DE60005071T2

DE60005071T2 - Zündkerze und Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE60005071T2
Application number: DE60005071T
Authority: DE
Inventors: Akira Nagoya-shi Suzuki
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1999-01-21
Filing date: 2000-01-19
Publication date: 2004-06-03
Anticipated expiration: 2020-01-20
Also published as: EP1022829A1; JP2000215964A; EP1022829B1; JP3502936B2; DE60005071D1; US6414420B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zündkerze, die als Zündquelle bei einem Verbrennungsmotor verwendet wird, und insbesondere eine Zündkerze mit einem klein bemessenen Metallgehäuse für den Einbau auf engem Raum.
Manche herkömmliche Zündkerze verwenden ein aus Talkum gebildetes Puffermaterial, das in einen durch die Außenumfangsfläche eines Isolators und die Innenumfangsfläche eines Metallgehäuses gebildeten zylindrischen Raum gefüllt wird, um die Stoßfestigkeit zu verbessern, andere verwenden kein solches Puffermaterial (Talkum), sondern sind so konfiguriert, dass der Isolator direkt mittels des Metallgehäuses durch thermisches Abdichten befestigt wird. Diese herkömmlichen Zündkerzen weisen einen Gewindedurchmesser von 14 mm (M14) bzw. 12 mm (M12) auf. Ferner weist ein hexagonaler Anziehteil, mit welchem ein Zündkerzenschlüssel greift, einen Abstand von 20,8 mm bzw. 16 mm zwischen zwei parallelen, diagonal gegenüberliegenden Flächen desselben auf (Breite quer über flachen Teil).
Bei der jüngsten Verbesserung in der Motorsteuertechnologie und einem Trend hin zum Einsatz eines Verbrennungsraums mit mehreren Ventilen ist die Anzahl der an und um den Motor angebrachten Bauteile im Steigen begriffen. Insbesondere bei einem Direkteinspritzer, der zunehmend an Beliebtheit gewinnt, ist ein einer Zündkerze an einem Zylinderkopf zugeteiltes Volumen klein. Dem gemäß musste die Breite quer über den flachen Teil eines Anziehteils eines Metallgehäuses von der herkömmlich verwendeten Breite von 16 mm auf höchstens 14 mm verringert werden.
Wird die Breite quer über den flachen Teil auf höchstens 14 mm reduziert, nimmt die Wandstärke des Metallgehäuses entsprechend ab. Dadurch nimmt das Volumen des Metallgehäuses mit einer sich ergebenden Verringerung der Festigkeit ab. Eine Zündkerze mit einer Breite über den flachen Teil von höchstens 14 mm und ohne Verwendung eines Puffermaterials (Talkum) leidet unter einer Beeinträchtigung der Stoßfestigkeit; d.h. es wird nach Stoßbelastung eine beträchtliche Abnahme der Luftdichtheit gemessen.
Da die Wandstärke eines Anziehteils verringert ist, verursacht eine an dem Anziehteil während des Abdichtens ausgeübte Last ein Ausbauchen des Anziehteils. Dadurch fällt die Breite quer über den flachen Teil unter Umständen nicht in einen vorbestimmten zulässigen Bereich, was möglicherweise dazu führt, dass ein Eingriff zwischen dem Anziehteil und einem Zündkerzenschlüssel nicht hergestellt werden kann.
Das oben erwähnte Eingriffsproblem wird als Nächstes eigens unter Bezug auf 2 und 3 beschrieben. Ein Isolator 1 wird in folgender Weise durch Abdichten fest an einem Metallgehäuse 5 angebracht, während eine andere Abdichtform wird von unten an einem Aufnahmeteil 5F des Metallgehäuses 5 angebracht, während eine andere Abdichtform von oben an einem Anziehteil 5A und einem Abdichtteil 5C angebracht wird. Die obere Abdichtform übt eine nach unten gerichtete Kraft aus, so dass ein gebogener Teil 5D um etwa 0,5 mm bis 0,8 mm gewölbt wird, wodurch der Isolator 1 über ein Dichtungselement 6 kräftig gegen einen inneren gestuften Teil 5E des Metallgehäuses 5 gepresst wird. Auf diese Weise wird der Isolator 1 durch Abdichten fest an dem Metallgehäuse 5 angebracht. Während dieses Abdichtens verursacht eine durch die obere Abdichtform ausgeübte starke Kraft eine plastische Verformung nicht nur des gebogenen Teils 5D, sondern auch des Anziehteils 5A. Dadurch braucht der Anziehteil 5A leicht aus. Diese Ausbauchung führt bei einer herkömmlichen Zündkerze mit einer Breite W quer über den flachen Teil von nicht weniger als 16 mm zu keinem Problem, da eine Wandstärke P des Anziehteils 5A dafür ausreicht, dass der Anziehteil 5A hinreichend Festigkeit aufweist.
Eine Zündkerze mit einer Breite über den flachen Teil von nicht mehr als 14 mm ist jedoch mit dem Problem konfrontiert, die Breite W über den flachen Teil in einen vorbestimmten Toleranzbereich zu bringen, da die Wandstärke P des Anziehteils 5A dünn ist, was zu einem erheblichen Ausbauchen des Anziehteils 5A führt. Wenn die Breite W über den flachen Teil nicht in einen vorbestimmten Toleranzbereich fällt, kann ein Zündkerzenschlüssel nicht mit dem Anziehteil 5A greifen. Wenn dagegen zur Reduzierung des Ausbauchens des Anziehteils 5A die Wandstärke des gebogenen Teils 5D reduziert wird, so dass eine zum Wölben des gebogenen Teils 5D erforderliche Kraft verringert werden kann, wird die Festigkeit des gebogenen Teils 5D der Zündkerze unzureichend, um ein Anziehdrehmoment zu überstehen, das bei Anbringen der Zündkerze an einem Motor ausgeübt wird. Wenn alternativ eine Stärke M des als Puffermaterial dienenden Talkums 9 reduziert wird, um die Wandstärke P des Anziehteils 5A entsprechend zu vergrößern, wird die Wirkung des Talkum 9 als Puffermaterial abgeschwächt, was zu einer Beeinträchtigung der Stoßfestigkeit führt.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Zündkerze zur Hand zu geben, die eine hohe Stoßfestigkeit aufweisen kann, selbst wenn die Breite über den flachen Teil eines Anziehteils eines Metallgehäuses klein ist, und die selbst nach einem starken Stoß Luftdichtheit wahren kann.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Zündkerze mit einer weiter verbesserten Stoßfestigkeit zur Hand zu geben, die durch Unterdrücken des Ausbauchens des Anziehteils die Breite über den flachen Teil eines Anziehteils in einen vorbestimmten Toleranzbereich bringen kann.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Herstellen einer oben erwähnten Zündkerze zur Hand zu geben.
