DE4203251A1 - Zuendkerze - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Zündkerze mit einem Isolator, einer im Isolator angeordneten Mittelelektrode, einem außen am Isolator angeordneten Körper und einer am Körper angebrachten Körperelektrode.

Bei einer derartigen üblichen Zündkerze sind die Mittel­ elektrode und/oder die Körperelektrode üblicherweise aus Silber- oder Nickellegierungen oder aus einem Nickel-Kupfer-Zweistoff- Werkstoff gebildet.

Es sind auch Zündkerzen mit Platinelektroden als Mittel­ elektrode und/oder Körperelektrode bekannt.

Aus der DE-OS 25 08 490 sind weiterhin ein Silber-Nickel- Verbundwerkstoff in Form eines Silber-Nickel-Faserverbundes für Elektroden sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung bekannt.

Bei einer Zündkerze mit Platinelektroden werden für eine lange Lebensdauer der Zündkerze, beispielsweise für Gasmotoren, von über 1000 Stunden große Platinmengen als Abbrandreserve benötigt. Das Platin muß darüber hinaus vor Aufkohlung geschützt werden, wobei die hohen Kompressionsdrucke bei Gasmotoren kleine Elektrodenabstände bedingen. Kleine Elektrodenabstände von bei­ spielsweise 0,3 mm sind jedoch schwierig einzustellen. Die Ver­ wendung von Platinmetallen und Platinlegierungen zur Herstellung der Elektroden ist darüber hinaus mit hohen Kosten verbunden.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht dem­ gegenüber darin, eine Zündkerze der eingangs genannten Art zu schaffen, die trotz einer langen Lebensdauer mit geringeren Kosten verbunden ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Ausbildung gelöst, die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegeben ist.

Bei der erfindungsgemäßen Zündkerze ist somit wenigstens die Mittelelektrode oder die Körperelektrode aus einem Platin- Nickel-Faserverbundwerkstoff gebildet, was den Bedarf an Platin bzw. einer Platinlegierung reduziert und somit zu einer erhebli­ chen Kosteneinsparung führt.

Die aufgrund des verringerten Zündspannungsbedarfs mögli­ chen größeren Elektrodenabstände machen es möglich, das Verbren­ nungsgemisch abzumagern. Das führt insgesamt zu einem besseren Maschinenwirkungsgrad und zu einem geringeren Verbrauch. Werden die Fertigungsschwierigkeiten bei kleinen Elektrodenabständen in Kauf genommen, so führt die dadurch größere Abbrandreserve zu einer längeren Lebensdauer.

Besonders bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Zündkerze sind Gegenstand der Patentan­ sprüche 2 bis 5.

Wenn insbesondere die Elektroden der Zündkerze dadurch gebildet sind, daß Stücke oder Scheiben aus dem Platin-Nickel- Faserverbundwerkstoff in das zündfunkenseitige Ende der Elek­ troden eingelagert oder dort angebracht sind, die im übrigen aus einem üblichen Elektrodenmaterial wie beispielsweise Nickel- Kupfer-Zweistoff bestehen können, ist das Platin vor Aufkohlung geschützt. Durch Spitzenwirkung und Feldverzerrung zwischen dem Nickel als magnetischem und dem Platin als nicht magnetischem Material ergibt sich eine niedrigere Ansprechspannung. Das heißt, daß bei der Zündung das Nickel zuerst abgetragen wird und Platin vorsteht. Da Platin noch besser als Nickel die Wärme ableitet, wird das Nickel zusätzlich gekühlt, was insgesamt zur besseren Standzeit führt.

Wenn Faserverbundwerkstoffstücke oder -scheiben aus dem Platin-Nickel-Faserverbund am zündfunkenseitigen Ende von Elek­ troden aus einem Basismaterial wie beispielsweise Nickel-Kupfer- Zweistoff angeordnet sind, ergibt sich eine weitere Einsparung an dem mit hohen Kosten verbundenen Platinmaterial.

Aus Gründen der Wärmeausdehnung ist es bevorzugt, 100 bis 6000 Nickel- oder Nickellegierungsfasern pro mm² des Verbund­ werkstoffes in der Platinmatrix vorzusehen. Die Nickellegierung kann eine übliche Zündkerzen-Nickellegierung, vorzugsweise mit 1-4% Silizium und 0,3% Magnesium sein.

Es können auch Rohre aus Nickel oder einer Nickellegierung vorgesehen sein, die mit die Austrittsarbeit für die Elektroden absenkenden Stoffen wie beispielsweise Metalloxiden oder halb­ leitenden Stoffen gefüllt sind und in eine Platinmatrix einge­ bracht und solang umgeformt werden, bis nur noch dünne Nickelfa­ sern vorliegen.

Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung beson­ ders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher be­ schrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Teilschnittansicht eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Zündkerze,

Fig. 1a in einer perspektivischen Ansicht das zündfunken­ seitige Ende der Dachelektrode der in Fig. 1 dargestellten Zünd­ kerze,

Fig. 2 eine Teilschnittansicht eines weiteren Ausführungs­ beispiels der erfindungsgemäßen Zündkerze,

Fig. 3 eine Teilschnittansicht noch eines Ausführungsbei­ spiels der erfindungsgemäßen Zündkerze,

Fig. 4 eine Teilschnittansicht einer bekannten Platinzünd­ kerze, und

Fig. 5, 5a, 5b eine Teilschnittansicht und Draufsichten auf übliche Körperelektrodenanordnungen.

In Fig. 4 ist eine bekannte Zündkerze mit einem Isolator 5, einer im Isolator angeordneten Mittelelektrode 1 aus einem Nic­ kelmantel und Kupferkern mit einem Platin-Nickel-Einsatz, einem außen am Isolator 5 angeordneten Körper 6 und einer am Körper 6 angebrachten Körperelektrode 3 aus Nickel oder Inconell oder einem Nickelmantel, Kupferkern mit Platin-Nickel-Scheibe darge­ stellt. Die Mittelelektrode ist über eine Glaseinschmelzung 7 gegebenenfalls mit Entstör- oder Abbrandwiderstand im Isolator 1 angebracht. Zwischen der Körperelektrode und der Mittelelektrode 3, 5 befindet sich die Luftfunkenstrecke 8.

In den Fig. 5, 5a, 5b sind Körperelektrodenanordnungen dargestellt, die gegenwärtig mit Platin- oder Gold-Palladium- Werkstoffen aus Vollmaterial üblich sind. Vorteilhafterweise können diese gemäß der Erfindung aus einem Platin-Nickel-Faser­ verbundwerkstoff bestehen.

Das in Fig. 1 und Fig. 1a dargestellte erste Ausführungs­ beispiel der erfindungsgemäßen Zündkerze entspricht in seinem Grundaufbau dem in Fig. 4 dargestellten Aufbau der bekannten Zündkerze mit der Ausnahme der Ausbildung der Mittelelektrode 1 und der Körperelektrode 3.

Die Mittelelektrode 1 weist einen Einsatz 2 aus einem Pla­ tin-Nickel-Faserverbundwerkstoff auf, der aus einer Platinmatrix besteht, in die Nickelfasern oder Nickellegierungsfasern einge­ bettet sind. Dieser Einsatz 2 kann in einer Elektrode aus übli­ chem Elektrodengrundmaterial wie beispielsweise Nickel-Kupfer- Zweistoff eingebettet sein. In gleicher Weise kann am zündfun­ kenseitigen Ende der Körperelektrode 3 ein ähnlicher Einsatz 4 aus dem Platin-Nickel-Faserverbundmaterial vorgesehen sein. Die Einsätze 2 und 4 können als Scheiben oder Platten an den Elek­ trodenenden angebracht, beispielsweise aufgeschweißt oder in diese eingebettet, beispielsweise eingezapft, sein. Die Scheiben oder Platten können in Richtung der Funkenbahn vor der Nickel- Körper- oder Mittelelektrode 1, 3 vorstehen. Wenn das Faserver­ bundmaterial in das Elektrodengrundmaterial eingebettet ist, ergibt sich der Vorteil, daß das Platin außer an der Zündstelle eingebettet und vor Aufkohlung bei fettem Gemisch geschützt ist.

Wie es in Fig. 2 dargestellt ist, können als Körperelek­ troden ein oder mehrere Dachelektroden 3 mit den entsprechenden Ein- oder Ansätzen 4 aus dem Platin-Nickel-Faserverbundmaterial vorgesehen sein. Bei der in Fig. 2 dargestellten Zündkerze mit zwei Seitenelektroden hat der Faserverbundeinsatz 4 einen Faser­ verlauf in Zündrichtung. Die Fasern können aber auch quer zur Zündrichtung laufen, sofern sie oberflächlich freigelegt sind.

In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfin­ dungsgemäßen Zündkerze dargestellt, bei der die Mittelelektrode 1 mit einem Faserverbundwerkstoffeinsatz 2 versehen ist und auf der Körperelektrode 3 eine Scheibe 4 aus dem Faserverbundwerk­ stoff vorgesehen ist.

Es ist auch möglich, eine unter Verwendung eines Platin- Nickel-Faserverbundwerkstoffes gebildete Elektrode, d. h. die Mittelelektrode oder die Körperelektrode in Kombination mit einer üblichen Gegenelektrode aus einem Nickel-Elektrodenmateri­ al, d. h. einer üblichen Nickellegierung mit vorzugsweise 1-4% Si und 0,3% Mg, einer Nickel-Kupfer-Zweistoffelektrode als Mittel- oder Körperelektrode, einer Silber-Kupfer-Zweistoffel­ ektrode oder einer Silber-Nickel-Faserverbundelektrode zu ver­ wenden. Weiterhin können Entstör- oder Abbrandwiderstände 7 mit drahtgewickelter Basis oder Glaseinschmelzung vorgesehen sein. Ein Funkenbereich mit einer Kombination aus Luft- und Gleitfun­ kenstrecke führt zu einer Herabsetzung der Ansprechspannung. Wenn eine Schußkammer 10 vorgesehen ist, ergibt sich eine ver­ besserte Isolatorreinigung.

