DE69218731T2

DE69218731T2 - Herstellungsverfahren der Mittelelektrode einer Zündkerze

Info

Publication number: DE69218731T2
Application number: DE69218731T
Authority: DE
Inventors: Tsutomu Okayama; Takafumi Oshima
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1991-12-03
Filing date: 1992-11-09
Publication date: 1997-07-10
Anticipated expiration: 2012-11-10
Also published as: DE69218731D1; JP2847681B2; EP0545562A3; US5273474A; EP0545562A2; BR9204939A; EP0545562B1; JPH05159860A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Mittelelektrode für eine Zündkerze, bei der eine korrosionsbeständige Zündspitze auf die Stirnfläche einer Mittelelektrode aufgeschweißt ist.
Bei einer Zündkerze für einen Verbrennungsmotor ist eine Zündspitze auf die Stirnfläche einer Mittelelektrode aufgeschweißt. Es ist bekannt, daß die Spitze aus einem Edelmetall wie einer Legierung auf Platinbasis gefertigt werden kann, um die Stirnfläche der Mittelelektrode beständig gegen Funkenerosion zu machen.
Es wurde erwogen, den Durchmesser der Zündspitze zu verringern, um gute Funkenbildungs- bzw. Zündbedingungen der Zündkerze aufrechtzuerhalten; die Spitze mit verringertem Durchmesser ist jedoch noch höheren Temperaturen ausgesetzt, so daß die Funkenerosion durch oxidationsbedingte Verdampfung und Austragung noch weiter beschleunigt wird, obwohl es vorteilhaft ist, die Funkenentladung zu konzentrieren, um die Funkenentladespannung zu verringern.
Die Erfindung basiert daher auf dem Konzept, daß ein wärmeleitender Kern in eine Nickellegierung eingeschlossen ist, so daß ein Wärmeableitungspfad von der Zündspitze zu dem wärmeleitenden Kern gebildet wird, wodurch ein übermäßiger Anstieg der Temperatur der Zündspitze vermieden wird.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Herstellungsverfahren für eine Mittelelektrode einer Zündkerze bereitzustellen, bei der eine Zündspitze mit verbessertem thermischen Kontakt mit dem wärmeleitenden Kern bereitgestellt ist, um so dem Verschleiß der Zündspitze entgegenzuwirken und einen Beitrag für eine längere Lebensdauer bei gleichzeitig reduzierten Kosten zu liefern.
Die US-A-2 955 222 beschreibt das Extrudieren von zwei verschiedenen Metallen zur Bildung eines unteren Endes einer Mittelelektrode einer Zündkerze, wobei eines der Metalle eine Hülse über dem anderen Metall bildet. Das Dokument befaßt sich mit der Vermeidung von Problemen bei der Verbindung der Zündspitze aus Edelmetall auf der Mittelelektrode nach dem Extrudieren. In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 - 4 wird dies erreicht, indem die Zündspitze mit einem kegelstumpfartigen Kopf ausgeführt und die Spitze vor dem Extrudieren in ein Loch in dem unteren Block eingesetzt wird - siehe Fig. 1. Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 ist abweichend aufgebaut. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Zündspitze in eine Ausnehmung in der Vorderfläche des unteren Blocks eingeschweißt oder eingelötet. Die Blockanordnung wird anschließend "direkt in das in Fig. 6 dargestellte Teil" extrudiert. Der Werkstoff, in dem die Ausnehmung in der Vorderfläche des unteren Blocks gebildet wird, wird daher verformt, um die vergrößerte Basis der Zündspitze abzudecken, um diese in der Ausnehmung einzuschließen - siehe Fig. 6.
Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Mittelelektrode für eine Zündkerze bereitgestellt, das die folgenden Schritte umfaßt:
Herstellen eines Zylinders aus einem Verbundstoff, indem ein wärmeleitender Kern vorzugsweise durch ein Kunststoffverarbeitungsverfahren in einen Mantel aus einer Nickellegierung eingeschlossen wird;
Abtrennen des vorderen Endes des Mantels aus Nickellegierung, um eine glatte Stirnfläche zu bilden;
Herstellen einer im wesentlichen axialen Bohrung in der glatten Stirnfläche des Mantels aus Nickellegierung, wobei die Bohrung bis zu dem wärmeleitenden Kern reicht;
