ca. 2% Chrom w> kommen, wobei das Chrom das Mangan ganz oder teilweise ersetzen kann.

Die Mittelelektrodcn gemäß der Erfindung lassen sich wie Vollnickel- oder Vollsilbcrelektroden sehr wirtschaftlich vom Drahlwickcl herunter auf zum Absehe- (. rcn und Kopfanstauchen eingerichteten Kaltpressen herstellen. Die Verwendung von Miltelclcklroden gemäß der Erfindung anstelle von Nickelelektroden ergibt die Möglichkeit, mit maßlich gleichen Kerzenteilen, d. h. auf sehr wirtschaftlichem Wege, den Wärmewert und das thermoelastische Verhalten derZündkernzen zj variieren.

Anhand der Zeichnung werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine übliche Hochspannung-Zündkerze im Längsschnitt bei der nur die Mittelelektrode als Mehrstoffelektrode gemäß der Erfindung ausgeführt ist,

Fig. 2 eine Hochspannungszündkerze mit weit vorgezogener Funkenstrecke, bei der sowohl die Mittelelektrode als auch die Masseelektrode als Mehrstoffelektroden ausgeführt sind.

Die Zündkerze Zk der Fig. 1 hat einen keramischen Isolator t mit einer abgesetzten Bohrung 2, in der eine auf deren Schulter 3 aufsitzende Mittelelektrocie 4 mittels einer schichtenweise und durch Stempeldruck eingestampften Pulverdichtung 5 und ein mit Gewinde 6 versehener Anschlußbolzen 7 mittels Kitt 8 befestigt sind. Die Pulverdichtung 5 ist elektrisch leitend und besteht aus einem Gemenge von Specksteinpulver und oxydationsfestem Metallpulver, z. B. Aluminiumpulver und Nickelpulver in der untersten, auf den Kopf 9 der Mittelelektrode 4 drückenden Schicht 5.;. Der Anschlußbolzen 7 ist mit einer Spitze 10 in die Pulverdichtung 5 eingedrückt. Der keramische Isolator 1 wird mittels einer eingestampften Pulverdichtung 11 aus granuliertem Specksteinpulver unter Zwischenlage einer Dichtungsscheibe 12 auf die Schulter 13 eines Kerzenstahlkörpers 14 gedrückt, wobei ein Bördel 15 den auf der Gegenseite durch eine Schulter 16 des Isolators 1 begrenzten Raum der Pulverpackung 11 verschließt. Auf die Stirnfläche 17 des Kerzenstahlkörpers 14 ist eine aus Flachdraht gebildete und aus einer üblichen Nickellegierung bestehende Dachelektrode 18 aufgeschweißt, die der Mittelelektrode 4 in einem Abstand von ca. 0,5 — 0,7 mm, welcher die Funkenstrecke 19 der Zündkerze bildet, gegenübersteht. Der Stahlkörper !4 hat eine Seehskanlfläche 20 und einen Gewindeslutzen

21 zum Einschrauben der Kerze in den Zylinderkopf eines Ottomotors. Dabei kommt die Funkenstrecke 19 bei den heutigen Zündkerzen mit Nickelmasseelektrode und »mit vorgezogener Funkenlage« etwa 3.5 mm tief in den Verbrennungsraum der Brennkraftmaschine zu liegen (nicht gezeichnet). Die Mittelelckirode 4 der Zündkerze ist aus einem Manteldraht hergestellt,dessen Mantel 22 aus einer üblichen Ziindkerzenlegierung auf Nickelbasis, vorzugsweise des bereits erwähnten Typs Ni-Si-Mn-Mg-(Cr) besteht und dessen Kern 23 aus Silber besteht. An ihrem zündseitigen Ende, d. h. an der Funkenstrecke 19 liegen diese beiden Stoffkomponenlen frei. Der Kopf 9 der Mittelelektrode 4 liegt mit einer kegeligen Fläche auf der Schulter 3 des Isolators 1 auf. Diese kegelige Fläche dient somit (auch) als Kontaktfläche 3<7 für den Wärmeübergang zum Isolator 1 und zum Kerzenstahlkörper 14 über die Dichtungsscheibe 12. Vom Kopf 9 der Mittelelektrode fließt ferner Wärme über die Pulverdichtung 5;i zum Isolator 1. Der Mantel

22 folgt am Kopf 9 dessen Außenkontur und die Mittelelektrode 4 weist sonst keine Verformungen auf. Die Bohrung 2 des Isolators ist am zündseitigen Ende 24 leicht aufgeweitet, um den Isolatorfuß schneller aufzuheizen und von Ruß freizubrennen. Anstelle die Bohrung des Isolators aufzuweiten, kann auch die Mittelelektrode 4 bei ihrer Herstellung in der Kallpresse beim Eindrücken des Manteldrahtes in die Matrize am zündseitigen Ende im Durchmesser verjüngt werden. Da sich der Silberkern 23 mit seiner

größeren Dilatation in Längsrichtung ausdehnen kann und die Warmfestigkeit von Silber klein ist, besteht für den relativ dicken und viel warmfesteren Nickelmantel keine ernsthafte Gefahr von Spannungskorrosion.