Gasmotoren sollen mit möglichst mageren Gemischen auskom­ men, um einen guten Wirkungsgrad zu erzielen, was für den Ver­ kaufserfolg entscheidend ist. Diese Gemische werden im Grenzbe­ reich inhomogen. Es ist deshalb nötig, mit Zündkerzen zu arbei­ ten, die einen großen Elektrodenabstand haben, um ein möglichst mageres zündfähiges Gemisch entzünden zu können.

Bedingt durch die hohen Verdichtungsdrücke ergibt sich eine hohe Ansprechspannung, wodurch wiederum die Größe des Elektro­ denabstandes im Hinblick auf das Zündspannungsangebot begrenzt ist.

Bei der erfindungsgemäßen Zündkerze ist es möglich, trotz einer hohen Verdichtung noch einen hohen Elektrodenabstand und eine annehmbare Ansprechspannung zu erzielen. Dabei stellen sich weitere physikalische Effekte wie eine Spitzenwirkung und Feld­ verzerrung aufgrund der Kombination der unmagnetischen und ma­ gnetischen Materialien Platin und Nickel ein.

Das Faserverbundmaterial aus Nickel und Platin erfüllt die Forderung nach einer geringeren Elektrodenabbrandrate, da es ein abbrandfestes und chemisch beständiges Material ist, was eine lange Lebensdauer der entsprechenden Zündkerze ermöglicht. So­ wohl die Platin- als auch die Nickellegierung sind ausreichend abbrandfest. Platin tritt erst nach mehreren 100 Stunden Lauf­ zeit gegenüber dem Nickel etwa wabenförmig auf der Abbrandfläche vor und zwar über die gesamten Faserverbundflächen im Brennbe­ reich der Funken. Das führt zusammen mit der Feldverzerrung an den Trennstellen zwischen dem magnetischen Nickel und dem unmag­ netischen Platin zu verstärkten Spitzenwirkungen, was sowohl für die Körperelektroden als auch für die Mittelelektroden der Zünd­ kerzen gilt.

Durch die Verwendung von Zusatzstoffen, die die Austritts­ arbeit absenken, wie beispielsweise Metalloxiden und Halblei­ tern, die den Brennraumbedingungen standhalten, läßt sich die Ansprechspannung weiter absenken. Dazu werden statt Drähten dünne, mit derartigen Stoffen gefüllte Nickelrohre als Einsätze in der Platinmatrix verwandt und solange umgearbeitet, bis das Nickel als dünne Faser vorliegt.

Der Platin-Nickel-Faserverbundwerkstoff kann in Form einer Scheibe z. B. in eine Mittelelektrode aus Vollmaterial eingezapft sein, über den ganzen Durchmesser aufgeschweißt sein, mit Faser­ richtung in Achse und quer zur Achse vorgesehen sein, an die Körperelektrode angeschweißt, d. h. stirnseitig angeschweißt, oder in eine Körperelektrodenbohrung als Niet eingesetzt sein.

Es ist weiterhin möglich, in eine Nickelmatrix Platinstäbe einzubringen und diese solange umzuformen, bis genügend feine Fasern aus Platin vorliegen. Bei Abbrand treten dann nach länge­ rer Laufzeit Platinspitzen über die stärker abbrennende Nickel­ matrix vor.

Claims (5)

1. Zündkerze mit einem Isolator, einer im Isolator angeord­ neten Mittelelektrode, einen außen am Isolator befindlichen Kör­ per und einer am Körper angebrachten Körperelektrode, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelelektrode und/oder die Körperelek­ trode unter Verwendung eines Platin-Nickel-Faserverbundwerkstof­ fes gebildet ist bzw. sind, der aus einer Platinmetallmatrix, in die Nickelfasern eingelagert sind, oder aus einer Nickelmatrix besteht, in die Platinfasern eingelagert sind.

2. Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Ansätze aus dem Platin-Nickel-Faserverbundwerkstoff am zündfun­ kenseitigen Ende der Mittelelektrode und/oder der Körperelek­ trode im Funkenbereich angebracht sind.

3. Zündkerze nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansätze aus dem Platin-Nickel-Faserverbundwerkstoff in das zündfunkenseitige Ende der Mittelektrode und/oder der Körper­ elektrode im Funkenbereich eingebettet sind.

4. Zündkerze nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Scheibe oder Platte aus dem Platin-Nickel-Faserverbundwerk­ stoff an das zündfunkenseitige Ende der Körperelektrode und/oder Mittelelektrode angeschweißt ist.

5. Zündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Faserrichtung des Faserverbund­ werkstoffes die Zündfunkenrichtung ist.