Zur Verwirklichung der obigen Aufgaben sieht die vorliegende Erfindung eine Zündkerze vor, welche umfasst: einen Isolator mit einer darin ausgebildeten mittigen Durchgangsbohrung; eine in der mittigen Durchgangsbohrung gehaltene Mittelelektrode; ein den Isolator durch Abdichten haltendes Metallgehäuse sowie eine mit dem Metallgehäuse elektrisch verbundene Masseelektrode, welche zusammenwirkend mit der Mittelelektrode eine Funkenstrecke ausbildet. Das Metallgehäuse weist einen Außengewindeteil und einen Anziehteil auf. Der Außengewindeteil ist an der Außenumfangsfläche eines vorderen Endteils des Metallgehäuses ausgebildet und der Anziehteil ist an der Außenumfangsfläche des Metallgehäuses ausgebildet und befindet sich bezüglich des Außengewindeteils an der Hinterseite. Der Begriff "vordere" in der Beschreibung bezeichnet eine Funkenstreckenseite bezüglich einer axialen Richtung der Mittelelektrode und der Begriff "hintere" bezeichnet eine Seite gegenüber der vorderen Seite. Der Anziehteil dient zum Einschrauben des Außengewindeteils in eine in einem Verbrennungsmotor ausgebildete Innengewindeöffnung. Der Abstand zwischen zwei gegenüberliegenden parallelen Flächen des Anziehteils (nachstehend als Breite W über den flachen Teil bezeichnet) ist nicht größer als 14 mm (W ≤ 14,0 mm).
In einen durch eine Außenfläche des Isolators und eine Innenfläche des Metallgehäuses ausgebildeten zylindrischen Raum wird ein Puffermaterial eingefüllt, um so einen mit Puffermaterial gefüllten Teil zu bilden. Der mit Puffermaterial gefüllte Teil weist eine axiale Länge L von 0,5 mm bis einschließlich 10,00 mm (0,5 mm ≤ L ≤ 10,00 mm) und eine Dicke M von 0,5 mm bis einschließlich 1,3 mm (0,5 mm ≤ M ≤ 1,3 mm) auf.
Als Puffermaterial kann zum Beispiel Talkum verwendet werden.
Das zylindrisch eingefüllte Puffermaterial schwächt auf das Metallgehäuse ausgeübte Stöße ab, wodurch ein Lösen der Abdichtung zwischen dem Metallgehäuse und dem Isolator auch bei einer Breite über den flachen Teil von nicht mehr als 14 mm verhindert wird. Selbst wenn sich die Abdichtung zwischen dem Metallgehäuse und dem Isolator etwas lockert und wenn sich dadurch der an dem Dichtungsteil zwischen dem Metallgehäuse und dem Isolator erzeugte Druck verringert, mit einem daraus resultierenden Austreten von Verbrennungsgas durch den Dichtungsteil, dient der mit Puffermaterial befüllte Teil als zweite Dichtung zur Verhinderung eines Austretens des Verbrennungsgases aus der Zündkerze.
Liegt die axiale Länge L des mit Puffermaterial befüllten Teils unter 0,5 mm, kann der mit Puffermaterial befüllte Teil nicht die erwartete Pufferung bewirken. Wenn die axiale Länge L des mit Puffermaterial befüllten Teils über 10 mm liegt, kann das Puffermaterial nicht hinreichend in den zylindrischen Raum gefüllt werden. Der sich ergebende mit Puffermaterial befüllte Teil weist eine geringe Puffermaterialdichte auf und kann daher nicht die erwartete Pufferwirkung erbringen. Wenn die Dicke M des mit Puffermaterial befüllten Teils unter 0,5 mm liegt, kann der mit Puffermaterial befüllte Teil nicht die erwartete Pufferwirkung erbringen. Wenn die Dicke M des mit Puffermaterial befüllten Teils über 1,3 mm liegt, nimmt die Wandstärke des Anziehteils des Metallgehäuses entsprechend ab, was zu einer Beeinträchtigung der Festigkeit des Metallgehäuses führt.
Selbst wenn die Breite über den flachen Teil nicht über 14 mm liegt, übersteht dem gemäß die Zündkerze eine Nutzung bei hoher Temperatur und weist eine ausgezeichnete Stoßfestigkeit auf.
Vorzugsweise besitzt das Metallgehäuse einen Aufnahmeteil, welcher zwischen dem Außengewindeteil und dem Anziehteil angeordnet ist und einen größeren Durchmesser als der Außengewindeteil aufweist, sowie einen gebogenen Teil, welcher sich zwischen dem Anziehteil und dem Aufnahmeteil erstreckt; und der gebogene Teil ist durch axiales Abdichten bei gleichzeitigem Erhitzen gewölbt, so dass das Metallgehäuse und der Isolator zu einer einzigen Einheit verbunden sind.
