DE69033451T2

DE69033451T2 - Zündkerze

Info

Publication number: DE69033451T2
Application number: DE1990633451
Authority: DE
Inventors: Kazuhiko Kozuka; Takafumi Oshima
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1989-05-29
Filing date: 1990-05-29
Publication date: 2000-06-08
Anticipated expiration: 2010-05-30
Also published as: EP0400950A1; DE69033451D1; JPH07109783B2; EP0400950B1; JPH031475A

Description

Diese Erfindung betrifft Zündkerzen, insbesondere die Verbesserungen ihres Funkenerosionswiderstands.
Aufgrund der Forderung hoher Leistung bei Verbrennungsmotoren hat sich die Notwendigkeit der Verbesserung des Funkenerosionswiderstands von Zündkerzen ergeben. Um dieser Forderung nachzukommen, werden Zündspitzen einzeln aus Edelmetallen wie Platin oder Legierungen auf der Basis von Platiniridium hergestellt. Diese Zündspitzen können säulenförmig oder laminar ausgebildet sein und jeweils durch Schweißen mit einer Mittelelektrode und einer Außenelektrode verbunden sein. Die säulenförmige Spitze erfordert jedoch eine große Menge Edelmetall, was die Herstellkosten erhöht. Die Verwendung einer laminaren Spitze führt andererseits zu einem unwirtschaftlichen Einsatz von Edelmetall, da die Spitze aus einem Metallblech geschnitten wird, was die Produktionsmenge um 30 Prozent verringert. Weiterhin weist eine Spitze, die aus einer Pt-Ir Legierung hergestellt ist, einen Schmelzpunkt von über 2.300ºC auf, so dass die Bearbeitung der Spitze schwierig ist, falls dies nicht bei einer extrem hohen Temperatur geschieht. Die Pt-Ir Spitze, die mittels eines metallurgischen Verfahrens legiert wird, ist verformbar aber zerbrechlich, und es kommt bei der Bearbeitung schnell zu Rissen an der Spitze, was es sehr schwierig macht, der Spitze eine komplexe Form zu geben. Die Spitze kann auch mittels Funkenerosionsbearbeitung geformt werden, doch diese Art der Fertigbearbeitung dauert aufgrund des hohen Schmelzpunkts der Spitze lange.
US-A-3,466,158 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Zündkerze für einen Verbrennungsmotor, welches folgende Schritte umfasst: das Vorsehen eines zylindrischen Metallgehäuses und das Anordnen eines rohrförmigen Keramikisolators konzentrisch darin, das Anordnen einer Mittelelektrode konzentrisch in dem rohrförmigen Isolator, das Bilden einer Zündspitze aus Iridium-Material und das metallurgische Verbinden der Zündspitze mit dem vorderen Ende der Mittelelektrode zur Bildung einer Funkenstrecke zwischen der Zündspitze und einer Außenelektrode, die sich ausgehend von dem Metallgehäuse erstreckt.
FR-A-1,490,828 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Zündkerzen-Zündspitze durch Sintern eines Presslings aus Rutheniumpulver. FR-A-1,490,828 offenbart ferner ein Verfahren zur Herstellung einer Zündkerze für einen Verbrennungsmotor, das die folgenden Schritte umfasst: Herstellen eines Ruthenium-Iridium-Pulverpresslings, Bilden einer Zündspitze aus dem Ruthenium-Iridium-Pulverpressling und Sintern des Ruthenium-Iridium-Pulvers in einer reduzierenden Atmosphäre bei einer Temperatur von 1.500ºC, um dem Ruthenium-Iridium-Pulverpressling eine Dichte von 89% der theoretischen Dichte zu verleihen, um diesen mit einem Funkenerosionswiderstand zu versehen.
DE-A-3,038,649 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Zündkerzen- Zündspitze, jedoch unter Verwendung eines Presslings aus Platinpulver.
Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die obigen Nachteile zu verringern und einen Zündspitzenaufbau zur Hand zu geben, der einen verbesserten Funkenerosionswiderstand bei langer Betriebsdauer bei niedrigeren Kosten aufweist.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung einer Zündkürze für einen Verbrennungsmotor vorgesehen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
Vorsehen eines zylinderförmigen Metallgehäuses und Anordnen eines rohrförmigen Keramikisolators konzentrisch darin und
Anordnen einer Mittelelektrode konzentrisch in dem rohrförmigen Isolator, gekennzeichnet durch die weiteren Schritte:
Herstellen eines Iridium-Pulver-Presslings;
Bilden einer Zündspitze aus dem Iridium-Pulver-Pressling;
