DE3735392A1 - Mittelelektrodenkonstruktion fuer zuendkerze - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Mittelelektrodenkonstruktion, die eine oxidations- und wärmebeständige Umschließung und ein elektrisch leitendes Kernteil hat, das in der Umschließung eingeschlossen ist und insbesondere befaßt sich die Erfindung mit einer Weiterentwicklung einer Mittelelektrodenkonstruktion in der Weise, daß zweckmäßi­ gerweise die thermische Deformation infolge von Wärmeex­ pansionsdifferenzen zwischen diesen Teilen bei hoher Um­ gebungstemperatur absorbiert wird.

Bei einer Zündkerze für eine Brennkraftmaschine ist ein Ende einer Mittelelektrode einer Brennkammer zugewandt, so daß dieses einer starken Wärme und einer Oxidation über längere Zeiträume hinweg ausgesetzt ist.

Um dieser ungünstigen Wärme- und Oxidationsumgebung stand­ zuhalten, besteht eine Mittelelektrode aus einem Kern auf Kupferbasis und einer Umschließung aus Platin oder einer Legierung auf Nickelbasis, welche durch Extrusion ein Ver­ bundteil bilden, um gleichzeitig ein gutes elektrisches Leitvermögen und eine Oxidations- und Wärmebeständigkeit zu gewährleisten. In der japanischen veröffentlichten Pa­ tentanmeldung No. 20 614/1971 beispielsweise ist eine Aus­ legung beschrieben, bei der die Umschließung zuvor gerei­ nigt und eine Stunde lang bei 650°C wärmebehandelt wird und bei der zugleich der Kern ebenfalls gereinigt und ab­ gebeizt wird. Der so abgebeizte Kern wird mittels Preß­ sitz in die Umschließung unter Bildung eines luftdichten Abschlusses eingebracht und in einer Inertgasatmosphäre wird die Anordnung bei einer Temperatur von 930°C 1,5 Stun­ den lang belassen, um eine Diffusion zwischen dem Kern und der Umschließung zu erreichen.

Die so hergestellte Mittelelektrode jedoch führt zu einer Verteuerung der Umschließung auf Platinbasis, obgleich man hierdurch in vorteilhafter Weise eine gute Haltbarkeit und Bearbeitbarkeit erhält. Zusätzlich hierzu ist die Mit­ telelektrode einer Deformation infolge von Wärmebeanspru­ chungen zwischen dem Kern und der Umschließung ausgesetzt, was zu einer Abweichung von einem üblichen Entladespalt führt, so daß nur kurzzeitig ein guter und stabiler Elektro­ denabstand vorhanden ist.

Die Erfindung zielt daher darauf ab, eine Mittelelektro­ denkonstruktion bereitzustellen, die eine Wärmeexpansions­ differenz zwischen einem Kern und Umschließungsteilen ab­ sorbieren kann und die einen Schutz vor einer nachteiligen Verformung bietet, um eine gute und stabile Funkenerzeugung über einen längeren Zeitraum hinweg bei relativ geringen Kosten zu gewährleisten.

Nach der Erfindung ist bei einer Mittelelektrodenkon­ struktion für eine Zündkerze, die einen rohrförmigen Iso­ lator aufweist, dessen Innenseite eine stufenförmig abge­ setzte Schulter hat, um eine im Durchmesser reduzierte Bohrung darin zu bilden, eine Mittelelektrode vorgesehen, die einen Flansch hat und die konzentrisch in dem Isola­ tor angeordnet ist, wobei der Flansch in Eingriff mit der Schulter ist und wobei ein axial durch die Bohrung gehen­ des Ende an der Außenseite des Isolators freiliegt. Die Mittelelektrode hat ein elektrisch leitendes Kernteil aus Kupfer oder einer Legierung auf Kupferbasis, der in einer Umschließung eingeschlossen ist, die aus einer oxidations­ und wärmebeständigen Legierung auf Nickelbasis besteht und das Kernteil ist mit einer Anzahl von Brüchen in der Kornstruktur versehen, so daß Wärmebeanspruchungen infolge der Wärmeexpansionsdifferenz zwischen dem Kern und den Umschließungsteilen absorbiert werden.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung eines be­ vorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung. Darin zeigt:

Fig. 1 eine Längsschnittansicht einer Zündkerze nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Längsschnittansicht einer Mittelelektrode, jedoch in vergrößertem Maßstab im Vergleich zu Fig. 1, und

Fig. 3 eine Längsschnittansicht einer Mittelelektrode mit einer Extrusionsmaschine.

Unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung wird eine bevorzugte Ausbildungsform nach der Erfindung nachstehend näher erläutert.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, ist mit 1 eine Gesamtkon­ struktion einer Zündkerze nach der Erfindung dargestellt. Ein rohrförmiger Isolator 2, der aus Keramik, wie Alumi­ niumoxid und dergleichen hergestellt ist, hat eine stufen­ förmig abgesetzte Schulter 12, um eine im Durchmesser re­ duzierte obere Bohrung 13 zu bilden, die in Verbindung mit einer Axialbohrung 3 steht. In dem Isolator 2 ist eine Mittelelektrode 5 angeordnet, die einen Flansch 14 hat, der in Eingriff mit der Schulter 12 ist. Das untere Ende der Mittelelektrode 5 steht über das Ende des Isola­ tors 2 über und liegt zur Außenseite, wie z.B. zu einer Brennkammer zugewandt, frei, wenn die Zündkerze in einer Brennkraftmaschine angebracht ist. Am oberen Ende der Mit­ telelektrode 5 sind eine elektrisch leitende Glasdichtung 6, ein elektrischer Widerstand 7 und ein Anschluß 8 ther­ misch dicht bei einer Temperatur von 800 bis 1100°C einge­ schlossen, wie dies an sich auf diesem Gebiet bekannt ist.

Ferner ist mit 15 eine Metallumschließung bezeichnet, die ein Gewinde 15 a hat, mittels dem die Zümdkerze an der Brennkraftmaschine angebracht ist. Mit der Metallumschlies­ sung 15 ist ein Isolator 2 mit Hilfe von Verstemmen fest verbunden. Mit 16 ist eine Masseelektrode bezeichnet, die vorgesehen ist, um einen Elektrodenabstand zu dem unteren Ende der Mittelelektrode 5 zu bilden.

Die Mittelelektrode 5 hat ein etwas längliches Kernteil 9, das mittels Preßsitz in einer Umschließung 11 vorgesehen ist, die als ein Verbundteil wirkt und die abschließend mittels Extrusion gebildet wird, wie dies aus Fig. 3 zu ersehen ist. Das Kernteil 9 ist aus Kupfer oder einer Le­ gierung auf Kupferbasis hergestellt, so daß dieses ein elek­ trisches Leitvermögen besitzt, während die Umschließung 11 aus einer wärme- und oxidationsbeständigen Legierung auf Nickelbasis hergestellt ist. Die Legierung auf Kupferbasis ist vorzugsweise mit 0,01 bis 1,0 Gew.% von einem oder mehr als zwei Elementen gemischt, die aus Aluminium, Sili­ cium, Mangan, Titan, Zirkon oder Magnesium ausgewählt sind.

Die Legierung auf Nickelbasis kann vorzugsweise noch zu­ sätzliche Elemente, wie Silicium, Chrom, Magnesium, Alu­ minium, Eisenmetalle oder Äquivalente haben.

Die Mittelelektrode 5 wird mit dem Kernteil 9 auf die nachstehend beschriebene Weise behandelt.

Zuerst wird eine Legierung auf Kupferbasis mit geringfügigen Zugaben von beispielsweise Magnesium (Mg), Mangan (Mn), Silicium (Si) oder Aluminium (Al) versehen, um das Kernteil 9 zu bilden. Nachdem das Kernteil 9 in das Umschließungsteil 11 eingeschlossen ist und zur Bildung der Mittelelektrode 5 extrudiert ist, erfolgt eine Wärmebehandlung in neutraler oder Vakuum-Atmosphäre bei einer solchen Temperatur, daß die Ausscheidung von Magnesium (Mg) eine Herabsetzung des Schmelzpunktes der Korngrenze bewirkt, so daß eine Mehrzahl von Brüchen 9 a in dem Kernteil 9 gebildet wird.

Bei einer zweiten Verfahrensweise wird wasserstoff-ver­ sprödetes Material, wie Elektrokupfer, für das Kernteil 9 verwendet. Nachdem das Kernteil 9 in das Umschließungs­ teil 11 eingeschlossen und extrudiert ist, wird das Kern­ teil 9 zusammen mit dem Umschließungsteil 11 unter Wasser­ stoffatmosphärenbedingungen bei einer Temperatur von 700 bis 800°C behandelt, um die Brüche 9 a an der Korngrenze zu erzeugen.

Bei einer dritten Verfahrensweise wird eine Legierung auf Kupferbasis für das Kernteil 9 einerseits und für die Umschließung 11 andererseits eine Legierung aus Nickel, Chrom und eisenhaltigen Metallen (Inconel) verwendet. Nach­ dem das Kernteil 9 in das Umschließungsteil eingeschlossen und extrudiert ist, wird die so gebildete Mittelelektrode 5 unter neutraler cder Vakuumumgebungsbedingung cder unter Schutzgas bei einer Temperatur von mehr als 900°C erwärmt, bevor der Isolator 2 eingebracht wird und dann erfolgt eine schnelle Abkühlung. Dies führt dazu, daß im Kernteil 9 Brüche 9 a an der Korngrenze auftreten, da die thermi­ sche Expansion der Umschließung 11 kleiner als jene des Kernteils 9 ist.

