DE69400185T2

DE69400185T2 - Zündkerzenelektrode zur Anwendung in einem Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE69400185T2
Application number: DE69400185T
Authority: DE
Inventors: Wataru Matsutani; Mamoru Musasa
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1993-04-26
Filing date: 1994-03-31
Publication date: 1996-10-02
Anticipated expiration: 2014-04-01
Also published as: JP3315462B2; JPH06310253A; DE69400185D1; US5448130A; EP0624938A1; EP0624938B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Zündkerzenelektrode, bei der eine funkenerosionsbeständige Spitze, die ein Edelmetall enthält, an einem brennraumseitigen Ende einer Mittel- oder Masseelektrode befestigt ist.
Aufgrund der in letzter Zeit gestellten Forderung nach einer Verbesserung der Funkenerosionsbeständigkeitseigenschaft einer Elektrode, die in einer Verbrennungskraftmaschine verwendet wird, stellt die Japanische Patentveröffentlichung der Numer 62-31797 ein Verfahren vor, bei dem ringförmige Edelmetallspitzen 103, 104 ihrerseits brennraumseitige Enden von Mittelelektroden-Metallen 101, 102 der Mehrfachpolaritätsart und Zündkerzen 100, 100a mit halbkriechender Entladung abdecken, wie in den Figuren 11 und 12 der beigefügten Zeichnungen gezeigt ist.
Die JP-A-50 67488 offenbart eine ähnliche Zündkerzenelektrode, bei der ein Edelmetallchip aus einem Sinterkörper eines seltenen Erdmetalloxids und Iridium oder Ruthenium auf die Mittelelektrode aufgeschweißt wird.
In der US-A-4 963 112 wird eine Zündkerzenelektrode gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 offenbart. Wiederum wird ein Platinlegierungschip an dem Ende einer Mittelelektrode angebracht und durch ein Laserschweißverfahren auf dieser derart befestigt, daß eine Legierungszone zwischen dem Chip und der Elektrode geschaffen wird, deren Platingehalt weg von der Spitze allmählich abnimmt.
Aber bei der in den Figuren 11 und 12 veranschaulichten Anordnung neigen die Spitzen 103, 104 aufgrund der positionsmäßigen Beziehung zwischen den Mittelelektrodenmetallen 101, 102 und der Masseelektrode 105, 106 dazu, stellenweise in einer Art und Weise erodiert zu werden, wie dies in der linken Hälfte der Figuren 11 und 12 gezeigt ist. Obwohl die Elektrodenabstände 107, 108 durch die Funkenerosion in nicht akzeptabler Weise größer werden, wodurch die Lebensdauer der Zündkerze beeinträchtigt wird, wird eine teure Edelmetallkomponente der Spitze teilweise nicht erodiert, wodurch das Verfahren unwirtschaftlich wird.
Um diesen unwirtschaftlichen Nachteil zu vermeiden, wurde in Betracht gezogen, das Edelmetall von einem nicht erodierten Teil der Spitze vorher wegzulassen, wie dies in der linken Hälfte 109 der Figur 13a gezeigt ist.
Aber das Mittelelektrodenmetall 101 wird einer starken Funkenerosion unterzogen, wenn wiederholt Funkenentladungen zwischen den Elektroden auftreten, wie in den Figuren 13b bis 13d gezeigt ist. Dadurch wird die Nutzungsdauer der Zündkerze 110 zunehmend kürzer als die der Zündkerzen 100, 100a.
Das liegt wahrscheinlich daran, daß die Funkenentladungen weiterhin in dem Bereich 109 der Elektrode 101 auftreten, in dem kein Edelmetall vorhanden ist, obwohl die Gesamtgrößenordnung dieser Funkenentladungen im Vergleich zu dem Abschnitt, der das Nobelmetall enthält, beträchtlich eingeschränkt ist.
Deshalb ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Zündkerzenelektrode zur Verwendung in einer Verbrennungskraftmaschine vorzusehen, die eine schnelle Funkenerosion einer Elektrode steuern kann, welche einem begrenzten Ausmaß von Funkenentladungen ausgesetzt wird, während ein wirtschaftlicher Vorteil aufrechterhalten wird, indem die Menge der Edelmetallkomponente, die bei einem Abschnitt der Elektrode verwendet wird, der der begrenzten Anzahl von Funkenentladungen ausgesetzt ist, beträchtlich reduziert wird.