Durch Einsatz des oben erwähnten Abdichtens verbunden mit Erhitzen, d.h. Heißabdichten, wird eine für das Abdichten erforderliche Last, d.h. eine für das Wölben des gebogenen Teils erforderliche Last, kleiner als die für Kaltabdichten erforderliche Last. Daher wird die auf das Anziehteil während des Abdichtens ausgeübte Last entsprechend verringert. Selbst bei einem Anziehteil mit einer dünnen Wandstärke ist das Ausbauchen des Anziehteils so gering, dass die Breite über den flachen Teil in einen vorbestimmten Toleranzbereich fällt. Wenn der erhitzte gebogene Teil nach dem Abdichten abkühlt, schrumpft zudem der gebogene Teil axial, so dass der durch Abdichten an dem Dichtungsteil erzeugte Druck weiter ansteigt, wodurch die Luftdichtheit der Zündkerze verbessert wird.
Anzumerken ist, dass durch Analyse eines halbierten Teils der Zündkerze mühelos ermittelt werden kann, ob eine Zündkerze durch Einsatz von Heiß- oder Kaltabdichten gebildet wurde. Bei einer durch Einsatz von Heißabdichten gebildeten Zündkerze weist ein gewölbter gebogener Teil eine Ausbauchung in radial nach innen und außen verlaufenden Richtungen auf; d.h. der gebogene Teil ist so verformt, dass dessen Dicke größer ist. Bei einer durch Einsatz von Kaltabdichten gebildeten Zündkerze ist dagegen der gewölbte gebogene Teil entweder in einer radial nach innen oder einer radial nach außen weisenden Richtung verformt.
Die vorliegende Erfindung gibt weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer Zündkerze zur Hand, welche umfasst: einen Isolator mit einer darin ausgebildeten mittigen Durchgangsbohrung; eine in der mittigen Durchgangsbohrung gehaltene Mittelelektrode; ein den Isolator durch Abdichten haltendes Metallgehäuse; eine mit dem Metallgehäuse elektrisch verbundene Masseelektrode, welche zusammenwirkend mit der Mittelelektrode eine Funkenstrecke ausbildet, sowie eine mit dem Metallgehäuse elektrisch verbundene Masseelektrode, welche zusammenwirkend mit der Mittelelektrode eine Funkenstrecke ausbildet. Das Metallgehäuse weist einen Außengewindeteil und einen Anziehteil auf. Der Außengewindeteil ist an der Außenumfangsfläche eines vorderen Endteils des Metallgehäuses ausgebildet und der Anziehteil ist an der Außenumfangsfläche des Metallgehäuses ausgebildet und befindet sich bezüglich des Außengewindeteils an der Hinterseite. Der Anziehteil dient zum Einschrauben des Außengewindeteils in eine in einem Verbrennungsmotor ausgebildete Innengewindeöffnung. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass es folgende Schritte umfasst: Ausbilden des Metallgehäuses solcherart, dass der Abstand zwischen zwei gegenüberliegenden parallelen Flächen des Anziehteils (nachstehend als Breite W über den flachen Teil bezeichnet) nicht größer als 14 mm (W ≤ 14,0 mm) ist und dass das Metallgehäuse einen Aufnahmeteil, welcher zwischen dem Außengewindeteil und dem Anziehteil angeordnet ist und einen Durchmesser nicht größer als der des Außengewindeteils aufweist, sowie einen gebogenen Teil, welcher sich zwischen dem Anziehteil und dem Aufnahmeteil erstreckt, aufweist; Einfüllen eines Puffermaterials in einen durch eine Außenfläche des Isolators und eine Innenfläche des Metallgehäuses ausgebildeten zylindrischen Raum, um so einen mit Puffermaterial gefüllten Teil mit einer axialen Länge L von 0,5 mm bis einschließlich 10,00 mm (0,5 mm ≤ L ≤ 10,00 mm) und einer Dicke M von 0,5 mm bis einschließlich 1,3 mm (0,5 mm ≤ M ≤ 1,3 mm) zu bilden; und Drücken des Anziehteils und des Aufnahmeteils hin zu einander unter gleichzeitigem Anlegen von Strom daran, um so den gebogenen Teil zu erhitzen, um den gebogenen Teil zu wölben.
Durch Einsatz der oben erwähnten Schritte kann eine für das Abdichten erforderliche Last verringert werden. Somit hat eine durch das obige Verfahren hergestellte Zündkerze die eingangs beschriebenen Wirkungen. Ferner kann ein Ausbauchen des Anziehteils auf ein in der Praxis annehmbares Maß verringert werden.
Nun werden erfindungsgemäße Ausführungen lediglich beispielhaft unter Bezug auf die Begleitzeichnungen beschrieben. Hierbei zeigen:
1 eine teilweise Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Zündkerze;
2 eine vergrößerte Teilschnittansicht eines Teils eines Metallgehäuses, das Abdichten unterzogen wurde;
3 eine Schnittansicht entlang der Linie A-A von 2;
4 eine Teilschnittansicht, welche einen Schritt des Abdichtens einer Zündkerze zeigt, die keinen mit Puffermaterial befüllten Teil aufweist;
5A eine schematische Draufsicht auf einen hexagonalen Teil eines Metallgehäuses und
5B eine schematische Draufsicht auf den hexagonalen Teil von 5A, der zu einem 12-Punkt-Mutterprofil ausgebildet ist.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Zündkerze 20. Wie gut bekannt ist, weist ein aus zum Beispiel Aluminiumoxid gebildeter Isolator 1 Riffelungen 1A auf, die an einem oberen Teil in 1 ausgebildet sind und so ausgelegt sind, dass der Kriechabstand verlängert wird, und besitzt einen Schenkelteil 1B, der an einem unteren Teil in 1 ausgebildet ist und zum Inneren des Brennraums eines Verbrennungsmotors freigelegt ist. Eine mittige Durchgangsbohrung 1C ist axial in dem Isolator 1 ausgebildet. Eine aus einer Nickellegierung, beispielsweise Inconel, gebildete Mittelelektrode 2, wird so in der mittigen Durchgangsbohrung 1C gehalten, dass sie vom unteren Ende (in 1) des Isolators 1 hervorragt. Die Mittelelektrode 2 ist nicht einfach nur aus Inconel gefertigt, sondern umfasst einen Kupferkern, der sich axial in einem Inconel-Körper erstreckt, um die Wärmeleitfähigkeit zu verbessern. 1 zeigt den Kupferkern nicht, um die Zeichnung nicht zu komplizieren. Die Mittelelektrode 2 ist über leitende Glasdichtschichten 12 und 13 und einen in der mittigen Durchgangsbohrung 1C vorgesehenen Widerstand 3 mit einer Klemme 4 elektrisch verbunden, welche in 1 oben an der Zündkerze 20 angeordnet ist. Ein nicht abgebildetes Hochspannungskabel ist mit der Klemme 4 für das Anlegen einer Hochspannung an der Klemme 4 verbunden. Der Isolator 1 ruht in einem Metallgehäuse 5.
