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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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1.
Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Zündkerzen
für Verbrennungsmotoren
und ein Verfahren zur Herstellung solcher Zündkerzen. Insbesondere betrifft
die vorliegende Erfindung eine Zündkerze
mit einer bimetallischen Masseelektrode und ein Verfahren zur Herstellung
solch einer Zündkerze.
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2. Beschreibung des Stands
der Technik
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Zündkerzen
werden weithin zur Zündung von
Kraftstoff in Verbrennungsmotoren verwendet. Zündkerzenelektroden sind starker
Hitze und einer äußerst korrosiven
Umgebung ausgesetzt, die durch die Explosion des Luft/Kraftstoffgemisches
erzeugt wird. Um Langlebigkeit und Abbrandfestigkeit zu verbessern,
müssen
Zündkerzenelektroden
in der Lage sein, der hohen Temperatur und korrosiven Umgebung,
die sich aus den chemischen Reaktionsprodukten zwischen Luft, Kraftstoff,
Kraftstoffadditiven und rückgeführten Abgasen
in einer Brennkammer ergibt, zu widerstehen.
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Es
sind Zündkerzenausführungen
vorgeschlagen worden, bei denen eine bimetallische Masseelektrode
ein Mittelkernmaterial, in der Regel mit Kupfer, und ein Umgebungshüllenmaterial,
das sich von dem Mittelkernmaterial unterscheidet, enthält. Dieses
Mittelkernmaterial ist stärker
thermisch leitend als die Umgebungshülle und leitet deshalb wärme von
der Zündspitze
der Masseelektrode besser weg als vorherige Ausführungen. Eine kühlere Masseelektrode
wird bevorzugt, weil sie nicht so schnell abbrennt wie eine heißere Elektrode.
Infolgedessen trägt
eine kühlere
Elektrode zu einer längeren
Nutzlebensdauer der Zündkerze
bei.
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Ausführungsbeispiele
für diese
Art von Zündkerzenausführung sind
in den US-PS 4,970,426; 5,210,457; 5,395,273; 5,530,313; 5,551,902;
5,675,209 und 5,866,973 zu finden.
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Obgleich
diese Ausführungsart
für bimetallische
Masseelektroden dazu beiträgt,
sowohl thermische als auch elektrische Leitfähigkeit dadurch zu gewährleisten,
besteht bei dieser Art von Ausführung ein
Problem, weil sich das Herstellungsmaterial des mittleren Kerns
in der Regel in einem Schweißprozess
mit Hauptzündkerzengehäuse, das
normalerweise aus einem Eisenmaterial, wie zum Beispiel Stahl, besteht,
nicht gut verbindet. Das Außenhüllenmaterial
neigt dazu, besser mit dem Stahlgehäuse verschweißt zu werden
als das Mittelkernmaterial.
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Es
sind mehrere Bemühungen
unternommen worden, um zu versuchen, die Schweißung zwischen der Masseelektrode
und dem Gehäuse
zu verbessern. Die US-PS 5,530,313 von Chiu offenbart ein Verfahren
zum Verschweißen
einer Masseelektrode mit Kupferkern mit einem Zündkerzengehäuse aus Metall, wobei ein Metallmantel
der Masseelektrode einen Kupferkern umgibt, und wobei der Metallmantel
tiefer in das Metallgehäuse
eindringt als der Kupferkern, um einen Anker dafür bereitzustellen. Eine Elektrode 116,
deren Metallmantel 119 sich über einen mittleren Kupferkern 117 hinaus
erstreckt, wird in 3 der vorliegenden Beschreibung
gezeigt. Durch Befestigen einer Masseelektrode nach dem Stand der
Technik, wie zum Beispiel die in 3 gezeigte Elektrode 116,
an einer flachen Fläche
einer Gehäusebasis 115,
ist der Kontaktbereich zwischen dem Elektrodenmantel 119 und
der Gehäusebasis
noch immer etwas begrenzt.
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In
der Technik besteht immer noch Bedarf an einer verbesserten Ausführung für eine Zündkerze mit
einer bimetallischen Masseelektrode, bei der die Schweißverbindung
zwischen der Masseelektrode und dem Gehäuse weiter entwickelt und verbessert ist.