Gemäß der Erfindung ist eine Zündkerzenelektrode vorgesehen mit einer legierten Spitze, die an einem brennraumseitigen Ende mindestens einer der gegenüberliegenden Elektroden befestigt ist, um einen Elektrodenabstand zwischen der entgegengesetzten Fläche der Spitze und der Jeweils entgegengesetzten Elektrode zu bilden, wobei die Spitze ein funkenerosionsbeständiges Edelmetall umfaßt, wobei der Edelmetallgehalt der Spitze in einer axialen Richtung dieser einen Elektrode schwankt, dadurch gekennzeichnet, daß der Edelmetallgehalt in einer Richtung parallel zu der entgegengesetzten Oberfläche der Spitze in Abhängigkeit von dem Betrag der Funkenbildung schwankt, dem dieser Abschnitt der Spitze ausgesetzt werden soll, so daß der größte Gewichtsprozentsatz des Edelmetallgehalts an Abschnitten der Spitze vorgesehen ist, die einem relativ hohen Betrag an Funkenbildung ausgesetzt werden, und wobei der kleinste Gewichtsprozentsatz des Edelmetallgehalts an Abschnitten der Spitze vorgesehen ist, die einem relativ niedrigen Betrag an Funkenbildung ausgesetzt werden. Folglich weist die legierte Spitze eine Edelmetallkomponente auf, die in einer axialen Richtung der Elektrode in Abhängigkeit von dem Betrag an Funkenbildung schwankt (z.B. der Größenordnung der Funkenentladungen oder der Menge an Funkenentladungen), der dieser Abschnitt der Spitze zwischen den beiden gegenüberliegenden Elektroden ausgesetzt ist.
Somit sieht die Erfindung eine Zündkerzenelektrode vor, die so verbessert ist, daß eine Edelmetallkomponente der Spitze in Abhängigkeit von der Menge der Funkenbildung verändert wird, der ein bestimmter Abschnitt der Spitze ausgesetzt wird.
Der Unterschied zwischen einem oberen Grenzwert und einem unteren Grenzwert der Edelmetallkomponente der legierten Spitze kann bei etwa 10 Gew.-% oder mehr liegen.
Die Elektrode kann eine Metallumhüllung und einen wärmeleitenden Kern aufweisen, der konzentrisch in der Umhüllung eingebettet ist. Das Umhüllungsmetall kann aus einer korrosions- und erosionsbeständigen Nickellegierung bestehen, die 15 Gew.-% Cr und 8 Gew.-% Fe enthält, und der hitzebeständige Kern kann aus Silber oder Kupfer bestehen.
Mit der legierten Spitze, deren Edelmetallkomponente in der axialen Richtung der Elektrode in Abhängigkeit von einer Größenordnung der Funkenentladungen variiert, der der spezielle Abschnitt der Spitze ausgesetzt wird, ist es möglich, den Edelmetallbestandteil der Spitze bis zu dem Abschnitt zu erhöhen, auf den in zunehmendem Maße Funkenentladungen oder Funkenerosion einwirken. Desweiteren ist es auch möglich, den Edelmetallbestandteil der Spitze bis zu dem Abschnitt zu erhöhen, der den eingeschränkten Funkenentladungen oder der eingeschränkten Erosion ausgesetzt ist. Dadurch wird eine Verringerung des Unterschieds zwischen einer Menge an Funkenerosion, der ein kleinerer Edelmetallbestandteil der Spitze unterworfen ist, und der Funkenerosion, der ein hoher Edelmetallbestandteil der Spitze unterworfen ist, möglich. Dadurch wird eine einheitliche Menge an Funkenerosion über die gesamte legierte Spitze gewährleistet, die an einer Gesamtfläche des brennraumseitigen Endes der Elektrode angebracht ist, und somit wird eine ausgedehnte Nutzungsdauer der Zündkerze mit einer minimalen Menge an Edelmetall ermöglicht.