Das Metallgehäuse 5 besteht aus niedrig gekohltem Stahl und umfasst: einen hexagonalen Teil 5A, der als Anziehteil der vorliegenden Erfindung dient und so ausgelegt ist, dass er mit einem Zündkerzenschlüssel greift; einen in einen Zylinderkopf zu schraubenden Außengewindeteil 5B sowie einen Aufnahmeteil 5F. Wie in 5A gezeigt nimmt die Umfangsfläche des hexagonalen Teils 5A ein hexagonales Profil einer Sechskantmutter an. Das Metallgehäuse 5 wird mittels eines Abdichtteils 5C an den Isolator 1 abgedichtet, wodurch das Metallgehäuse 5 und der Isolator 1 zu einer einzigen Einheit verbunden werden. Ein sich zwischen dem hexagonalen Teil 5A und dem Aufnahmeteil 5F erstreckender gebogener Teil 5D ist so ausgelegt, dass er eine axiale Verformung des Metallgehäuses 5 absorbiert, welche mit dem Abdichten einhergeht. Zur Ergänzung der Dichtwirkung durch Abdichten wird ein plattenartiges Dichtungselement 6 zwischen einem gestuften Innenumfangsteil 5E des Metallgehäuses 5 und dem Isolator 1 angeordnet, so dass der zum Inneren des Verbrennungsraum freiliegende Schenkelteil 1B gegenüber einem oberen Teil des Isolators 1 abgedichtet wird. Drahtartige Dichtelemente 7 und 8 sind zwischen dem Abdichtteil 5C und dem Isolator 1 angeordnet. Das als Puffermaterial dienende Talkum 9 wird zwischen den Dichtelementen 7 und 8 eingefüllt, um eine elastische Dichtung zu bewirken, wodurch das Metallgehäuse 5 und der Isolator 1 fest und vollständig miteinander greifen. Ein Dichtring 10 ist an einem oberen Ende des Außengewindeteils 5B angeordnet. Eine Masseelektrode 11 aus einer Nickellegierung ist an dem unteren Ende des Metallgehäuses 5 angeschweißt. Die Masseelektrode 11 wird rechtwinklig gebogen, so dass eine flache Fläche eines Endteils derselben einem Spitzenende der Mittelelektrode 2 zugewandt ist.
Unter Bezug auf 2 und 3 bilden die Außenumfangsfläche des Isolators 1, die Innenumfangsfläche des hexagonalen Teils 5A und die oberen und unteren Dichtelemente 7 und 8 einen zylindrischen Raum aus, in welchen das Talkum gefüllt wird, um so einen mit Puffermaterial befüllten Teil 9 auszubilden. Wie in 4 gezeigt wird eine untere Abdichtform 42 in Berührung mit der unteren Fläche des Aufnahmeteils 5F des Metallgehäuses 5 gebracht und eine obere Abdichtform 41 wird in Berührung mit dem Abdichtteil 5C und der oberen Fläche des hexagonalen Teils 5A gebracht. Die oberen und unteren Formen 41 und 42 werden bei einer Last von mehreren Tonnen aufeinander zu gedrückt, um das Metallgehäuse 5 zu pressen.
Durch Ausüben der obigen Last wird, wie in 2 gezeigt, der Abdichtteil 5C entlang der Fläche der oberen Form 41 verformt und der dünnwandige gebogene Teil 5D plastisch verformt oder gewölbt, und zwar um einen Betrag von etwa 0,8 mm in axialer Richtung. Dieses axiale Wölben bewirkt, dass der Abdichtteil 5C in 2 einen gestuften Außenumfangsteil 1D des Isolators 1 über das Dichtelement 8, das Talkum 9 und das Dichtelement 7 stark nach unten drückt. Dadurch wird der Isolator 1 über das Dichtungselement 6 stark gegen einen gestuften Innenumfangsteil 5E des Metallgehäuses 5 gedrückt, wodurch der zum Inneren des Verbrennungsraums freiliegende Schenkelteil 1B gegenüber einem oberen Teil des Isolators 1 abgedichtet wird. Eine auf das Talkum 9 ausgeübte starke Kraft bewirkt, dass der hexagonale Teil 5A des Metallgehäuses 5 sich in radialer Richtung leicht elastisch ausbaucht. Dieses elastische Ausbauchen des hexagonalen Teils 5A induziert eine radial nach innen gerichtete Kraft ähnlich einer Federkraft, welche den gestuften Außenumfangsteil 1D des Isolators 1 über das Talkum 9 nach unten drückt. Diese nach unten gerichtete Kraft drückt den Isolator 1 über das Dichtungselement 6 elastisch gegen den gestuften Innenumfangsteil 5E des Metallgehäuses 1. Somit wird die durch das Dichtungselement 6 bewirkte Abdichtung elastischer, wodurch der Zündkerze 20 eine ausgezeichnete Stoßfestigkeit verliehen wird.