Herstellen eines Halsabschnittes um die Bohrung, indem das vordere Ende des Mantels aus Nickellegierung diametral abgetragen wird;
Herstellen einer Zündspitze aus einem Edelmetall in der Bohrung, wobei das vordere Ende der Zündspitze über das vordere Ende des Halsabschnitts hinausragt, und das rückwärtige Ende der Zündspitze mit dem vorderen Ende des wärmeleitenden Kerns in thermischem Kontakt steht; und
Verbinden eines jeden Teils des Umfangs der Zündspitze mit der Innenseite der Bohrung mittels Laserstrahlschweißen oder Elektronenstrahlschweißen.
Gemäß einer zweiten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird ein Herstellungsverfahren für eine Mittelelektrode für eine Zündkerze bereitgestellt, das die folgenden Schritte umfaßt:
Herstellen eines Zylinders aus einem Verbundstoff, indem ein wärmeleitender Kern durch ein Kunststoffverarbeitungsverfahren in einen Mantel aus einer Nickellegierung eingeschlossen wird;
Abtrennen des vorderen Endes des Mantels aus Nickellegierung, um eine glatte Stirnfläche zu bilden;
Herstellen eines Halsabschnittes, indem das vordere Ende des Mantels aus Nickellegierung diametral abgetragen wird;
Herstellen einer im wesentlichen axialen Bohrung an dem Halsabschnitt des Mantels aus Nickellegierung, wobei die Bohrung bis zu dem wärmeleitenden Kern reicht;
Herstellen einer Zündspitze aus einem Edelmetall in der Bohrung, wobei das vordere Ende der Zündspitze über das vordere Ende des Halsabschnitts hinausragt, und das rückwärtige Ende der Zündspitze mit dem vorderen Ende des wärmeleitenden Kerns in thermischem Kontakt steht; und
Verbinden mindestens eines Teils des Umfangs der Zündspitze mit der Innenseite der Bohrung mittels Laserstrahlschweißen oder Elektronenstrahlschweißen.
Durch die Bereitstellung des Halsabschnitts, der vorzugsweise im wesentlichen gerade ist, wird das Volumen des vorderen Endes des Mantels aus Nickellegierung verringert, wodurch ein Schmelzen der Zündspitze aufgrund der Schweißhitze beim Verschweißen der Zündspitze mit dem Halsabschnitt vermieden wird.
Bei dieser Anordnung steht die Zündspitze in gutem thermischen Kontakt mit dem wärmeleitenden Kern und stellt einen Pfad für die Wärme von der Zündspitze zu dem wärmeleitenden Kern bereit, wodurch ein übermäßiger Temperaturanstieg in der Zündspitze vermieden wird, was der Zündspitze eine Widerstandsfähigkeit gegen Funkenerosion verleiht, wenn die Zündspitze diametral abgetragen wird.
Mittels Laserstrahlschweißen oder Elektronenstrahlschweißen kann die Zündspitze fest mit dem Halsabschnitt verschweißt werden, so daß ein ungewolltes Lösen von dem geraden Halsabschnitt aufgrund zyklisch wiederkehrender thermischer Belastungen während des Betriebs ausgeschlossen ist.
Der Schritt der Bereitstellung des geraden Halsabschnitts kann vor dem Schritt der Bereitstellung der axialen Bohrung vorgenommen werden.
Durch die Bereitstellung des Schritts der Wärmebehandlung können verbleibende Restspannungen abgebaut werden, um eine ungünstige Verformung der Mittelelektrode zu vermeiden, und um ein Brechen des rohrförmigen Isolators einer Zündkerze während des Betriebs zu verhindern. Der Schritt der Wärmebehandlung wird vorzugsweise nach dem Verschweißen ausgeführt. Vorzugsweise wird der Schritt der Wärmebehandlung vor dem Schritt der Bereitstellung der axialen Bohrung durchgeführt, wenn die axiale Bohrung durch Stanzen hergestellt wird.
Die Laserstrahlen werden vorzugsweise unter einem Winkel von im wesentlichen 45 Grad gegen den Zylinder aus Verbundstoff gerichtet, wenn die Außenseite der Zündspitze mit der Innenseite der Bohrung durch Laserstrahlschweißung verbunden wird.
Vorzugsweise verbindet die Laserstrahlschweißung die Zündspitze hermetisch mit dem Halsabschnitt, ohne dabei den wärmeleitenden Kern in den Schweißabschnitt einzubeziehen, und verhindert das Eintreten von Verbrennungsgas in die axiale Bohrung.