Sintern des Iridium-Pulver-Presslings in einem Vakuum oder in einer nicht oxidierenden oder reduzierenden Atmosphäre bei einer Temperatur in dem Bereich von 2.000 bis 2.200ºC, um dem Iridium-Pulver-Pressling eine Dichte von mindestens 90% der theoretischen Dichte zu verleihen, um diesen mit einem Funkenerosionswiderstand zu versehen, und
metallurgisches Verbinden der Zündspitze mit dem vorderen Ende der Mittelelektrode zur Bildung einer Funkenstrecke zwischen der Zündspitze und einer Außenelektrode, die sich ausgehend von dem Metallgehäuse erstreckt.
Die vorliegende Erfindung sieht weiterhin eine Zündkerze vor, welche Folgendes umfasst:
ein zylinderförmiges Metallgehäuse;
einen rohrförmigen Keramikisolator, der konzentrisch in dem Gehäuse angeordnet ist, und
eine Mittelelektrode, die konzentrisch in dem Isolator angeordnet ist, gekennzeichnet durch
eine Zündspitze, die metallurgisch mit der Mittelelektrode verbunden ist, wobei die Zündspitze aus einem gesinterten Iridium-Pulver-Pressling hergestellt ist und eine Dichte aufweist, die größer als 90% der theoretischen Dichte ist.
Die Zündspitze ist aus einem Iridium-Pulver-Pressling hergestellt, der mittels einer Metallgesenkpresse gepresst werden kann, wodurch sie sich für eine einfache Serienproduktion bei niedrigeren Kosten und bei minimalem Verschleiss an Edelmetall anbietet. Weiterhin macht es der Einsatz der Pulvermetallurgie möglich, Zündspitzen komplexer Formen zu bilden, welche bei metallurgischen Verfahren unter Umständen nicht verwirklicht werden können.
Diese und andere Aspekte der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung zusammen mit den beigefügten Zeichnungen, die lediglich der Veranschaulichung dienen, klarer hervor. Hierbei zeigen:
Fig. 1 eine Ansicht einer Zündkerze nach einer ersten Ausführung der Erfindung, mit der unteren Hälfte der Zündkerze in Schnittdarstellung;
Fig. 2 eine vergrößerte Querschnittansicht der Zündspitze von Fig. 1;
Fig. 3 eine schematische Ansicht eines Größenverhältnisses der Zündspitze;
Fig. 4 eine Ansicht ähnlich der von Fig. 1 einer zweiten Ausführung der Erfindung;
Fig. 5 eine vergrößerte Querschnittansicht einer Zündspitze von Fig. 4 und
Fig. 6 eine Kurve, die den Vergleich zwischen der Erosion eines gesinterten Presslingkörpers und einer äquivalenten, herkömmlich gefertigten Iridium-Spitze bei verschiedenen Sintergraden zeigt.
Unter Bezug auf Fig. 1 wird eine Zündkerze 1 gezeigt, die in einen Verbrennungsmotor integriert werden soll. Die Zündkerze 1 weist ein zylinderförmiges Metallgehäuse 3 mit einem Mutterteil 3a und einem Gewindeteil 5 an ihrer Außenfläche auf. In dem Metallgehäuse 3 ist ein rohrförmiger Isolator 2 konzentrisch umschlossen, der aus Keramik auf der Basis von Tonerde und Nitrid, zum Beispiel Aluminiumnitrid (AlN) und Siliziumnitrid (Si&sub3;N&sub4;), gefertigt ist. Das Innere des Isolators 2 weist eine axiale Bohrung 8 auf, in der eine Anschlusselektrode 10 und eine Mittelelektrode 7 konzentrisch umschlossen sind. Diese Elektroden 10, 7 sind mittels eines elektrisch leitenden Glasdichtungsmittels 9, das in der axialen Bohrung 8 eingeschlossen ist, linear ausgerichtet. Die Mittelelektrode 7 ist aus Metallmaterial hergestellt, kann jedoch aus einem elektrisch leitenden Keramikpulver oder einem metallbeschichteten Keramikkörper gefertigt werden.
Ein vorderes Ende der Mittelelektrode 7 endet etwas vor dem vorderen Ende des Isolators 2. In das vordere Ende des Isolators 2 ist eine Zündspitze 6 eingesetzt und gleichzeitig am Isolator gesintert und metallurgisch mit dem vorderen Ende der Mittelelektrode 7 mittels elektrischen Widerstandsschweißens (Wd), wie in Fig. 2 gezeigt, verbunden.
In diesem Fall erstreckt sich ein vorderes Ende der Zündspitze 6 etwas über das vordere Ende des Isolators 2 hinaus, so dass eine Funkenstrecke (Ga) zwischen der Spitze 6 und einer an dem Metallgehäuse 5 angebrachten Außenelektrode 4 vorgesehen wird. Die Zündspitze 6 ist aus einem Iridium-Pulver-Presslingkörper mittels einer Metallgesenkpresse, C. LP., Extrudieren oder Spritzen gefertigt. Dann wird der Presslingkörper entfettet und bei einer Temperatur von über 2.000ºC in einem Vakuum oder einer inerten reduzierenden Atmosphäre gesintert, so dass die Dichte des Pulverpresslings bei über 90 Prozent liegt, wodurch der Funkenerosionswiderstand verbessert wird. Die Zündspitze 6 