Die Erfindung wird nun genauer nur beispielshalber unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
Fig 1 eine Draufsicht auf einen unteren Abschnitt einer Zündkerze mit kreisförmiger Entladung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei die linke Hälfte im Schnitt gezeigt ist,
Fig. 2 eine graphische Darstellung, die eine Beziehung zwischen einem Platin enthaltenden Betrag (Gew.-%) und einer axialen Lage einer mit einem Edelmetall legierten Spitze veranschaulicht, die verschiedenen Funkenentladungen ausgesetzt wird,
Fig. 3a bis 3d sequentielle Ansichten, die zeigen, wie die mit einem Edelmetall legierte Spitze an einer Mittelelektrode befestigt wird,
Fig. 4a und 4b Längsquerschnittsansichten des unteren Abschnitts der Zündkerze mit kreisförmiger Entladung, die zeigen, wie die Spitze funkenerodiert wird,
Fig. 5 eine graphische Darstellung, die eine Beziehung zwischen einem Platin enthaltenden Betrag (Gew.-%) und einer axialen Lage einer mit einem Edelmetall legierten Spitze zeigt, die verschiedenen Funkenentladungen unterzogen wird, gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 6 eine perspektivische Ansicht eines unteren Abschnitts einer Mehrfachpolaritäts-Zündkerze nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 7 eine perspektivische Ansicht eines unteren Abschnitts einer Zündkerze mit halbkriechender Entladung nach einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 8 eine Längsquerschnittsansicht entlang der Linie VII-VII von Fig. 7,
Fig. 9 eine graphische Darstellung, die eine Beziehung zwischen einem Platin enthaltenden Betrag (Gew.-%) und einer axialen Lage einer mit einem Edelmetall legierten Spitze zeigt, die verschiedenen Funkenentladungen ausgesetzt ist, gemäß der Zündkerze mit halbkriechender Entladung, wie sie in Fig. 7 gezeigt ist,
Fig. 10 eine Längsquerschnittsansicht eines unteren Abschnitts einer Zündkerze nach einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 11 eine Längsquerschnittsansicht eines unteren Abschnitts einer Zündkerze nach dem Stand der Technik, die zeigt, wie eine Edelmetallspitze funkenerodiert wird,
Fig. 12 eine Längsquerschnittsansicht eines unteren Abschnitts einer anderen Zündkerze nach dem Stand der Technik, die zeigt, wie eine Edelmetallspitze funkenerodiert wird, und
Fig. 13a bis 13d sequentielle Ansichten, die zeigen, wie eine Mittelelektrode gemäß der Zündkerze nach dem Stand der Technik, wie sie in Fig. 11 gezeigt ist, funkenerodiert wird.
Nun wird Bezug genommen auf die Figuren 1 und 2. Diese zeigen einen unteren Abschnitt einer Zündkerze 1 mit kreisförmiger Entladung zur Verwendung in einer verbrennungskraftmaschine nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Zündkerze 1 weist einen rohrförmigen Isolator 2 und ein Metallgehäuse 3 auf, in dem der Isolator 2 angeordnet ist. Aus einem unteren Ende des Metallgehäuses 3 erstreckt sich einstückig damit eine ringförmige Masseelektrode 4. Ein unterer Abschnitt einer Mittelelektrode 5, die konzentrisch in dem Isolator 2 plaziert ist, ist so angeordnet, daß er von einer Innenwand 4a der ringförmigen Masseelektrode 4 umgeben wird. Der Isolator 2 ist aus einem Sinterkeramikkörper, wie z.B. aus Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;), hergestellt, wobei sein Innenraum als eine axiale Bohrung 6 ausgelegt ist. Der Isolator 2 steht außerdem mit einer mit einem Absatz versehenen Innenwand 3a des Metallgehäuses 3 über eine Dichtung 7 in Verbindung.
Mittlerweile wird das Metallgehäuse 3 aus einem elektrisch leitenden Metall wie z.B. einem kohlenstoffarmen Stahl oder dergleichen hergestellt, um ein Gehäuse für die Zündkerze 1 mit kreisförmiger Entladung zu bilden. An einer Außenseite des Metallgehäuses 3 ist ein Abschnitt 8 mit einem Außengewinde vorgesehen, damit das Metallgehäuse 3 an einem (nicht gezeigten) Zylinderkopf der Verbrennungskraftmaschine angebracht werden kann. Eine Dichtung 10 ist zwischen dem Mantelabschnitt 9 des Metallgehäuses und dem Zylinderkopf vorgesehen, damit ein Brennraum (nicht gezeigt) der Verbrennungskraftmaschine hermetisch abgedichtet wird.
Das untere Ende der Masseelektrode 4 ist derart angeordnet, daß es dem der Mittelelektrode 5 gegenüberliegt und kurz vor dem Brennraum aufhört. Zwischen der Innenwand 4a der Masseelektrode 4 und einer Außenseite der Mittelelektrode 5 ist ein Elektrodenabstand G (z.B. 1,0 mm) vorgesehen.
Die Elektrode 5 weist eine längliche Metallsäule 11 und eine Edelmetallspitze 13 auf, die an einem brennraumseitigen Ende 12 der Mittelelektrode 5 befestigt ist und die eine Funkenentladung zu der Innenwand 4a der Masseelektrode 4 herstellt. Die Metallsäule 11 der Mittelelektrode 5 weist eine Metallumhüllung 14 und einen wärmeleitenden Kern 15 auf, der konzentrisch in der Metallumhüllung 14 eingebettet ist. Die Metallumhüllung 14 weist eine korrosions- und erosionsbeständige Nickellegierung auf, die 15,0 Gew.-% Cr und 8,0 Gew.-% Fe enthält. Die Metallumhüllung 14 wird in dem Isolator 2 fest gehalten, wobei ihr unteres Ende etwas über den Isolator 2 hinausragt. Der Kern 15 ist aus einem wärmeleitenden Metall wie z.B. Silber, Kupfer, einer Legierung auf Kupferbasis oder dergleichen hergestellt.