Mit dem Zusammenhang zwischen D, d und L von 0,2 mm ≤ (D-d)/2 ≤ 0,5 mm und 0,2 mm ≤ L ≤ 1,0 mm wird die Zündspitze problemlos mit dem geraden Halsabschnitt verschweißt, wobei durch Entspannung eine hohe Festigkeit der Schweißung erzielt wird.
Wenn das Maß (D-d) kleiner ist als 0,2 mm, kann der Mantel aus Nickellegierung nicht fest genug sein, so daß aufgrund von Wärmespannungen Risse an dem hinteren Ende des geraden Halsabschnitts auftreten.
Ein Maß (D-d) größer als 0,5 mm erfordert eine erhöhte Ausgangsleistung des Schweißlaserstrahls, um die Zündspitze aufzuschmelzen.
Wenn das Maß L größer ist als 1,0 mm, können Risse an einem hinteren Ende des geraden Halsabschnitts aufgrund von Wärmespannungen während der Erwärmungs-/Abkühlungszyklen auftreten.
Wenn das Maß L kleiner ist als 0,2 mm, tendiert der Mantel aus Nickellegierung dazu, zum Zeitpunkt der Verschweißung der Zündspitze mit dem Halsabschnitt eine beträchtliche Wärmemenge aufzunehmen, so daß eine erhöhte Ausgangsleistung des Schweißlaserstrahls zum Aufschmelzen der Zündspitze erforderlich ist.
Sofern der Abstand zwischen dem Außendurchmesser der Zündspitze und dem Innendurchmesser des Halsabschnitts nicht kleiner ist als 0,05 mm, tritt eine erhöhte Anzahl von Fehlstellen im Schweißabschnitt zwischen der Zündspitze und dem Halsabschnitt auf.
Eine Länge der Zündspitze größer 1,5 mm reduziert die Wärmeabfuhreigenschaften der Spitze, wodurch sich deren Betriebstemperatur erhöht, was in einem erhöhten Ausmaß von Funkenerosion resultiert.
Durch die Bereitstellung eines Flansches am vorderen Ende der Zündspitze wird der Zündspitze eine Widerstandsfähigkeit gegen Funkenerosion verliehen, während die reduzierte Temperatur der Mittelelektrode aufrechterhalten wird.
Die Laserstrahlen werden vorzugsweise im wesentlichen entlang der Grenzfläche zwischen dem Flansch und dem vorderen Ende des Halsabschnittes gerichtet, wenn die Zündspitze mit dem geraden Halsabschnitt mittels Laserstrahlschweißung verbunden wird.
Demzufolge macht es der Schweißabschnitt möglich, die Grenzfläche zwischen dem Flansch und dem vorderen Ende des geraden Halsabschnitts hermetisch dicht zu verschließen.
Durch Bereitstellung einer Ausnehmung an der vorderen Endfläche des Flansches wird der Flansch in mehrere Bereiche unterteilt, wodurch die Intensität des elektrischen Feldes zwischen der Mittelelektrode und einer Außenelektrode erhöht und die Funkenentladespannung zwischen diesen verringert wird.
Die Ausnehmung wird vor dem Einsetzen der Zündspitze in die axiale Bohrung bereitgestellt, so daß die Form der Ausnehmung exakt aufrechterhalten werden kann, wodurch sich eine geringere Schwankung der Funkenentladespannung ergibt.
Des weiteren kann Druck in der Richtung aufgebracht werden, in der die Zündspitze in Berührung mit dem wärmeleitenden Kern gebracht wird, nachdem die Zündspitze in der axialen Bohrung positioniert wurde. Dadurch wird es möglich, die direkte Berührung zwischen der Zündspitze und dem wärmeleitenden Kern zu verstärken, um den thermischen Kontakt zu verbessern.
Zusätzlich wird, wenn der Druck während der Verbindung der Zündspitze mit dem Halsabschnitt mittels Laserstrahlschweißen aufgebracht wird, der Kontakt noch weiter verbessert.
Die Erfindung wird besser verständlich anhand der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, die lediglich als Beispiel gegeben sind; es zeigen:
Fig. 1 eine vergrößerte Längsschnittansicht eines Hauptteils einer Mittelelektrode gemäß der Erfindung;
Fig. 2a bis 2f eine Reihe von Ansichten der Herstellungsstu fen der Mittelelektrode;
Fig. 3 eine erläuternde Darstellung für das Auftreten von Problemen beim elektrischen Widerstandsschweißen;