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Die
EP-A-0859437 offenbart eine Zündkerze mit
einer kreisförmigen
Masseelektrode, die bei der Montage in einer in einem Zündkerzengehäuse aus Metall
ausgebildeten kreisförmigen
Aussparung befestigt wird. Die Aussparung soll die kreisförmige Masseelektrode
auf der gleichen Achse wie die Mittelelektrode zentrieren.
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KURZE DARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine verbesserte Zündkerze zur Verwendung mit
Verbrennungsmotoren bereit. Bei der vorliegenden Zündkerze
wird eine verbesserte Verbindung zwischen einer bimetallischen Masseelektrode
und einem Zündkerzengehäuse mit
einer darin zur Aufnahme eines Spitzenendes der Masseelektrode ausgebildeten
Aussparung erhalten.
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Eine
erfindungsgemäße Zündkerze
enthält ein
Metallgehäuse,
einen koaxial in dem Metallgehäuse
angeordneten Isolator und eine koaxial in dem Isolator angeordnete
mittlere Elektrode. Das Metallgehäuse weist einen Basisteil auf,
der eine Unterseite mit einer darin ausgebildeten Aussparung aufweist.
Die Aussparung in der Unterseite des Metallgehäuses ist vorzugsweise eine
im Wesentlichen durchgehende Ringnut, die sich um die Unterseite herum
erstreckt.
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Eine
bimetallische Masseelektrode ist an der Unterseite der Zündkerzengehäusebasis
an deren Aussparung befestigt. Die Masseelektrode weist einen mittleren
Kern auf, der aus einem ersten thermisch leitenden Material hergestellt
ist, das vorzugsweise Kupfer enthält. Des Weiteren weist die
Masseelektrode einen den Kern umgebenden äußeren Mantel auf, der aus Nickel
hergestellt ist.
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Des
Weiteren umfasst die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung
einer Zündkerze mit
einem ersten Schritt des Bereitstellens eines Metallgehäuses mit
einem zylindrischen Basisteil, der eine Unterseite mit einer darin
ausgebildeten Aussparung aufweist. Des Weiteren umfasst das Verfahren
einen Schritt des Bereitstellens einer Masseelektrode mit einem
mittleren Kern, der aus einem thermisch leitenden Metall hergestellt
ist, und eines den Kern umgebenden Außenmantels, wobei das Metall, aus
dem der Kern besteht, eine höhere
thermische Leitfähigkeit
besitzt als der umgebende Mantel.
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Des
Weiteren umfasst das Verfahren einen weiteren Schritt des Anordnens
eines Spitzenendes der Masseelektrode neben der Unterseite des Gehäuses und
in Ausrichtung auf deren Aussparung, so dass ein Teil eines Spitzenendes
der Masseelektrode in die Aussparung eintritt. In einem weiteren
Schritt wird die Masseelektrode an das Zündkerzengehäuse geschweißt.
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Demgemäß besteht
eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung einer
Zündkerze
mit einer bimetallischen Masseelektrode mit verbesserter Adhäsion zwischen
der Masseelektrode und dem Zündkerzengehäuse.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
einer Zündkerze mit
einer bimetallischen Masseelektrode, bei der ein Kontaktbereich
zwischen der Masseelektrode und dem Zündkerzengehäuse gegenüber dem Kontaktbereich dazwischen
bei vorbekannten Ausführungen vergrößert ist.
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Noch
eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
eines Verfahrens zur Herstellung der bevorzugten Zündkerze.