Das heißt, eine größere Menge der Platinkomponente der Spitze 13 liegt in einem Abschnitt vor, der einer oberen Begrenzung 16 des brennraumseitigen Endes 12 der Metallsäule 11 entspricht. Eine verringerte Menge der Platinkomponente der Spitze 13 liegt in einem Abschnitt vor, der einer unteren Begrenzung 17 des brennraumseitigen Endes 12 der Metallsäule 11 entspricht. Die Platinkomponente der Spitze 13 ist so ausgelegt, daß sie sich zwischen den Abschnitten, die den oberen und unteren Begrenzungen des brennraumseitigen Endes 12 der Metallsäule 11 entsprechen, allmählich ändert.
Die größte Menge der Platinkomponente der Spitze 13 weist etwa 85 Gew.-% auf, während die geringste Menge der Platinkomponente der Spitze 13 etwa 70 Gew.-% aufweist. Daraus läßt sich folgern, daß ein Unterschied zwischen oberen und unteren Grenzen der Platinkomponente bei etwa 15 Gew.-% liegt.
Im folgenden wird ein Verfahren beschrieben, mit dem die Spitze 13 an dem brennraumseitigen Ende 12 der Metallsäule 11 der Mittelelektrode 5 befestigt wird (Figuren 3a bis 3c).
Eine ringförmige Nut 18 wird durch Fräsen oder dergleichen an dem brennraumseitigen Ende 12 der Metallsäule 11 vorgesehen (mit einem Durchmesser von 2,5 mm). Die Nut 18 weist eine Länge von 0,6 mm und eine Tiefe von 0,15 mm auf. Ein Abstand zwischen der unteren Begrenzung der Metallsäule 11 und einem Mittelpunkt der Nut 18 beträgt 1,5 mm. Ein Edelmetalldraht 19 ist aus Platin hergestellt und wird zu einer ringförmigen Konfiguration geformt, wobei sich beide Enden so treffen, daß zwischen ihnen ein Schlitz 20 gebildet wird. Der Edelmetalldraht 19 weist einen kreisrunden Querschnitt und einen Durchmesser von 0,3 mm auf. Der Edelmetalldraht 19 ist so ausgelegt, daß sein Volumen im wesentlichen gleich dem der Nut 18 ist.
Nach dem Einpassen des Drahtes 19 in die Nut 18 der Metallsäule 11 wird der Draht 19 mit Hilfe des elektrischen Widerstandsschweißens provisorisch an der linken Seite der Nut 18 befestigt, die der unteren Begrenzung des brennraumseitigen Endes 12 entspricht, das dem gesteigerten Vorkommen von Funkenentladungen ausgesetzt ist. Dann werden Laserstrahlen (LB) mit einem Laserpunkt mit einem Durchmesser von z.B. 14 mm senkrecht zu dem Mittelpunkt der Nut 18 zugeführt, wie in Fig. 3b gezeigt ist, der Draht 19 wird thermisch in den Metallsäulenabschnitt eingeschmolzen, in dem sich die Nut 18 befindet. In diesem Fall wird die Metallsäule 11 mit der Geschwindigkeit von z.B. (5π/6) rad/sec um ihre eigene Achse gedreht, während gleichzeitig 48 Durchläufe der Laserstrahlen (LB) auf die gesamte Länge des Drahtes 19 angelegt werden, um eine Nahtschweißung durchzuführen.
Bei der Durchführung des Nahtschweißens wird ein Laserschweißgerät benutzt, um einen YAG-Laser der Impulsart mit einem Unterfokus von 10 mm von einer Außenseite bis zum Mittelpunkt der Metallsäule 11 zu erzeugen. Der YAG-Laser wird mit einer Ausgangsleistung und einer Impulsbreite von Jeweils 6,5 J und 2,9 m sec verwendet. Anstelle des YAG-Lasers kann auch ein CO&sub2;-Laser verwendet werden. Es kann Jede Art von Schweißverfahren, einschließlich das Elektronenstrahlschweißverfahren, verwendet werden, solange durch dieses der Draht 19 in den Metallsäulenabschnitt, in dem sich die Nut 18 der Metallsäule 11 befindet, thermisch eingeschmolzen werden kann.
Beim Befestigen des Drahtes in der Nut 18 wird beobachtet, daß ein vorderes Ende des abgewickelten Drahtes 19 in die Nut 18 eingepaßt werden kann, und die Metallsäule 11 wird unabhängig von dem Draht 19 gedreht, während gleichzeitig die Laserstrahlen (LB) zu dem vorderen Ende des Drahtes 19 geführt werden.