Fig. 4 eine Auftragung des Zusammenhangs zwischen der Wärmedehnung der Mittelelektrode (mm) und der Wärmebehandlungstemperatur (ºC) in einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 5 eine erläuternde Schnittansicht, um aufzuzeigen, wie die Mittelelektrode gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung hergestellt werden kann;
Fig. 6 eine erläuternde Schnittansicht, um aufzuzeigen, wie die Mittelelektrode gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung hergestellt werden kann;
Fig. 7 eine erläuternde Schnittansicht für das Auftreten von Problemen, wenn (D-d) kleiner ist als 0,2 mm;
Fig. 8 eine erläuternde Schnittansicht für das Auftreten von Problemen, wenn (D-d) größer ist als 0,5 mm;
Fig. 9 eine erläuternde Schnittansicht, um aufzuzeigen, wie die Mittelelektrode gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung hergestellt werden kann;
Fig. 10 eine Auftragung des Zusammenhangs zwischen dem Auftreten von Fehlstellen (%) und dem Abstand (R) bei einer sechsten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 11 eine erläuternde Schnittansicht, um aufzuzeigen, wie die Mittelelektrode gemäß einer siebten Ausführungsform der Erfindung hergestellt wird;
Fig. 12a eine vergrößerte Längsschnittansicht eines Hauptteils einer Mittelelektrode gemäß einer achten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 12b eine Draufsicht eines Flansches der Zündspitze in Fig. 12a;
Fig. 13 eine Draufsicht eines Flansches einer Zündspitze gemäß einer neunten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 14 eine Draufsicht eines Flansches einer Zündspitze gemäß einer zehnten Ausführungsforrn der Erfindung;
Fig. 15 eine erläuternde Schnittansicht, um aufzuzeigen, wie die Mittelelektrode gemäß einer elften Ausführungsform der Erfindung hergestellt werden kann;
Fig. 16 eine erläuternde Schnittansicht, um aufzuzeigen, wie die Mittelelektrode gemäß einer zwölften Ausführungsform der Erfindung hergestellt werden kann;
Nunmehr sei auf Fig. 1 verwiesen, in der eine Mittelelektrode (A) für eine Zündkerze eine Mantelhülle 1 hat, deren vorderes Ende einen geraden Hals 11 mit reduziertem Durchmesser hat. In die Mantelhülle 1 ist ein Kern 2 extrudiert. In den geraden Hals 11 ist eine Zündspitze 3 eingesetzt. Ein hinteres Ende des Kerns 2, hier nicht dargestellt, kann an einem hinteren Ende der Mantelhülle nach außen freiliegen.
Die auf diese Weise gebildete Mittelelektrode (A) wird wie folgt hergestellt:
(1) Ein Zylinder 401 aus Verbundstoff wird durch ein Kunststoffverarbeitungsverfahren wie Extrudieren eines wärmeleitenden Kerns 201 in einen Mantel 101 aus einer Nickellegierung hergestellt, wie in Fig. 2a gezeigt. Der wärmeleitende Kern 201 ist aus Kupfer gefertigt, während der Mantel 101 aus Nickellegierung für die Erläuterung aus Inconel besteht.
(2) Ein vorderes Ende 402 des Mantels 101 aus Nickellegierung wird abgetrennt, um eine vordere Stirnfläche 404 des Mantels 101 zu bilden, wie in Fig. 2b gezeigt. Die vordere Endfläche 404 des Mantels 101 ist durch Fräsen bearbeitet, um ein vorderes Ende 201a des wärmeleitenden Kerns 201 an der vorderen Endfläche 404 des Mantels 101 freizulegen.
(3) Ein Lochungswerkzeug wird an der Mitte der vorderen Endfläche 404 des Mantels 101 angesetzt, um eine axiale Bohrung ha konzentrisch mit dem Mantel 101 aus Nickellegierung und dem wärmeleitenden Kern 201 anzubringen, wie in Fig. 2c gezeigt. Die axiale Bohrung 11a wird durch Stanzen hergestellt.
Die axiale Bohrung 11a ist von kreisförmigem Querschnitt und hat auf der gesamten Tiefe den gleichen Durchmesser. Die Tiefe der axialen Bohrung 11a in Längsrichtung ist gleich einem hinteren Endabschnitt der Zündspitze 3, die wie weiter unten beschrieben in die axiale Bohrung 11a einzusetzen ist. Die Zündspitze 3 ist aus Edelmetall gefertigt, z.B. aus einer Iridiumlegierung mit Y&sub2;O&sub3; (2,5 Gew.-%).
(4) Ein vorderes Ende 407 des Mantels aus Nickellegierung um die axiale Bohrung 11a ist diametral reduziert, um ein gerades Halsrohr 11 zu bilden, das wie in Fig. 2d gezeigt konzentrisch mit der axialen Bohrung 11a ist.