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Zum
besseren Verständnis
der vorliegenden Erfindung wird der Leser auf den folgenden Abschnitt der
ausführlichen
Beschreibung verwiesen, die in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen
gelesen werden sollte. In der gesamten folgenden Beschreibung und
in den Zeichnungen beziehen sich gleiche Zahlen auf gleiche Teile.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Querschnitt einer Zündkerze gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2 ist
ein Querschnittsdetail eines Zündkerzengehäuses und
einer bimetallischen Masseelektrode für eine andere Zündkerzeanwendung
als in 1 gezeigt, unmittelbar vor dem Schweißen der Elektrode
an das Gehäuse
gemäß der Erfindung;
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3 ist
eine teilweise weggebrochene Vergleichsquerschnittsdetailansicht
eines Zündkerzengehäuses und
einer Elektrode dafür
nach dem Stand der Technik vor der Befestigung der Elektrode an
dem Gehäuse;
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4 ist
eine teilweise weggebrochene Querschnittsdetailansicht eines Zündkerzengehäuses und
einer Elektrode dafür
gemäß der vorliegenden
Erfindung vor der Befestigung der Elektrode an dem Gehäuse;
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5 ist
eine teilweise weggebrochene Querschnittsdetailansicht einer erfindungsgemäßen Zündkerze
nach dem Verschweißen
der Masseelektrode damit; und
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6 ist
eine perspektivische Ansicht eines Zündkerzengehäuses gemäß der Erfindung, wobei eine
Masseelektrode davon zur Veranschaulichung weggeschnitten gezeigt
ist.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Übersicht
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Nunmehr
auf die Zeichnungen und insbesondere auf 1 Bezug
nehmend, wird eine Zündkerze
gemäß der vorliegenden
Erfindung bei 10 allgemein gezeigt. Die Zündkerze 10 enthält ein Metallgehäuse 12 mit
einer ein Außengewinde
aufweisenden zylindrischen Basis 14 zum Gewindeeingriff
in einen (nicht gezeigten) Zylinderkopf.
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Eine
bimetallische Masseelektrode 16 ist an die Unterseite der
Gewindebasis 14 geschweißt.
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Weiterhin
enthält
die Zündkerze 10 einen
keramischen Isolator 18, der konzentrisch im Gehäuse 12 angeordnet
ist, und eine mittlere Elektrode 20, die konzentrisch im
Isolator 18 angeordnet ist. Die mittlere Elektrode 20 enthält vorzugsweise
einen mittleren Kern 21, der aus einem thermisch leitenden
Material, wie zum Beispiel Kupfer oder einer Kupferlegierung, besteht.
Ein elektrisch leitender Einsatz oder Stab 11 passt in
das obere Ende des Isolators 18 gegenüber der mittleren Elektrode 20,
und ein feuerfester Glas-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff ist zwischen dem unteren
Ende des Einsatzes 11 und der mittleren Elektrode angeordnet,
um in der Zündkerze 10 einen inneren
Widerstand 13 bereitzustellen.
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Obgleich
das als eine Komponente der Zündkerze 10 gezeigte
Metallgehäuse 12 physisch von
dem in 2 gezeigten Gehäuse 12 verschieden
ist, beziehen sich diese Unterschiede in erster Linie auf verschiedene
Dichtflächen.
Die jeweiligen Zündkerzengehäuse 12 der 1 und 2 sind
als Ausführungsbeispiele
der Erfindung mit aufgenommen und sind einfach zu ihrer Ausrichtung
in verschiedenen Anwendungen konfiguriert, wie in der Technik bekannt.
Die verschiedenen physischen Konfigurationen der Zündkerzengehäuse 12 beeinflussen
nicht im Wesentlichen das Gehäuse
für die Zwecke
der vorliegenden Erfindung. Demgemäß werden diese beiden Gehäuse allgemein
und austauschbar in der gesamten vorliegenden Beschreibung mit der
gleiche Bezugszahl 12 bezeichnet. Andere modifizierte Konfigurationen
von Zündkerzengehäuse sind
auch mit der vorliegenden Erfindung kompatibel.
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Wie
in der gesamten vorliegenden Beschreibung verwendet, werden die
Begriffe „obere(r)", „untere(r)" und ähnliche
relative Begriffe verwendet, um auf die Ausrichtung des Zündkerzengehäuses 12 und
anderer Teile der Zündkerze 10 in
der in den 1–2 gezeigten
Ausrichtung zu verweisen. Es versteht sich, dass die Zündkerze
umgedreht oder auf ihre Seite angeordnet werden kann, und dass in einigen
Anwendungen Zündkerzen
in einer anderen Ausrichtung als der in den 1–2 Gezeigten installiert
werden kann. Demgemäß sollen
diese Begriffe nicht als absolut verstanden werden, sondern sich
eher auf besondere Beispiele der Erfindung beziehen und sie darstellen.