4 zeigt einen Schritt des Abdichtens einer Zündkerze, welche keinen mit Puffermaterial befüllten Teil (Talkum) 9 aufweist. Ein gestufter Außenumfangsteil 1'D eines Isolators 1' ist axial verlängert, so dass der Abdichtteil 5C des Metallgehäuses 5 am oberen Ende des gestuften Außenumfangsteils 1'D entweder direkt oder über ein Abdichtmaterial anliegt. Die untere Abdichtform 42 wird mit der unteren Fläche des Aufnahmeteils 5F des Metallgehäuses 5 in Kontakt gebracht und die obere Abdichtform 41 wird mit dem Abdichtteil 5C und der oberen Fläche des hexagonalen Teils 5A in Kontakt gebracht. Die oberen und unteren Formen 41 und 42 werden bei einer Last von mehreren Tonnen auf einander zu gedrückt, um das Metallgehäuse 5 zu pressen. In diesem Zustand wird ein Strom von etwa 100 A zwischen den oberen und unteren Formen 41 und 42 0,5 s bis 1 s lang angelegt. Der Strom fließt durch das Metallgehäuse 5, im Einzelnen durch den hexagonalen Teil 5A, den gebogenen Teil 5D und den Aufnahmeteil F von der oberen Form 41 zur unteren Form 42. Da der gebogene Teil 5D die geringste Dicke aufweist und somit die höchste Festigkeit hat, wird nur der gebogene Teil 5D intensiv erhitzt und wird somit zur Rotglut gebracht. Dadurch wird der gebogene Teil 5D erreicht, so dass eine zum Wölben des gebogenen Teils 5D erforderliche Last verringert wird. Eine für das Abdichten erforderliche Last wird entsprechend reduziert. Wenn der erhitzte gebogene Teil 5D nach Beendigung des Heißabdichtens abkühlt, schrumpft der gebogene Teil 5D in axialer Richtung, wodurch der durch Abdichten erzeugte Dichtdruck des Dichtelements 6 weiter erhöht wird und somit die Luftdichtheit der Zündkerze verbessert wird.
Ein Heißabdichten der Zündkerze ohne den mit Puffermaterial befüllten Teil 9 wurde unter Bezug auf 4 beschrieben. Eine Zündkerze mit dem in 2 gezeigten mit Puffermaterial befüllten Teil 9 kann einem Heißabdichten unterzogen werden, während Strom an dem Metallgehäuse 5 durch die Abdichtformen 41 und 42 angelegt wird. Durch Einsatz von Heißabdichten nimmt eine zum Wölben des gebogenen Teils 5D erforderliche Last um 30% oder mehr ab, wodurch das mit Abdichten verbundene Ausbauchen des hexagonalen Teils 5A auf ein in der Praxis annehmbares Maß reduziert wird. Wenn das erwärmte gebogene Teil 5D nach Beendigung des Heißabdichtens abkühlt, schrumpft der gebogene Teil 5D, wodurch die Luftdichtheit der Zündkerze verbessert wird. Um die Wirkung des Heißabdichtens zu testen, wurden eine Reihe von Zündkerzen hergestellt. Die Zündkerzen wurden in drei Gruppen unterteilt – Zündkerzen A, B und C. Zündkerze A ist eine Zündkerze, welche den mit Puffermaterial befüllten Teil 9 aufweist und welche dem Kaltabdichten unterzogen wurde; Zündkerze B ist eine Zündkerze, welche den mit Puffermaterial befüllten Teil 9 aufweist und welche dem Heißabdichten unterzogen wurde; und Zündkerze C ist eine Zündkerze, die keinen mit Puffermaterial befüllten Teil 9 aufweist und welche Heißabdichten unterzogen wurde.
Die Zündkerzen hatten die folgenden Maße. Der Außengewindeteil 5B des Metallgehäuses 5 hatte einen Durchmesser von 12 mm bzw. M12. Die Breite W über den flachen Teil des hexagonalen Teils 5A betrug 14 mm, mit einer Toleranz von +0,0 mm und –0,27 mm. Die Wandstärke P des hexagonalen Teils 5A betrug 1,0 mm. Der mit Puffermaterial befüllte Teil 9 hatte eine axiale Länge L von 7,0 mm und eine Dicke M von 1,0 mm.
Die Zündkerzen wurden einem Stoßtest sowie einem Erhitzungstest unterzogen und wurden dann auf Hitze-Luftdichtheit geprüft. Der Stoßtest wurde nach Abschnitt 6.4 "Impact Test" von JIS B 8031 durchgeführt. Es wurde eine Zündkerze an einem Block mit einer Masse von 2,3 kg angebracht. Der Block wurde 400 mal pro Minute gegen einen Amboss geschlagen, wobei er durch eine Feder vorgespannt war, um so Stöße auf die Zündkerze auszuüben. Entsprechend den JIS-Bestimmungen müssen die Stöße 10 Minuten lang ausgeübt werden. Bei diesem Test wurden die Stöße 30 Minuten lang ausgeübt. Der Erhitzungstest wurde gleichzeitig mit dem Stoßtest durchgeführt. Durch Verwendung eines Brenners wurde ein Zündteil der Zündkerze auf etwa 800°C erhitzt und die Temperatur des Sitzes auf etwa 300°C erhöht.
Die Zündkerze, die den Stoß- und Erhitzungstests unterzogen wurde, wurde einem Hitze-Luftdichtheitstest unterworfen, welcher in folgender Weise durchgeführt wurde. Nachdem man die Zündkerze bei einer vorbestimmten Umgebungstemperatur 30 Minuten lang stehen ließ, wurde ein Luftdruck von 15 kgf/cm² auf den Zündteil ausgeübt. Der Betrag des Austretens von Luft aus dem Inneren der Zündkerze wurde bei verschiedenen Umgebungstemperaturen gemessen. Die Ergebnisse werden in Tabelle 1 gezeigt.