weist an einer Seite, an der die Spitze 6 mit dem Isolator 2 metallurgisch verbunden ist, einen kegelstumpfförmigen Schaft 11 auf. Wie in Fig. 3 dargestellt, ist die Zündspitze 6 2,0 mm lang (C) und misst an ihrem Durchmessern (a), (b) an ihrem Schaft 11 0,8 mm und 1,2 mm. Der Schaft 11 ist 0,5 mm hoch (d) mit einer Verjüngung des Schafts 11 von 45 Grad. Tabelle 1 zeigt nunmehr ein Verhältnis zwischen der relativen Pressformdichte, der Sinteratmosphäre, den Sinterbedingungen und der Dichte eines gesinterten Presslingkörpers. Wenn der gesinterte Presslingkörper zum Zeitpunkt des Sintern Luft ausgesetzt wird, wird das Iridium des Presslingkörpers oxidiert, so dass ein schwarzes Iridiumoxid erzeugt wird, was zu Verflüchtigung führt. Um den Presslingkörper vor übermäßiger Verflüchtigung zu schützen, ist es erforderlich, den Presslingkörper in einem Vakuum oder einer inerten Atmosphäre zu sintern.
Der Presslingkörper wird dann bei einer Temperatur im Bereich von 1.700 bis 2.200ºC und vorzugsweise bei einer Temperatur von über 2.000ºC gesintert.
Wenn die Dichte des gesinterten Presslingkörpers niedrig ist, ist die Anzahl an Poren im Presslingkörper hoch, was einen Temperaturanstieg bewirkt, der zu einer schnellen Erosion der Zündspitze aufgrund der bei Auftreten eines Funkenüberschlags freigesetzten hohen Energie führt. Um die Erosion zu verringern, ist es nötig sicherzustellen, dass die Dichte des gesinterten Presslingkörpers bei über 90 Prozent liegt, wie in Fig. 6 dargestellt, welche eine Kurve der komparativen Erosion bei einem gesinterten Presslingkörper und einer metallurgisch bearbeiteten Blockiridiumspitze bei verschiedenen Dichten des gesinterten Presslings zeigt. Der Wert 100 wird als Erosion einer metallurgisch bearbeiteten Iridiumspitze angesetzt. Wie in Fig. 5 dargestellt, nimmt die komparative Erosion der Zündspitze bei Erhöhung der Dichte des gesinterten Presslingkörpers ab.
In der Zwischenzeit ist es wünschenswert, den Presslingkörper ein zweites Mal zu sintern, um seine Dichte erneut zu erhöhen, wie in Tabelle 2 gezeigt.
Mit dem in Tabelle 2 verwendeten Muster (K) wird ein Funkenerosionsexperiment durchgeführt. Das Muster ist ein Iridium-Pulverpressling, der mittels einer Gesenkpresse so gepresst wird, dass das Pressbildungs-Dichteverhältnis bei 66,3 Prozent liegt. Dann wird der so gepresste Presslingkörper bei 2.200ºC in einer Wasserstoffatmosphäre 60 Minuten lang so primär gesintert, dass die Dichte des Presslingkörpers bei 92,5 Prozent liegt. Der Presslingkörper wird bei 1.400ºC in einer Argonatmosphäre 60 Minuten lang sekundär gesintert und, wie in Fig. 3 gezeigt, mittels einer isostatischen Hydraulikheißpresse geformt.
Das Ergebnis zeigt, dass die Erosion des Musters (K) im Wesentlichen identisch zu dem einer Pt-Ir Spitze ist, die metallurgisch bearbeitet wird, um ihr die Eigenschaft eines erhöhten Erosionswiderstands zu verleihen. TABELLE 1 TABELLE 2
Unter Bezug auf Fig. 4, die eine Zündkerze (1A) gemäß einer zweiten Ausführung der Erfindung zeigt, ist die Zündspitze 6a in Säulenform ausgebildet und weist einen Durchmesser (e) von 0,5 mm und eine Länge (f) von 1,5 mm auf.
In dieser Ausführung sind entsprechende Bezugsziffern von Fig. 1 identisch mit denen von Fig. 4. Eine Mittelelektrode 12 ist aus einem mit einer Nickellegierung verkleideten Kupferkern hergestellt. Die Mittelelektrode 12 ist in der axialen Bohrung 8 mit dem Glasdichtungsmittel 9 eingeschlossen und weist an ihrem oberen Ende einen geflanschten Kopf 14 auf, der gegen einen gestuften Teil 2a der Innenwandung des Isolators 2 greift. Die vordere Endfläche der Mittelelektrode 12 weist eine Aussparung 13 auf, in der die Zündspitze 6a einpasst und mittels eines metallurgischen Verbindungsschritts (L), zum Beispiel Elektronenstrahlschweißen oder Laserschweißen, sicher an der Mittelelektrode 12 angebracht wird. Es wird darauf hingewiesen, dass die Zündspitze 6a allgemein auch in Anlasszündkerzen verwendet werden kann.
Es sind auch verschiedene andere Abwandlungen und Änderungen möglich, ohne vom Schutzumfang der beigefügten Ansprüche abzuweichen.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer Zündkerze für einen Verbrennungsmotor, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:

Vorsehen eines zylinderförmigen Metallgehäuses und Anordnen eines rohrförmigen Keramikisolators konzentrisch darin; und

Anordnen einer Mittelelektrode konzentrisch in dem rohrförmigen Isolator; gekennzeichnet durch die weiteren Schritte:

Herstellen eines Iridium-Pulver-Preßlings;

Bilden einer Zündspitze aus dem Iridium-Pulver-Preßling;

Sintern des Iridium-Pulver-Preßlings in einem Vakuum oder in einer nicht oxidierenden oder reduzierenden Atmosphäre bei einer Temperatur in dem Bereich von 2000 bis 2200ºC, um dem Iridium-Pulver-Preßling eine Dichte von mindestens 90% der theoretischen Dichte zu verleihen, um diesen mit einem Funkenerosionswiderstand zu versehen, und

metallurgisches Verbinden der Zündspitze mit dem vorderen Ende der Mittelelektrode zur Bildung einer Funkenstrecke zwischen der Zündspitze und einer Außenelektrode, die sich ausgehend von dem Metallgehäuse erstreckt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, mit dem folgenden Schritt: Einführen der Zündspitze in das vordere Ende des rohrförmigen Isolators, wobei das Sintern der Zündspitze gleichzeitig an dem Isolator durchgeführt wird, wobei die Zündspitze einen Schaft aufweist, damit die Zündspitze an der richtigen Stelle angeordnet wird, wenn die Zündspitze in den rohrförmigen Isolator eingeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die vordere Endfläche der Mittelelektrode mit einer Aussparung versehen ist, in die die Zündspitze eingepaßt wird, und der metallurgische Verbindungsschritt unter Verwendung des Elektronenstrahlschweißens oder des Laserschweißens durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Sintern des Iridium-Pulver-Preßlings bei etwa 2000ºC über einen Zeitraum von 60 Minuten durchgeführt wird und das Verfahren den weiteren Schritt des Sinterns des Iridium-Pulver-Preßlings bei etwa 1400ºC über einen Zeitraum von 60 Minuten in einer Argonatmosphäre mit Hilfe eines isostatischen Heißpressvorgangs umfaßt.

5. Zündkerze mit:

einem zylinderförmigen Metallgehäuse;

einem rohrförmigen Keramikisolator, der konzentrisch in dem Gehäuse angeordnet ist, und

einer Mittelelektrode, die konzentrisch in dem Isolator angeordnet ist, gekennzeichnet durch

eine Zündspitze, die metallurgisch mit der Mittelelektrode verbunden ist, wobei die Zündspitze aus einem gesinterten Iridium-Pulver-Preßling hergestellt ist und eine Dichte aufweist, die größer als 90% der theoretischen Dichte ist.

6. Zündkerze nach Anspruch 5, bei der eine vordere Endfläche der Mittelelektrode eine Aussparung aufweist, in der die Zündspitze eingepaßt und mit Hilfe des metallurgischen Verbindens, wie z. B. Elektronenstrahlschweißen oder Laserschweißen, an der Mittelelektrode befestigt werden soll.