Nachdem das YAG-Laser-Schweißen an dem Edelmetalldraht 19 durchgeführt worden ist, wird die Edelmetallspitze 13 auf dem brennraumseitigen Ende 12 in der Form einer Legierungsschicht vorgesehen, in der die Nickellegierungskomponente der Metallsäule 11 und die Platinkomponente der Spitze 13 thermisch miteinander verschmolzen werden, wie in Fig. 3c gezeigt ist.
Die Positionierung des Drahtes in der Nut zusammen mit der Steuerung der Intensität des Laserstrahls wird dazu verwendet, die Verteilung des Edelmetalls zu steuern. In diesem Fall steigt der Nickelgehalt an, wenn der Laserstrahl intensifiert wird, und nimmt ab, wenn der Laserstrahl abgeschwächt wird.
In diesem Fall nimmt die Platinkomponente der Legierungsschicht allmächlich von der unteren Begrenzung zu der oberen Begrenzung der Metallsäule 11 zu, wie vorher in Figur 2 gezeigt worden ist.
Bei dem bis Jetzt beschriebenen Aufbau wird eine Hochspannung intermittierend quer zu den Elektroden 4, 5 angelegt, wobei die Zündkerze mit kreisförmiger Entladung 1 auf dem Zylinderkopf der Verbrennungskraftmaschine angebracht ist. Die Hochspannung induziert wiederholt die Funkenentladung zwischen der Innenwand 4a der Masseelektrode 4 und der Edelmetallspitze 13, die auf dem brennraumseitigen Ende 12 der Metallsäule 11 vorgesehen ist.
Wie vorher in den Figuren 2 und 4a gezeigt worden ist, nimmt die Platinkomponente der Spitze 13, bei der das gesteigerte Vorkommen von Funkenentladungen auftritt, zu, während die Platinkomponente der Spitze 13, bei der weniger Funkenentladungen auftreten, abnimmt. Das heißt, eine gesteigerte Menge der Platinkomponente der Spitze 13 ist in einem Abschnitt zu finden, der einer oberen Begrenzung des brennraumseitigen Endes 12 der Metallsäule 11 entspricht. Und umgekehrt liegt eine verringerte Menge der Platinkomponente der Spitze 13 in einem Abschnitt vor, der einer unteren Begrenzung des brennraumseitigen Endes 12 der Metallsäule 11 entspricht.
Durch die wiederholten Zyklen der Funkenentladungen zwischen der Innenwand 4a der Masseelektrode 4 und der Edelmetallspitze 13 durch Ausdehnen des Gebrauchs der Zündkerze 1 mit kreisförmiger Entladung bewirken die wiederholten Funkenentladungen die Erosion der Innenwand 4a der Masseelektrode 4 und der Edelmetallspitze 13, die an dem brennraumseitigen Ende 12 der Metallsäule 11 vorgesehen ist. Die Funkenerosion der Spitze 13 hängt von der Platinkomponente und dem Vorkommen der Funkenentladungen ab, denen die Spitze 13 ausgesetzt ist. Das bedeutet, daß es keinen signifikanten Unterschied zwischen der Funkenerosion des Spitzenabschnitts, der dem gesteigerten Vorkommen von Funkenentladungen ausgesetzt ist und die größere Platinkomponente aufweist, und der Funkenerosion des Spitzenabschnitts gibt, der dem verringerten Vorkommen von Funkenentladungen ausgesetzt ist und die kleinere Platinkomponente aufweist. Die erodierte Schicht der Spitze 13 wird einheitlich über das gesamte brennraumseitige Ende 12 der Metallsäule 11 zurückgehalten, wenn die Lebensdauer der Zündkerze 1 mit kreisförmiger Entladung erschöpft ist.
Wie oben beschrieben worden ist, wird die Spitze 13 über das gesamte brennraumseitige Ende 12 der Metallsäule 11 einheitlich erodiert, wenn eine wiederholte Funkenentladung zwischen der Innenwand 4a der Masseelektrode 4 und der Edelmetallspitze 13, die an dem brennraumseitigen Ende 12 der Metallsäule 11 vorgesehen ist, induziert wird. Dadurch wird es möglich, die Menge der teuren Platinkomponente zu verringern, die an dem Spitzenabschnitt verwendet wird, der dem verringerten Auftreten der Funkenentladungen ausgesetzt ist, ohne daß nachteiligerweise die Funkenerosionsbeständigkeitseigenschaft verlorengeht. Dadurch erhält man eine lange Lebensdauer der Zündkerze bei einem minimalen Verbrauch des teuren Platins, wodurch die Herstellungskosten beträchtlich verringert werden, wenn dies in der industriellen Anwendung auf eine Massenproduktion umgesetzt wird.