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Die Masseelektrode
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Die
erfindungsgemäße Masseelektrode 16 enthält einen
mittleren Kern 17 (2, 4),
der aus einem ersten Metall hergestellt ist, das thermisch leitend
ist. Die Masseelektrode 16 enthält weiterhin einen äußeren Mantel 19,
der den mittleren Kern umgibt. Das Material des mittleren Kerns 17 enthält vorzugsweise
Kupfer, Silber, eine Kupfer und/oder Silber enthaltende Legierung
oder ein anderes Metall mit einer höheren thermischen Leitfähigkeit
als die des umgebenden Mantels 19. Der Mantel 19 wird
vorzugsweise aus einer Nickellegierung hergestellt. Geeignete Nickellegierungen
für den
Mantel sind in der Technik wohlbekannt.
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Die
am meisten bevorzugte Masseelektrode 16 zur Verwendung
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist eine, die gemäß den Lehren
der am 11. Januar 1999 eingereichten, gleichzeitig anhängigen Patentanmeldung
mit der lfd. Nr. 09/228,450 entspricht. Bei der Ausübung der
vorliegenden Erfindung können
jedoch auch andere bimetallische Masseelektroden mit mittleren thermisch
leitenden Kernen darin, die der vorliegenden Beschreibung entsprechen,
verwendet werden.
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Zur
Veranschaulichung und nicht einschränkend könnte ein geeignetes Beispiel
für eine
Masseelektrode 16 gemäß der Erfindung
einen Durchmesser von 1,2 mm aufweisen, und davon könnten 0,6
mm der mittlere Kern 17 mit einer Außenhülle 19 von 0,3 mm
auf jeder Seite des Kerns sein.
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Obgleich
die in den 2, 4 und 5 gezeigte
Masseelektrode 16 in einer im Wesentlichen geraden oder
linearen Konfiguration davon ausgerichtet ist und während des
Herstellungsprozesses in einer linearen Konfiguration an dem Gehäuse 12 befestigt
wird, wird für
Fachleute zu erkennen und verständlich
sein, dass die Masseelektrode 16 nach ihrer Befestigung
an dem Zündkerzengehäuse in einer im
Wesentlichen rechtwinkligen Konfiguration gebogen und dann eine
Konfiguration im Wesentlichen wie in 1 gezeigt
aufweisen wird.
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Wahlweise
verschleißfeste
Elektrodenspitzen
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Wahlweise
kann die erfindungsgemäße Zündkerze 10 des
Weiteren eine erste und/oder zweite verschleißfeste Elektrodenspitze 22, 24 aufweisen,
die an der Masse- und/oder
an der mittleren Elektrode 16 bzw. 20 befestigt
sind/ist. Wo sie verwendet werden, ist jede der verschleißfesten
Elektrodenspitzen 22, 24 vorzugsweise aus einem
Material hergestellt, das ein Edelmetall, wie zum Beispiel Platin,
Iridium oder Legierungen davon enthält. Eine für Elektrodenspitzen geeignete
Legierung ist 85–95% Platin
und 5–15%
Nickel. Beispiele für
geeignete verschleißfeste
Zündkerzenspitzen
sind in den US-PS 4,810,220 und 5,456,624 zu finden. Falls nur eine einzige
verschleißfeste
Elektrodenspitze bei der Ausübung
der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ist sie vorzugsweise
eine feine Drahtspitze, die an der mittleren Elektrode 20 befestigt
ist, wie in der Offenbarung der US-PS 5,456,624 gelehrt.
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Das Zündkerzengehäuse
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Insbesondere
auf die 2 und 4–6 Bezug
nehmend, ist zu sehen, dass das Zündkerzengehäuse 12 ein im Wesentlichen
zylindrisches Gehäuse
mit einer dort hindurch ausgebildeten hohlen Bohrung 32 aufweist.
Wie zuvor erwähnt, enthält das Zündkerzengehäuse 12 einen
zylindrischen Basisteil 14, auf dessen Außenfläche im Allgemeinen
ein Gewinde ausgebildet ist. Das Zündkerzengehäuse 12 enthält eine
Dichtfläche 34 zur
Berührung
eines (nicht gezeigten) Zylinderkopfs und enthält des Weiteren über der
Dichtfläche
einen sechseckigen Ansatz daran, damit es unter Verwendung eines
geeigneten Werkzeugs, wie zum Beispiel eines herkömmlichen
Zündkerzenschlüssels, erfasst und
gedreht werden kann. Bei einem Zündkerzengehäuse 12 gemäß der vorliegenden
Erfindung weist dessen Unterseite 15 eine darin ausgebildete
Aussparung 23 auf, anstatt völlig flach zu sein. Diese Aussparung 23 befindet
sich ungefähr
in der Mitte zwischen dem Außenrand 30 der
Unterseite 15 und der mittleren Bohrung 32 des
Zündkerzengehäuses. Die
Aussparung 23 ist dazu vorgesehen, die Ausrichtung des
Spitzenendes 27 der Masseelektrode 16 auf das
Gehäuse 12 zu
unterstützen.