Tabelle 1 Hitze-Luftdichtheit gemessen nach den Erhitzungs- und Stoßtests
In Tabelle 1 bezeichnet AA ein Austreten von 0 cm³ pro Minute; BB bezeichnet ein Austreten von 0 cm³ bis 10 cm³ pro Minute und CC bezeichnet ein Austreten von mehr als 10 cm³ pro Minute. Es wurden jeweils 5 Zündkerzen, die zu Zündkerzen A, B und C gehörten, getestet. Wie aus Tabelle 1 hervorgeht, nimmt das Austreten mit der Umgebungstemperatur zu. Dies ist denkbar, weil sich mit zunehmender Umgebungstemperatur das Metallgehäuse 5 in axialer Richtung thermisch ausdehnt; dadurch nimmt der auf das Dichtungselement 6 ausgeübte Dichtungsdruck ab.
Wie aus dem Vergleich der Testergebnisse der Zündkerzen A und C in Tabelle 1 hervorgeht, weisen Zündkerzen, die zu Zündkerze A gehören, eine wesentlich bessere Stoßfestigkeit auf als die, die zu Zündkerze C gehören. Aufgrund des Fehlens des mit Puffermaterial gefüllten Teils 9 weisen die zu Zündkerze C gehörenden Zündkerzen nach dem Stoßtest gemessen eine erhebliche Beeinträchtigung der Luftdichtheit auf. Selbst bei Zimmertemperatur erhalten über die Hälfte der Zündkerzen, die zur Zündkerze C gehören, bezüglich Luftdichtheit ein CC. Zündkerzen, die dagegen zur Zündkerze A gehören und den mit Puffermaterial befüllten Teil 9 aufweisen, erhalten alle ein AA bei einer Umgebungstemperatur von bis zu 50°C. Selbst bei einer Umgebungstemperatur von 100°C erhalten über die Hälfte der Zündkerzen, die zu Zündkerze A gehören, ein AA, was zeigt, dass zu Zündkerze A gehörende Zündkerzen im praktischen Gebrauch ausreichend verwendbar sind.
Wie aus dem Vergleich der Testergebnisse der Zündkerzen A und B in Tabelle 1 hervorgeht, weisen die zu Zündkerze B gehörenden Zündkerzen, die heiß abgedichtet werden, eine bessere Stoßfestigkeit als die zu Zündkerze A gehörenden Zündkerzen, die kalt abgedichtet werden, auf. Die zu Zündkerze A gehörenden Zündkerzen erhalten alle ein AA bei einer Umgebungstemperatur von bis zu 50°C, während die zu Zündkerze B gehörenden Zündkerzen bei einer Umgebungstemperatur bis zu 150°C alle ein AA erhalten. Zudem erhalten die zu Zündkerze B gehörenden Zündkerzen alle ein BB bei einer Umgebungstemperatur von bis zu 200°C, was zeigt, dass die zu Zündkerze B gehörenden Zündkerzen eine ausgezeichnete Stoßfestigkeit aufweisen.
Als Nächstes wird das Ausbauchen des hexagonalen Teils 5A in Verbindung mit dem Abdichten überprüft. Es wurde eine genaue Messung der Breite W über den flachen Teil bei zwei Arten von Zündkerzen durchgeführt, die durch Verwendung der Abdichtformen 41 und 42 so hergestellt wurden, dass der Betrag des Wölbens des gebogenen Teils 5D bei 0,8 mm liegt. Eine Zündkerzenart, die als Kategorie A eingestuft wurde, wies den mit Puffermaterial befüllten Teil 9 auf und wurde Kaltabdichten unterzogen. Die andere Zündkerzenart, die als Kategorie B eingestuft wurde, wies den mit Puffermaterial befüllten Teil 9 auf und wurde Heißabdichten unterzogen. Die Breite W über den flachen Teil beträgt nominal 14 mm und vor dem Abdichten wurden 13,70 mm gemessen. Es wurden bei 10 Zündkerzen, die zu jeweils den Zündkerzen A und B gehören, die Breite W über den flachen Teil in mm gemessen. Die Ergebnisse werden in Tabelle 2 gezeigt. Tabelle 2 Breite W über den flachen Teil des hexagonalen Teils bei 0,8 mm Wölbung des gebogenen Teils
Wie aus Tabelle 2 hervorgeht, haben zum Zündkerzentyp A gehörende Zündkerzen eine durchschnittliche Zunahme der Breite W über den flachen Teil von 0,262 mm und weisen beträchtliche Schwankungen bei der Breite W über den flachen Teil auf. Die Breite W über den flachen Teil der Zündkerze Nr. 8, die zum Zündkerzentyp A gehört, liegt 0,001 mm über der Toleranz. Bei den zum Zündkerzentyp B gehörenden Zündkerzen dagegen liegt die Zunahme der Breite W über den flachen Teil bei im Schnitt nur 0,089 mm und die Schwankungen der Breite W über den flachen Teil sind gering. Dem gemäß kann selbst bei einer Zunahme der Breite W über den flachen Teil, gemessen vor dem Abdichten, um 0,1 mm die Breite W, gemessen nach dem Abdichten, hinreichend in den Toleranzbereich fallen. Durch Wölben des gebogenen Teils 5D, welches bewirkt wird, während der gebogene Teil 5D erhitzt und durch Anlegen von Strom daran erweicht wird, kann ein Ausbauchen des hexagonalen Teils 5A auf ein in der Praxis annehmbares Maß verringert werden.