Wie vorher in Fig. 2 gezeigt worden ist, beträgt die größte Menge der Platinkomponente der Spitze 13 außerdem etwa 85 Gew.-%, während die geringste Menge der Platinkomponente der Spitze 13 bei etwa 70 Gew.-% liegt. Daraus läßt sich folgern, daß ein Unterschied zwischen den oberen und unteren Grenzen der Platinkomponente bei etwa 15 Gew.-% liegt. Dadurch wird eine gute Funkenerosionsbeständigkeitseigenschaft des Spitzenabschnitts aufrechterhalten, der einem verringerten Auftreten der Funkenentladungen ausgesetzt ist. Es ist möglich, die oben genannten Vorteile in zufriedenstellender Weise aufrechtzuerhalten, indem der Unterschied von 15 Gew.-% zwischen den oberen und unteren Grenzen der Platinkomponente der Spitze 13 gewährleistet wird.
Außerdem ändert sich die Platinkomponente der Spitze 13 in der axialen Richtung der Metallsäule 11, und somit wird eine Wärmebeanspruchung verstreut, die ansonsten aufgrund der wiederholten Hitze- und Kältezyklen lokal auf die Spitze 13 einwirken würden, während die Zündkerze 1 mit kreisförmiger Entladung in Betrieb ist. Durch diese Anordnung wird auch der Wärmeausdehnungsunterschied zwischen der Spitze 13 und der Metallsäule 11 verringert, und somit wird die Wärmebeanspruchung selber herabgesetzt. Dadurch wird es möglich effektiv zu verhindern, daß sich Risse an der Übergangsstelle zwischen der Spitze 13 und der Metallsäule 11 ausbilden, und es wird verhindert, daß die Spitze 13 versehentlich von der Metallsäule 11 abfällt.
Fig. 5 ist eine graphische Darstellung, die zeigt, wie sich die Platinkomponente in Abhängigkeit von der Lage auf der Spitze 13 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung ändert.
Bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung befindet sich eine erhöhte Menge der Platinkomponente der Spitze 13 in einem Abschnitt, der einer oberen Begrenzung des brennraumseitigen Endes 12 der Metallsäule 11 entspricht. Eine kleiner werdende Menge der Platinkomponente der Spitze 13 befindet sich in einem Abschnitt, der einer unteren Begrenzung des brennraumseitigen Endes 12 der Metallsäule 11 entspricht. Die Platinkomponente der Spitze 13 ist so ausgelegt, daß sie sich zwischen den Abschnitten, die den oberen und unteren Grenzen des brennraumseitigen Endes 12 der Metallsäule 11 entsprechen, schlagartig ändert. Dies wird wiederum durch die Steuerung der Intensität des Laserstrahls beim Schweißen erreicht.
Die größte Menge der Platinkomponente der Spitze 13 beträgt etwa 83 Gew.-%, während die kleinste Menge der Platinkomponente der Spitze 13 etwa 71 Gew.-% aufweist. Daraus ergibt sich, daß der Unterschied zwischen den oberen und unteren Grenzwerten der Platinkomponente bei etwa 12 Gew.-% liegt. Diese Anordnung macht es möglich, die gleichen Vorteile zu gewährleisten wie sie bei dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung erzielt worden sind, da der Unterschied zwischen den oberen und unteren Begrenzungen der Platinkomponente bei 10 Gew.-% oder mehr liegt.
Es sei angemerkt, daß die Edelmetallspitze 13 in einer Zündkerze mit vollkriechender Entladung verwendet werden kann.
Figur 6 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem eine Zündkerze 22 mit Mehrfachpolarität mit gepaarten Masseelektroden 21 verwendet wird, die sich in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine erstrecken. Die Edelmetallspitze 13 ist an der Metallsäule 11 der Mittelelektrode 5 in der gleichen Art und Weise angeschweißt, wie dies bei dem ersten oder dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben worden ist.
Die Fig. 7 bis 9 zeigen ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung, das bei einer Zündkerze 24 mit halbkriechender Entladung verwendet wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Entladungsstrecke (Ga) vorgesehen, die zwischen einer vorderen Endfläche 5a der Mittelelektrode 5 und einem Entladungsende 23a der Masseelektrode 23 entlang einer vorderen Endfläche 2a des Isolators 2 kriecht. Ein Luftspalt (Gb) ist zwischen dem Entladungsende 23a der Masseelektrode 23 und einer Außenfläche 3b des Isolators 3 vorgesehen.