Bei einem solchen wie vorstehend beschriebenen Aufbau ist die Mittelelektrode 5 der Brennkammer ausgesetzt, die unter hoher Atmosphärentemperatur und einer stark korrosiven Umgebung während des Laufs der Brennkraftma­ schine steht. Bei diesem Beispiel verformen sich das Kernteil 9 und die Umschließung 11 gesondert in Abhän­ gigkeit von der dazwischen vorhandenen Wärmedehnungsdif­ ferenz.

Die somit zwischen dem Kern 9 und der Umschließung 11 auftretende Wärmedehnungsdifferenz, die durch den Hohl­ raum der Brüche 9 a absorbiert wird, ermöglicht, daß die Mittelelektrode 5 sich nicht in unzweckmäßiger Weise ver­ formt, was dazu führt, daß der erforderliche Elektroden­ abstand gleichbleibend auch über eine längere Zeit der Gebrauchsdauer hinweg aufrechterhalten werden kann.

Nachstehend ist eine Tabelle angegeben, die die Länge der Zeitdauer verdeutlicht, während der die Mittelelek­ trode einer aggressiven Umgebung in einer Brennkammer in Abhängigkeit davon standhalten kann, ob der Kern 9 zur Bildung von Brüchen 9 a wärmebehandelt ist oder nicht.

In dieser Tabelle zeigt eine horizontale Spalte das Ver­ bundmaterial des Kerns, der Umschließung und die Stunden, die zur Verformung der Mittelelektrode benötigt werden, während eine vertikale Spalte Beispiele (1) bis (6) wieder­ gibt. Unter diesen Beispielen zählen die Fälle (2), (3), (5) und (6) zur Erfindung. Die Fälle (1) und (4) bezie­ hen sich auf übliche Teststücke.

Beim Vergleich der Beispiele (2), (3), (5) und (6) mit den Beispielen (1) und (4) ist deutlich zu erkennen, daß die Beispiele nach der Erfindung im Gebrauchszustand über eine längere Zeitdauer hinweg, wie z.B. von 650 bis zu 1000 (h) ohne eine abnormale Deformation arbeiten.

Tabelle

Wie sich aus der vorstehenden Beschreibung ergibt, wird vermieden, daß sich die Mittelelektrode 5 in abnormer Weise in einem solchen Ausmaß verformt, daß sich der Elek­ trodenabstand ändert und zwar aufgrund der Tatsache der Wärmedehnungsdifferenz zwischen dem Kern 9 und der Umschlie­ ßung 11, da diese vorzugsweise durch den Hohlraum der Brü­ che 9 a absorbiert wird. Hierdurch erhält man eine verlänger­ te Standzeit einer solchen Zündkerze.

Obgleich die Wärmebehandlung die Erzeugung eines Bruches an dem Korngefüge bewirkt, ist natürlich der Hohlraum des Bruches äußerst klein, so daß immer ein gutes elektrisches Leitvermögen und eine hohe Steifigkeit insgesamt gesehen gewährleistet ist.

Claims (5)

1. Mittelelektrodenkonstruktion für eine Zündkerze, die einen rohrförmigen Isolator (2) enthält, dessen Innen­ seite eine stufenförmig abgesetzte Schulter (12) hat, um eine im Durchmesser reduzierte Bohrung darin zu bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelelektrode (5) einen Flansch (14) hat und konzentrisch in dem Isolator (2) angeordnet ist, wo­ bei der Flansch (14) in Eingriff mit der Schulter (12) ist und ein Ende axial über die Bohrung übersteht, so daß es zur Außenseite des Isolators (2) hin freiliegt,
daß die Mittelelektrode (5) ein elektrisch leitendes Kernteil (9) aus Kupfer oder einer Legierung auf Kupfer­ basis hat, das dicht in einen Umschließungsteil (11) eingeschlossen ist, das aus einer oxidations- und wärme­ beständigen Legierung auf Nickelbasis besteht, und
daß das Kernteil (9) mit einer Anzahl von Brüchen (9 a) in seiner Kornstruktur versehen ist, um Wärmebeanspru­ chungen infolge der Wärmedehnungsdifferenz zwischen dem Kernteil (9) und den Umschließungsteilen (11) zu absor­ bieren.

2. Mittelelektrodenkonstruktion für eine Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kernteil (9) mit Brüchen (9 a) durch Ausführen einer Wärmebehandlung versehen ist.

3. Mittelelektrodenkonstruktion für eine Zündkerze nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen den Korngrenzen vorgesehenen Brüche (9 a) derart vorgesehen sind, daß sie der Kornstruktur des Kernteils (9) aufgeprägt werden.

4. Mittelelektrodenkonstruktion für eine Zündkerze nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kernteil (9) mit Brüchen (9 a) an der Korn­ grenze versehen ist.

5. Mittelelektrodenkonstruktion für eine Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschließung (11) eine Legierung aus Nickel, Chrom und Eisenmetallen ist.