(5) Die zylinderförmige Zündspitze 3 wird in die axiale Bohrung 11a eingesetzt. Ein hinteres Ende 30 der Spitze 3 gelangt in thermischen Kontakt mit dem vorderen Ende des wärmeleitenden Kerns 201, während ein vorderes Ende der Spitze 3 leicht über das gerade Halsrohr 11 hervorsteht, wie in Fig. 2e gezeigt.
(6) Eine Laserstrahlschweißung ermöglicht die feste Verbindung einer Grenzfläche zwischen einer Außenseite 11x der Zündspitze 3 und einer Innenseite 11y der axialen Bohrung 11a, wodurch ein Schweißabschnitt (g) wie in Fig. 2f gezeigt gebildet wird.
Es versteht sich, daß der Schritt der Bereitstellung des geraden Halsrohres 11 dem Schritt der Bereitstellung der axialen Bohrung 11a vorausgeht, wodurch eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung realisiert wird.
Es ergeben sich die folgenden Vorteile:
(i) Das hintere Ende 30 der Zündspitze 3 gelangt in Wärmeübertragungskontakt mit dem vorderen Ende des wärmeleitenden Kerns 201, wodurch ein Wärmeableitungspfad von der Zündspitze 3 durch den wärmeleitenden Kern 201 gebildet wird.
Dadurch wird es möglich, einen übermäßigen Temperaturanstieg der Zündspitze 3 zu vermeiden, um deren Funkenerosion deutlich zu reduzieren, wenn die Spitze 3 diametral dünn gehalten ist.
(ii) Das gerade Halsrohr 11 ermöglicht insbesondere die fortlaufende Entzündung des Verbrennungsgases sowie den Funkenaufbau der Mittelelektrode (A) mit einer reduzierten Entladungs spannung.
(iii) Beim Einsatz der Laserstrahlschweißung werden die Strahlen in einfacher Weise so gebündelt, daß die Laserstrahlschweißung ebenso wie die Elektronenstrahlschweißung für die Verschweißung der Zündspitze 3 mit dem geraden Halsrohr 11 geeignet ist.
Bei der Anwendung einer elektrischen Widerstandsschweißung fließt ein elektrischer Strom (1) von einer Spitze aus Edelmetall zu einem Kupferkern, wobei keine feste Verbindung der Spitze mit dem vorderen Ende einer Nickellegierung entsteht, wie dies in Fig. 3 verdeutlicht ist.
Bei Einsatz einer Argon-Schutzgasschweißung (TIG) ist es schwierig, die freigesetzte Wärmemenge so zu kontrollieren, daß die Zündspitze aufgeschmolzen wird, wodurch es schwierig wird, die Spitze in ihrer ursprünglichen einwandfreien Form zu erhalten.
Nach Ausführung von Schritt (5) gemäß Fig. 2e und vor Schritt (6) gemäß Fig. 2f wird eine Wärmebehandlung der Zündspitze 3 und des Zylinders 401 aus Verbundstoff in einer Vakuumumgebung oberhalb der Rekristallisationstemperatur für mehr als 30 Minuten vorgenommen, um der dritten Ausführungsform der Erfindung zu genügen.
Beispielsweise wurde bei Durchführung der Wärmebehandlung unter Vakuum bei 900ºC für 1 h festgestellt, daß die Wärmedehnung der Mittelelektrode (A) auf 0,01 mm zurückgeht, nachdem, wie in Fig. 4 gezeigt, ein Versuch mit Brennererwärmung durchgeführt wurde, bei dem die Mittelelektrode (A) abwechselnd 1000 Erwärmungs-/Abkühlungszyklen von 900ºC für 1 min und 100ºC für 1 min unterworfen wird.
Im Gegensatz hierzu erreicht die Wärmedehnung der Mittelelektrode 0,06 mm, wenn, wie in Fig. 4 gezeigt, keine Wärmebehandlung vorgenommen wird.
Fig. 5 zeigt eine vierte Ausführungsform der Erfindung, bei der Laserstrahlen 5a, 5b gerichtet sind, um einen Winkel von 45 Grad gegen eine axiale Richtung (j) der Mittelelektrode (A) zu bilden. Die Laserstrahlen 5a, 5b treffen auf eine Vorderseite lib des geraden Halsrohres 11, uni eine innere Kante 52 und eine äußere Kante 51 des geraden Halsrohres 11 zu überdecken. Diese Art der Verschweißung ermöglicht eine hermetische Abdichtung der Grenzfläche zwischen der Zündspitze 3 und dem geraden Halsrohr 11, ohne den wärmeleitenden Kern 201 in den Schweißabschnitt (g) einzubeziehen, wodurch die Spitze 3 daran gehindert wird, aus dem geraden Halsrohr 11 auszuwölben, und gleichzeitig ein Eintreten von Verbrennungsgas in das gerade Halsrohr 11 wirksam vermieden wird.