Die zu den oben erwähnten Zündkerzen A, B und C gehörenden Zündkerzen wurden auf Hitze-Luftdichtheit geprüft, gemessen nach Anziehen bei einem übergroßen Drehmoment. Wie man sich denken kann, wird bei Anziehen einer Zündkerze bei einem übergroßen Drehmoment der Außengewindeteil 5B des Metallgehäuses 5 axial gedehnt; dadurch nimmt der auf das zwischen dem gestuften Innenumfangsteil 5E und dem Isolator 1 gehaltene Dichtungselement 6 ausgeübte Dichtdruck ab, mit dem Resultat einer Beeinträchtigung der Luftdichtheit. Ein dem Nennwert entsprechendes Drehmoment für eine Zündkerze mit dem Außengewindeteil 5B von M12 und einer Breite W über den flachen Teil von 14 mm beträgt 25 N-m (Newton-Meter).
Das dem Nennwert entsprechende Drehmoment wird definiert als Drehmoment, das zum Anziehen des Außengewindeteils 5B, das mit nichts beschichtet ist, erforderlich ist. Bei diesem Test wurde jedoch zur Schaffung strengerer Bedingungen ein Mittel gegen Festfressen oder ein Schmiermittel, das Molybdän enthält, auf das Außengewindeteil 5B aufgebracht und jede Zündkerze wurde angezogen. Das Anziehdrehmoment wurde von 25 N-m bis 65 N-m variiert. Der Hitze-Luftdichtheit-Test wurde in folgender Weise durchgeführt. Die Sitztemperatur wurde auf 200°C erhöht und es wurde ein Luftdruck von 15 kgf/cm² auf den Zündteil ausgeübt. Es wurde das Austreten von Luft aus dem Inneren jeder Zündkerze gemessen. Insbesondere wurden Austreten von Luft entlang des Dichtungselements 6 und Austreten von Luft durch den Freiraum zwischen Metallgehäuse 5 und Isolator 1 jeder Zündkerze gemessen. Die Ergebnisse werden in den Tabellen 3 und 4 gezeigt. Tabelle 3 zeigt das Austreten von Luft entlang des Dichtungselements 6 und Tabelle 4 zeigt das Austreten von Luft durch den Freiraum zwischen Metallgehäuse 5 und Isolator 1. Tabelle 3 Hitze-Luftdichtheit gemessen nach Anziehen mit übergroßem Drehmoment Austreten von Luft entlang des Dichtungselements
Tabelle 4 Hitze-Luftdichtheit gemessen nach Anziehen mit übergroßem Drehmoment Austreten von Luft aus der Zündkerze nach außen
Die Tabellen 3 und 4 zeigen die Testergebnisse bezüglich 3 Zündkerzen, die jeweils zu den Zündkerzen A, B und C gehören. Die Symbole AA, BB und CC haben die gleiche Bedeutung wie bei Tabelle 1. Insbesondere bezeichnet AA ein Austreten von 0 cm³ pro Minute; BB bezeichnet ein Austreten von 0 cm³ bis 10 cm³ pro Minute und CC bezeichnet ein Austreten von mehr als 10 cm³ pro Minute.
Wie aus Tabelle 3 hervorgeht, weisen zu Zündkerze A gehörende Zündkerzen, die das mit Puffermaterial befüllte Teil 9 besitzen, eine erheblich bessere Hitze-Luftdichtheit als die der Zündkerze C auf, die kein mit Puffermaterial befülltes Teil 9 aufweisen. Wie bereits erwähnt, wird eine durch eine radial nach außen gerichtete elastische Verformung des hexagonalen Teils 5A des Metallgehäuses 5 induzierte Federspannung in einen Druck des Talkums 9 umgewandelt. Dieser Druck drückt den gestuften Außenumfangsteil 1D des Isolators 1 in 2 elastisch nach unten. Wie man sich denken kann, bewegt sich daher, selbst wenn der Außengewindeteil 5B aufgrund des Anziehens mit einem übergroßen Drehmoment etwas gedehnt wird, der Isolator 1 im Anschluss an das Dehnen nach unten, wodurch die Luftdichtheit in der Position des Dichtungselements 6 gewahrt wird.
Wie aus dem Vergleich der Testergebnisse der Zündkerzen A und B in Tabelle 3 hervorgeht, weisen die zu Zündkerze B gehörenden Zündkerzen, die heiß abgedichtet sind, eine bessere Hitze-Luftdichtheit auf. Da eine für das Heißabdichten erforderliche Last um 30% oder mehr unter der für das Kaltabdichten erforderlichen Last liegt, weisen, wie zuvor unter Bezug auf Tabelle 2 erwähnt, die zu Zündkerze B gehörenden Zündkerzen einen kleineren Betrag plastischer Verformung gegenüber dem hexagonalen Teil 5A auf. Somit weisen die zu Zündkerze B gehörenden Zündkerzen bezüglich dem hexagonalen Teil 5A verständlicherweise einen größeren Betrag elastischer Verformung auf.
Wie aus dem Vergleich von Tabelle 3 und Tabelle 4 hervorgeht weisen die zu Zündkerze C gehörenden Zündkerzen, die kein mit Puffermaterial befülltes Teil 9 besitzen, wenig Änderung der Hitze-Luftdichtheit auf. Bei den zu den Zündkerzen A und B gehörenden Zündkerzen dagegen, die das mit Puffermaterial befüllte Teil 9 besitzen, weist die in Tabelle 4 gezeigte Hitze-Luftdichtheit eine offensichtliche Verbesserung gegenüber der in Tabelle 4 gezeigten Hitze-Luftdichtheit auf. Bei der in 4 gezeigten Zündkerze tritt aufgrund des Fehlens des mit Puffermaterial befüllten Teils 9 Luft, die entlang des Dichtungselements 6 ausgetreten ist, durch den Freiraum zwischen dem Metallgehäuse 5 und dem Isolator 1 aus. Bei den in 2 gezeigten Zündkerzen A und B dient der mit Puffermaterial befüllte Teil 9 als zweite Dichtung und verhindert, dass entlang des Dichtungselements 6 ausgetretene Luft durch den Freiraum zwischen dem Metallgehäuse 5 und dem Isolator 1 austritt.