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Wie
aus einem Vergleich der 3 und 4 zu erkennen,
bietet das Vorsehen der Aussparung 23 des Weiteren eine
größere Kontaktfläche zwischen
dem Mantel 19 und dem Gehäuse 12 als ohne Aussparung 23 möglich wäre, um eine
verbesserte Adhäsion
dazwischen zu fördern,
wenn die Masseelektrode 16 an das Gehäuse 12 geschweißt wird.
Durch die Strichlinie in 5 wird eine überlegene Verbindungszone 26 zwischen
der Masseelektrode 16 und der Gehäusebasis 14 nach dem
Miteinanderverbinden dieser beiden Komponenten vorgeschlagen.
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Bei
der am meisten bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist die Aussparung 23 in Form
einer Ringnut 25 vorgesehen, die sich im Wesentlichen durchgehend
und konzentrisch um die Unterseite 15 des Gehäuses 12 herum
erstreckt. Die Bereitstellung der Aussparung 23 in Form einer
Ringnut 25 um den vollen Umfang der Unterseite 15 des
Zündkerzengehäuses 12 herum,
anstatt dass die Aussparung 23 einfach die Form eines an einer
einzigen Stelle ausgebildeten Hohlraums annimmt, beseitigt jegliches
Erfordernis einer Drehung des Zündkerzengehäuses 12,
um es in eine bevorzugte Ausrichtung davon während der Zündkerzenherstellung zu positionieren.
Das Vorsehen der Ringnut 25 wirkt weiterhin dahingehend,
sich in die Gehäusebohrung 32 oder
auf die Gewindeaußenfläche der
Gehäusebasis 14 bewegende
Schweißgratüberstände auf
ein Minimum zu reduzieren.
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Wie
in den 2 und 4 zu sehen, enthält bei der
Herstellung der Masseelektrode 16 und vor ihrer Befestigung
an das Gehäuse 12 das
Spitzenende 27 der Masseelektrode einen Teil 28 mit
reduziertem Durchmesser, der im Wesentlichen eine Spitze daran bildet.
Dieser Teil 28 mit reduziertem Durchmesser passt in die
Aussparung 23 des Gehäuses 12 und
hilft bei der Unterstützung
der Ausrichtung der Masseelektrode 16 darauf.
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Verfahren
zur Herstellung einer Zündkerze
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Die
vorliegende Erfindung sieht des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung
einer Zündkerze der
hier beschriebenen Art vor. Bei der Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens
umfasst ein erster Schritt das Bereitstellen eines Metallzündkerzengehäuses 12 mit
einem zylindrischen Basisteil 14, der eine Unterseite 15 mit
einer darin ausgebildeten Aussparung 23 aufweist. Des Weiteren
umfasst das Verfahren einen Schritt des Bereitstellens einer Masseelektrode 16 mit
einem mittleren Kern 17, der aus einem thermisch leitenden
Material hergestellt ist. Das verwendete thermisch leitende Material
ist ein erstes Metall, wie weiter oben besprochen, und kann Kupfer enthalten.
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Des
Weiteren umfasst das Verfahren einen weiteren Schritt des Anordnens
eines Spitzenendes 27 der Masseelektrode 16 neben
der Unterseite 15 des Gehäuses und in Ausrichtung auf
die Aussparung 23 davon (4), so dass
ein Teil des Spitzenendes 27 der Masseelektrode 16 in
die Aussparung eintritt.
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Ein
weiterer Schritt des Verfahrens umfasst das Schweißen der
Masseelektrode 16 an das Zündkerzengehäuse 12. Das Schweißen kann
durch elektrisches Widerstandsschweißen, durch Laserschweißen oder
durch andere bekannte Schweißprozesse erfolgen.
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Dann
kann im Anschluss an den bekannten Prozess für die verbleibenden Schritte
eine vollständige
Zündkerze 10 unter
Verwendung des Gehäuses 12 als
eine Komponente davon hergestellt werden.