Fig. 6 bis 8 zeigen eine fünfte Ausführungsform der Erfindung, bei der die Zündspitze 3 aus einer Iridiumlegierung mit Y&sub2;O&sub3; (2,5 Gew.-%) gefertigt ist und einen Durchmesser von 0,5 mm hat, während der Mantel 101 aus Nickellegierung aus Inconel 600 besteht. Eine Dicke (D-d) des geraden Halsrohres 11 beträgt 0,3 mm, während eine Länge (L) des geraden Halsrohres 11 0,6 mm beträgt, wie in Fig. 6 dargestellt. Die Dicke (D-d) entspricht einem Unterschied zwischen einem Außendurchmesser (D) des geraden -Halsrohres 11 und einem Innendurchmesser (d) der axialen Bohrung ha.
Um einen optimalen Bereich der Dicke (D-d) und der Länge (L) zu ermitteln, wird ein Versuch durchgeführt, wobei die Mittelelektrode in einen 2000 ccm-Motor mit sechs Zylindern eingebaut ist, der abwechselnd entsprechend einem Erwärmungs/Abkühlungszyklus von Vollgas bei 5000 U/min für 1 min bis Leerlaufdrehzahl für 1 min betrieben wird.
Im Ergebnis wurde festgestellt, daß es vorteilhaft ist, wenn die Dicke (D-d) in einen Bereich von 0,2 mm bis 0,5 mm fällt (noch besser zwischen 0,25 mm und 0,35 mm), während die Länge (L) innerhalb eines Bereiches von 0,2 mm bis 1,0 mm (besser 0,5 mm bis 0,8 mm) liegt.
Wenn die Dicke (D-d) kleiner ist als 0,2 mm, reicht die Festigkeit des Mantels 101 aus Nickellegierung nicht mehr aus, so daß wie in Fig. 7 gezeigt Risse (k) am hinteren Ende 11c des geraden Halsrohres 11 aufgrund von Wärmespannungen auftreten.
Wenn unterdessen die Dicke 0,5 mm übersteigt, resultiert dies in einer erh-hten Ausgangsleistung des Schweißlaserstrahls, der wie in Fig. 8 gezeigt die Zündspitze aufschmilzt.
Bei einer Länge (L) von mehr als 1,0 mm werden Risse im geraden Halsrohr 11 aufgrund von Wärmespannungen hervorgerufen, während eine Länge (L) von weniger als 0,2 mm dazu beiträgt, daß das gerade Halsrohr 11 zum Zeitpunkt des Verschweißens der Zündspitze 3 eine große Wärmemenge absorbiert, wodurch eine erhöhte Ausgangsleistung bei der Laserstrahlschweißung erforderlich wird, um eine Wärmemenge zu kompensieren, die von dem Mantel 101 aus Nickellegierung absorbiert wird, damit die Zündspitze und der Mantel aus Nickellegierung aufgeschmolzen werden.
Fig. 9 und 10 zeigen eine sechste Ausführungsform der Erfindung, bei der die Länge über alles der Zündspitze 3 kleiner ist als 1,5 mm, während ein Außendurchmesser der Zündspitze 3 wie in Fig. 9 gezeigt um höchstens 0,05 mm kleiner ist als der Durchmesser (d) der axialen Bohrung 11a.
Wenn ein Abstand (R) zwischen dem Durchmesser (d) der axialen Bohrung 11a und dem Außendurchmesser der Zündspitze 3 größer ist als 0,05 mm, werden Fehlstellen (v) im Schweißabschnitt (g) festgestellt.
Des weiteren wurde festgestellt, daß eine Länge der Zündspitze 3 von mehr als 1,5 mm die Wirksamkeit der Wärmeabfuhr mindert und einen starken Temperaturanstieg bewirkt, wodurch die Funkenerosion beschleunigt wird. Fig. 10 zeigt einen Zusammenhang zwischen dem Auftreten von Fehlstellen (v) und dem Abstand (R), wenn die Zündspitze 3 eine Länge von 1,3 mm und einen Durchmesser von 0,5 mm hat, während das gerade Halsrohr 11 eine Länge von 0,6 mm und einen Durchmesser von 1,1 mm hat.
Fig. 11 zeigt eine siebte Ausführungsform der Erfindung, bei der ein vorderes Ende einer Zündspitze 3a einen integralen runden Flansch 31 hat, dessen Durchmesser (1,2 mm) gleich demjenigen des geraden Halsrohres 11 ist. Die Zündspitze 3a besteht aus Platinlegierung, in die zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit Zirconiumdioxid (0,06 - 0,3 Gew.-%) eingelagert ist. Die Anwendung des Laserstrahlschweißens ermöglicht eine Verbindung einer Grenzfläche (Int) zwischen einer Oberseite 31a des Flansches 3 und der vorderen Endfläche des geraden Halsrohres 11. In diesem Beispiel werden die Laserstrahlen auf die Grenzfläche (Int) gerichtet, um einen Winkelbereich von 70 bis 110 Grad gegen die axiale Richtung (j) der Mittelelektrode (A) zu bilden. Bei dieser Ausführungsform wirkt der Flansch 31 als eine gegen Funkenerosion empfindliche Oberfläche, während ein im Durchmesser reduzierter Abschnitt 32 der Zündspitze 3a den Wärmeabfuhrpfad in Richtung des wärmeleitenden Kerns 201 bildet, um so die Eigenschaften gegenüber der Funkenerosion zu verbessern und einen übermäßigen Temperaturanstieg zu verhindern.