Die Edelmetallegierungsspitze 13 ist aus korrosions- und erosionsbeständigem Platin (Pt) oder aus einer korrosions- und erosionsbeständigen Platinlegierung, die Ni und Ir enthält, hergestellt und zu einer ringförmigen Konfiguration ausgebildet, wie dies in den Fig. 3a bis 3c gezeigt ist. Aufgrund eines Experiments, das durchgeführt worden ist, um vorher das Auftreten von Funkenentladungen zu messen, denen die Spitze 13 ausgesetzt ist, ist die Edelmetallkomponente der Spitze 13 so ausgelegt, daß sie sich gemäß einer axialen Lage der länglichen Metallsäule 11 basierend auf dem Vorkommen der Funkenentladungen ändert, denen ein bestimmter Bereich der Spitze 13 ausgesetzt ist. Folglich steigt der Platinbestandteil der Spitze 13 an, wenn das Auftreten der Funkenentladungen ansteigt, wie in Fig. 2 mit dem Bezugszeichen 16 angedeutet ist (die obere Begrenzung). Umgekehrt nimmt die Platinkomponente der Spitze 13 ab, bei der das Auftreten der Funkenentladungen abnimmt, wie in Fig. 2 mit Bezugszeichen 17 gezeigt ist (die untere Begrenzung).
In der Edelmetallspitze 13, die an dem brennraumseitigen Ende 12 der Metallsäule 11 in der Zündkerze 24 mit halbkriechender Entladung angeschweißt ist, wird die Platinkomponente der Spitze 13, an der das zunehmende Vorkommen der Funkenentladungen stattfindet, größer, während die Platinkomponente der Spitze 13, bei der das geringer werdende Vorkommen der Funkenentladungen auftritt, abnimmt. Das heißt also, daß eine erhöhte Menge der Platinkomponente der Spitze 13 in einem Abschnitt 25 vorliegt, der einem zentralen Bereich des brennraumseitigen Endes 12 der Metallsäule 11 entspricht. Umgekehrt befindet sich eine verringerte Menge der Platinkomponente der Spitze 13 in den Abschnitten 26, 27, die den oberen und unteren Begrenzungen des brennraumseitigen Endes 12 der Metallsäule 11 entsprechen. Dies wird auf die gleiche Art und Weise erzielt wie vorher.
In diesem Fall beträgt die größte Menge der Platinkomponente der Spitze 13 etwa 86 Gew.-%, während die kleinste Menge des Platinkomponente der Spitze 13 etwa 72 Gew.-% beträgt. Daraus ergibt sich ein Unterschied zwischen den oberen und unteren Begrenzungen des Platinkomponente, der bei etwa 14 Gew.-% liegt.
Fig. 10 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei der eine Iridium-(Ir)-Schicht 30 oder eine Schicht 30 auf der Basis einer Iridiumlegierung (Ir-Y&sub2;O&sub3;, Ir-La&sub2;O&sub3;, Ir-ZrO&sub2;) an einer vorderen Endfläche 29a einer Mittelelektrode 29 mit Hilfe von Laserschweißen, elektrischem Widerstandsschweißen oder dergleichen befestigt wird.
Bei einer Zündkerze 28 nach dem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine korrosions- und erosionsbeständige Platinlegierungsspitze 33 an einem brennraumseitigen Ende 32 einer Masseelektrode 31 mit Hilfe des Laserschweißverfahrens (in gleicher Weise wie bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen) oder durch elektrisches Widerstandsschweißen, z.B. in eine Aussparung hinein, oder durch eine Kombination der beiden befestigt. Das kann durchgeführt werden, bevor oder nachdem diese in eine L-Form gebracht und an dem Zündkerzengehäuse angebracht wird. Die Mittelelektrode 29 weist einen wärmeleitenden Kern 34 auf, der von einer Metallsäule 36 umhüllt ist, während die Masseelektrode 31 einen wärmeleitenden Kern 35 aufweist, der von einem säulenförmigen Metall 37 umhüllt ist.
Wie aus der vorhergehenden Beschreibung deutlich wird, ändert sich die Edelmetallkomponente der Spitze in Abhängigkeit von der Größenordnung der Funkenentladungen, denen der Spitzenabschnitt ausgesetzt ist. Somit wird die erodierte Schicht der Spitze einheitlich über das gesamte brennraumseitige Ende 12 der Metallsäule 11 zurückgehalten, wenn die Lebensdauer der Zündkerze erschöpft ist. Dadurch wird es möglich, die Menge der teuren Platinkomponente zu reduzieren, die an dem Spitzenabschnitt verwendet wird, der dem verringerten Vorkommen der Funkenentladungen ausgesetzt ist, ohne daß unvorteilhafterweise die Funkenerosionsbeständigkeitseigenschaft verlorengeht. Dadurch wird eine lange Lebensdauer der Zündkerze bei einer minimalen Verwendung des teuren Platins erzielt, wodurch die Herstellungskosten beträchtlich verringert werden, wenn dies in der industriellen Anwendung auf eine Massenproduktion umgesetzt wird.