Die obige Ausführung wird unter Erwähnung des erfindungsgemäßen Anziehteils beschrieben, wobei der hexagonale Teil 5A ein in 5A gezeigtes Sechskantmutterprofil aufweist. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt. Der Anziehteil kann auch ein in 5B gezeigtes 12-Punkt(Bihexagon)-Mutterprofil besitzen.
Offensichtlich sind im Hinblick auf die obige Lehre zahlreiche Abwandlungen und Abänderungen der vorliegenden Erfindung möglich. Es versteht sich daher, dass innerhalb des Schutzumfangs der beigefügten Ansprüche die vorliegende Erfindung anders als hier speziell beschrieben umgesetzt werden kann.

Claims

Zündkerze, welche umfasst: einen Isolator (1) mit einer darin ausgebildeten mittigen Durchgangsbohrung; eine in der mittigen Durchgangsbohrung gehaltene Mittelelektrode (2); ein den Isolator (1) durch Kleben haltendes Metallgehäuse (5) mit einem an einer Außenumfangsfläche eines vorderen Endteils des Metallgehäuses (5) ausgebildeten Außengewindeteil (5B) und einem an einer Außenumfangsfläche des Metallgehäuses (5) ausgebildeten Anziehteil (5A), der sich bezüglich des Außengewindeteils (5B) an einer hinteren Seite befindet, wobei der Anziehteil (5A) für das Einschrauben des Außengewindeteils (5B) in eine in einem Verbrennungsmotor ausgebildete Innengewindeöffnung verwendet wird; sowie eine mit dem Metallgehäuse (5) elektrisch verbundene Masseelektrode (11), welche zusammenwirkend mit der Mittelelektrode (2) eine Funkenstrecke ausbildet, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (W) zwischen zwei gegenüberliegenden parallelen Flächen des Anziehteils (5A) nicht größer als 14 mm ist; ein Puffermaterial in einen durch eine Außenfläche des Isolators (1) und eine Innenfläche des Metallgehäuses (5) ausgebildeten zylindrischen Raum gefüllt wird, um so einen mit Puffermaterial gefüllten Teil (9) zu bilden; und der mit Puffermaterial gefüllte Teil (9) eine axiale Länge L von 0,5 mm bis einschließlich 10,00 mm (0,5 mm ≤ L ≤ 10,00 mm) und eine Dicke M von 0,5 mm bis einschließlich 1,3 mm (0,5 mm ≤ M≤ 1,3 mm) aufweist.
Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallgehäuse (5) einen Aufnahmeteil (5F), welcher zwischen dem Außengewindeteil (5B) und dem Anziehteil (5A) angeordnet ist und einen Durchmesser größer als der des Außengewindeteils (5B) aufweist, sowie einen gebogenen Teil (5D), welcher sich zwischen dem Anziehteil (5A) und dem Aufnahmeteil (5F) erstreckt, aufweist, und wobei der gebogene Teil (5D) durch axiales Kleben bei gleichzeitigem Erwärmen gewölbt wurde, so dass das Metallgehäuse (5) und der Isolator (1) zu einer einzigen Einheit verbunden sind.
Verfahren zur Herstellung einer Zündkerze, welches Folgendens umfasst: einen Isolator (1) mit einer darin ausgebildeten mittigen Durchgangsbohrung; eine in der mittigen Durchgangsbohrung gehaltene Mittelelektrode (2); ein den Isolator (1) durch Kleben haltendes Metallgehäuse (5) mit einem an einer Außenumfangsfläche eines vorderen Endteils des Metallgehäuses (5) ausgebildeten Außengewindeteil (5B) und einem an einer Außenumfangsfläche des Metallgehäuses (5) ausgebildeten Anziehteil (5A), der sich bezüglich des Außengewindeteils (5B) an einer hinteren Seite befindet, wobei der Anziehteil (5A) für das Einschrauben des Außengewindeteils (5B) in eine in einem Verbrennungsmotor ausgebildete Innengewindeöffnung verwendet wird; sowie eine mit dem Metallgehäuse (5) elektrisch verbundene Masseelektrode (11), welche zusammenwirkend mit der Mittelelektrode (2) eine Funkenstrecke ausbildet; dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte umfasst: Ausbilden des Metallgehäuses (5) in solcher Weise, dass der Abstand (W) zwischen zwei gegenüberliegenden parallelen Flächen des Anziehteils (5A) nicht größer als 14 mm ist und dass das Metallgehäuse (5) einen zwischen dem Außengewindeteil (5B) und dem Anziehteil (5A) angeordneten Aufnahmeteil (5F), der einen Durchmesser größer als der des Außengewindeteils (5B) aufweist, sowie einen sich zwischen dem Anziehteil (5A) und dem Aufnahmeteil (5F) erstreckenden gebogenen Teil (5D) aufweist; Einfüllen eines Puffermaterials in einen durch eine Außenfläche des Isolators (1) und eine Innenfläche des Metallgehäuses (5) ausgebildeten zylindrischen Raum, um so einen mit Puffermaterial gefüllten Teil (9) mit einer axialen Länge L von 0,5 mm bis einschließlich 10,00 mm (0,5 mm ≤ L ≤ 10,00 mm) und einer Dicke M von 0,5 mm bis einschließlich 1,3 mm (0,5 mm ≤ M ≤ 1,3 mm) zu bilden; und Pressen des Anziehteils (5A) und des Aufnahmeteils (5F) hin zu einander unter gleichzeitigen Anlegen von Strom daran, um den gebogenen Teil (5D) zu erwärmen, um so den gebogenen Teil (5D) zu wölben.