Fig. 12a und 12b zeigen eine achte Ausführungsform der Erfindung, bei dem ein vorderes Ende einer Zündspitze 3b einen integralen Ringflansch 31b enthält. Die Zündspitze 3b besteht aus einer Platinlegierung mit Zirconiumdioxid (0,06 Gew.-%). Durch einen vorgeschalteten Prozeß wird eine kreuzförmige Nut 33 an einer Unterseite des Flansches 31b ausgebildet, bevor die Zündspitze 3b in die axiale Bohrung 11a eingesetzt wird.
Fig. 13 zeigt eine neunte Ausführungsform der Erfindung, bei der ein vorderes Ende einer Zündspitze 3c einen integralen Ringflansch 31c hat. Die Zündspitze 3c besteht aus einer Platinlegierung mit Zirconiumdioxid (0,06 Gew.-%). Durch einen vorgeschalteten Prozeß wird eine kreuzförmige Nut 33a an einer Unterseite des Flansches 31c ausgebildet, bevor die Zündspitze 3c in die axiale Bohrung 11a eingesetzt wird. Eine Breite der Nut 33a ist etwas größer als diejenige der Nut 33 von Fig. 12b.
Fig. 14 zeigt eine zehnte Ausführungsform der Erfindung, bei der ein vorderes Ende einer Zündspitze 3d einen integralen Ringflansch 31d hat. Die Zündspitze 3d besteht aus einer Platinlegierung mit Zirconiumdioxid (0,06 Gew.-%). Durch einen vorgeschalteten Prozeß wird eine kreuzförmige Ausnehmung 34 in einer Unterseite des Flansches 31d ausgebildet, bevor die Zündspitze 3d in die axiale Bohrung 11a eingesetzt wird. In den Fig. 12a, 12b, 13 und 14 sind verschiedene reale Abmessungen hinsichtlich der Nuten 33, 33a und der Ausnehmung 34 angegeben.
Durch die Nuten 33, 33a und die Ausnehmung 34 werden die Flansche 31b, 31c und 31d in mehrere Bereiche geteilt, um die Intensität eines elektrischen Feldes zwischen den Elektroden zu erhöhen, um die Entladung zwischen diesen bei reduzierter Spannung zu bewirken.
Bei den Nuten 33, 33a und der Ausnehmung 34, die an den jeweiligen Flanschen vor dem Einsetzen der entsprechenden Zünd spitzen in die axiale Bohrung 11a ausgebildet werden, wird die geteilte Form der Nuten und der Ausnehmung im Hinblick auf eine geringstmögliche Schwankung der Funkenentladungsspannung exakt eingehalten.
Fig. 15 zeigt eine elfte Ausführungsform der Erfindung, bei der die Zündspitze 3 eine Länge von 1,5 mm hat, und der Durchmesser der Spitze 3 um höchstens 0,05 mm kleiner ist als derjenige der axialen Bohrung ha. Nach dem Einsetzen der Zündspitze 3 in die axiale Bohrung 11a wird die Zündspitze 3 mittels eines Dorns (P) in die Richtung, in der die Spitze 3 in Berührung mit dem vorderen Ende des wärmeleitenden Kerns 201 gebracht wurde, angepreßt, während die Spitze 3 mit dem geraden Halsrohr 11 durch Laserstrahlschweißung verbunden wird.
Fig. 16 zeigt eine zwölfte Ausführungsform der Erfindung, bei der die Zündspitze 3a wie für das siebte Ausführungsbeispiel in Fig. 11 beschrieben verwendet wird. Nach dem Einsetzen der Zündspitze 3a in die axiale Bohrung 11a wird die Zündspitze 3a mittels eines Dorns (P) in die Richtung, in der die Spitze 3 in Berührung mit dem vorderen Ende des wärmeleitenden Kerns 201 gebracht wurde, angepreßt, während die Spitze 3a mit dem geraden Halsrohr 11 durch Laserstrahlschweißung verbunden wird.
In jeder der Ausführungsformen wird die Zündspitze in festen Kontakt mit dem wärmeleitenden Kern 201 gebracht, um den Wärmeableitungseffekt zu erzielen.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer Mittelelektrode für eine Zündkerze, umfassend die folgenden Schritte:

Herstellen eines Zylinders aus einem Verbundstoff, indem ein wärmeleitender Kern vorzugsweise durch ein Kunststoffverarbeitungsverfahren in einen Mantel aus einer Nickellegierung eingeschlossen wird;

Abtrennen des vorderen Endes des Mantels aus Nickellegierung, um eine glatte Stirnfläche zu bilden;

Herstellen einer im wesentlichen axialen Bohrung in der glatten Stirnfläche des Mantels aus Nickellegierung, wobei die Bohrung bis zu dem wärmeleitenden Kern reicht;

Herstellen eines Halsabschnittes um die Bohrung, indem das vordere Ende des Mantels aus Nickellegierung diametral abgetragen wird;

Herstellen einer Zündspitze aus einem Edelmetall in der Bohrung, wobei das vordere Ende der Zündspitze über das vordere Ende des Halsabschnitts hinausragt, und das rückwärtige Ende der Zündspitze mit dem vorderen Ende des wärmeleitenden Kerns in thermischem Kontakt steht; und

Verbinden eines jeden Teils des Umfangs der Zündspitze mit der Innenseite der Bohrung mittels Laserstrahlschweißen oder Elektronenstrahlschweißen.

2. Verfahren zur Herstellung einer Mittelelektrode für eine Zündkerze, umfassend die folgenden Schritte:

Herstellen eines Zylinders aus einem Verbundstoff, indem ein wärmeleitender Kern durch ein Kunststoffverarbeitungsverfahren in einen Mantel aus einer Nickellegierung eingeschlossen wird;

Herstellen eines Halsabschnittes, indem das vordere Ende des Mantels aus Nickellegierung diametral abgetragen wird;

Herstellen einer im wesentlichen axialen Bohrung in dem Halsabschnitt des Mantels aus Nickellegierung, wobei die Bohrung bis zu dem wärmeleitenden Kern reicht;

Verbinden wenigstens eines Teils des Umfangs der Zündspitze mit der Innenseite der Bohrung mittels Laserstrahlschweißen oder Elektronenstrahlschweißen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, des weiteren umfassend den Schritt der Wärmebehandlung des Zylinders aus Verbundstoff und der Zündspitze, um restliche Spannungen abzubauen.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem des weiteren Laserstrahlen, vorzugsweise in einem Winkel von 45 Grad, auf den Zylinder au6 Verbundstoff gerichtet werden, wenn der Umfang der Zündspitze mit der Innenseite der Bohrung mittels Laserstrahlschweißen verbunden wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Zusammenhang zwischen D, d und L folgendermaßen lautet:

0,2 mm ≤ (D-d)/2 ≤ 0,5 mm

0,2 mm ≤ L ≤ 1,0 mm

wobei D der Außendurchmesser des Halsabschnitts,

d der Innendurchmesser der Bohrung, und

L die Länge des Halsabschnitts ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Länge der Zündspitze 1,5 mm beträgt, und der Durchmesser der Zündspitze um höchstens 0,05 mm kleiner ist als der Durchmesser der Bohrung.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem ein Flansch am vorderen Ende der Zündspitze vorgesehen ist, wobei der Durchmesser des Flansches im wesentlichen gleich ist dem Außendurchmesser des geraden Halsabschnitts.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem Laserstrahlen auf die Grenzfläche zwischen dem Flansch und dem vorderen Ende des Halsabschnitts gerichtet werden, wenn die Zündspitze mittels Laserstrahlschweißen mit dem Halsabschnitt verbunden wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei dem eine Ausnehmung auf der Vorderseite des Flansches hergestellt wird, bevor die Zündspitze in die Bohrung eingesetzt wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem des weiteren Druck in der Richtung ausgeübt wird, in der die Zündspitze mit dem wärmeleitenden Kern in Eingriff gebracht wird, nachdem die Zündspitze in der Bohrung positioniert wurde.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem Druck ausgeübt wird, wenn die Zündspitze mittels Laserstrahlschweißen mit dem Halsabschnitt verbunden wird.

12. Zündkerze mit einer Mittelelektrode, die nach dem Verfahren der vorhergehenden Ansprüche hergestellt wurde.