Bei der Zündkerze Fig.2 ist nicht nur die Mittelelektrode 4', sondern auch die Masseelektrode 18' aus einem Nickel-Silber-Manteldraht hergestellt. Das größere Wärmeleitvermögen der Masseelektrode ist dazu ausgenutzt, die Funkenstrecke 19' tiefer in den (nicht gezeichneten) Verbrennungsraum hineinzuverlegen. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist auf den Kopf 9' der Mittelelektrode 4' ein Kupferstift 25 aufgeschweißt, der in eine Bohrung 26 des Anschlußbolzens 7' eingreift. Um den Kupferstift 25 herum ist eine Pulverdichlung 5' angeordnet. Die Masseelektrode 18' ist in eine Bohrung 27 am Gewindestutzen 21' des Kerzenstahlkörpers 14' eingesetzt. Die Mittelelektrode 4' und die Masseelektrode 18' stehen sich an der Funkenstrecke 19' mit zur Längsachse der Zündkerze unter 45° schräg angeordneten Flächen gegenüber, so daß die freiliegenden Stoffkomponenten beider Elektroden einander senkrecht zugekehrt sind. Auf diese Weise wird eine gute Gemischzugängigkeit erreicht und die Abbrandflächen vergrößern sich um 41%. Die Mittelelektrode 4' wird in gleicher Weise hergestellt wie die Mittelelektrode 4 der Fig. 1; ihre schräge Fläche an der Funkenstrecke 19' wird erst nach dem Einbau des Isolators Γ in den Kerzenstahlkörper 14' durch Abscheren, Sägen oder Abschleifen hergestellt, wobei sich die Abschrägung nach der gleichen Sechskantfläche 20' orientiert, die

^r, auch für die Bohrung 27 der Masseelektrode 18' maßgeblich ist. Nach dem lagegerechten Einsetzen der Masseeleklrode 18' in die Bohrung 27 des Kerzenstahlkörpers 14' wird diese bei 28 verkerbt, wie durch den Pfeil P angedeutet ist. Diese Vcrkerbung 28 kann noch

in durch zwei zur Bohrung 27 koaxiale und in deren unmittelbaren Nähe angeordneten Kerben ergänzt werden. Zur Verbesserung der Befestigung und des Wärmeübergangs kann auch der Mantel der Masseelektrode 18' am Austria aus der Bohrung 27 mit dem Stahlkörper 14', z. B. mittels einer sehr feinen Flamme, von durch Wasserelektrolyse hergestellten Wasserstoff-Sauerstoffgemisch verschweißt werden. Eine rationelle Herstellung der Masseelektrode 18' kann z. B. in der Weise erfolgen, daß der Manteldraht zuerst in Stücken von der doppelten Länge einer Elektrode abgehauen wird, diese Stücke dann in der Mitte schräg abgeschert oder sonstwie getrennt werden und diese Teile dann in einer Biegestanze gebogen werden, wobei zum gleichzeitigen Biegen mehrere Elektroden eine Anzahl von Teilen nebeneinandergereiht werden können.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Hochspannungszündkerze mit einem Kerzenstahlkörper, mit einem keramischen Isolator, mil einer Mittelelektrode und mit einer Masseelektrode, wobei mindestens die Mittelelektrode als Mehrstoffelektrode ausgeführt ist mit Silber als eingelagertem, gut wärmeleitendem Material und mit einem Mantel aus einer korrosionsbeständigen Legierung, vorzugsweise einer für Zündkerzen üblichen Nickellegierung, und wobei das Silber am zündseitigen Ende der Elektrode freiliegt, dadurch gekennzeichnet, daß das Silber den vom Mantel (22) umgebenen Kern (23) der Elektrode (4,4') bildet und daß die Länge der Mittelelektrode (4, 4') von der Anordnung einer an ihrem anderen Ende vorgesehenen Kontaktfläche (3a) für den Wärmeübergang zum Isolator (1) und zum Kerzenstahlkörper (14) bestimmt ist.

2. Hochspannungszündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelelektrode (4') und die Masseelektrode (18') sich an der Funkenstrecke mit zur Längsachse der Zündkerze unter 45° schräg angeordneten Flächen gegenüberstehen und daß die Masseelektrode (18') als Mehrstoffelektrode mit einem Mantel aus der korrosionsbeständigen Legierung und einem Kern aus Silber ausgeführt ist.