Es sei angemerkt, daß die Spitze anstatt aus dem Platinmetall, das an der Edelmetallspitze 13 gemäß den Ausführungsbeispielen der Erfindung verwendet wurde, aus Gold, Palladium, Iridium, Rhodium oder dergleichen hergestellt werden kann.
Es sei auch angemerkt, daß die Masseelektrode 4 getrennt hergestellt werden kann, wobei ihre Funkenerosion berücksichtigt wird, anstatt daß sie einstückig mit dem Metallgehäuse 3 wie beim ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung hergestellt wird.
Es ist anzumerken, daß die Edelmetallspitze beim ersten bis zum vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung an einem brennraumseitigen Ende der Masseelektrode verwendet werden kann.
Es ist auch anzumerken, daß anstatt der Edelmetallschicht 30 die Edelmetallspitze 33 an der vorderen Endfläche 29a der Mittelelektrode 29 verwendet werden kann.
Es ist selbstverständlich, daß die Platinkomponente der Spitze 13 in ihrer axialen Richtung gemäß einem Funkenerosionsmuster, das bei einem Testergebnis vorherbestimmt worden ist, bei dem die Edelmetallspitze in dem ersten, zweiten und vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung tatsächlich erodiert worden ist, geändert werden kann.
Es ist auch selbstverständlich, daß die Platinkomponente der Spitze 13, die an der Masseelektrode angeschweißt ist, in ihrer radialen Richtung in Abhängigkeit von der Funkenerosion eines brennraumseitigen Abschnitts der Masseleektrode geändert werden kann.
Außerdem ist anzumerken, daß eine Edelmetallspitze vorher hergestellt werden kann, bei der die Platinkomponente in ihrer axialen Richtung in Abhängigkeit von der Größe der Funkenentladungen geändert wird, denen der Spitzenabschnitt unterworfen wird, und danach kann die Spitze an dem brennraumseitigen Ende 12 der Metallsäule 11 der Mittelelektrode 5 durch elektrisches Widerstandsschweißen oder dergleichen befestigt werden.
Die Erfindung ist zwar unter Bezugnahme auf die speziellen Ausführungsbeispiele beschrieben worden, aber es ist selbstverständlich, daß diese Beschreibung nicht in einem einschränkenden Sinne aufgebaut worden ist, so daß verschiedene Modifikationen und Erweiterungen der speziellen Ausführungsbeispiele von einem Fachmann durchgeführt werden können, ohne daß vom Rahmen der Erfindung abgewichen wird, wie sie in den anhängenden Ansprüchen definiert ist.

Claims

1. Zündkerzenelektrode mit einer legierten Spitze (13), die an einem brennraumseitigen Ende (14) mindestens einer der gegenüberliegenden Elektroden befestigt ist, um einen Elektrodenabstand zwischen der entgegengesetzten Fläche der Spitze und der Jeweils entgegengesetzten Elektrode zu bilden, wobei die Spitze (13) ein funkenerosionsbeständiges Edelmetall umfaßt, wobei der Edelmetallgehalt der Spitze in einer axialen Richtung dieser einen Elektrode (6) schwankt, dadurch gekennzeichnet, daß der Edelmetallgehalt in einer Richtung parallel zu der entgegengesetzten Oberfläche der Spitze in Abhängigkeit von dem Betrag der Funkenbildung schwankt, dem dieser Abschnitt der Spitze (13) ausgesetzt werden soll, so daß der größte Gewichtsprozentsatz des Edelmetallgehalts an Abschnitten der Spitze vorgesehen ist, die einem relativ hohen Betrag an Funkenbildung ausgesetzt werden, und wobei der kleinste Gewichtsprozentsatz des Edelmetallgehalts an Abschnitten der Spitze vorgesehen ist, die einem relativ niedrigen Betrag an Funkenbildung ausgesetzt werden.

2. Zündkerzenelektrode nach Anspruch 1, bei der der Edelmetallgehalt in Abhängigkeit von einer Menge der Funkenerosion variiert, der dieser Abschnitt der Spitze (13) ausgesetzt werden soll.

3. Zündkerzenelektrode nach Anspruch 1, bei der der Edelmetallgehalt in Abhängigkeit von der Größe der Funkenentladungen variiert, der dieser Abschnitt der Spitze (13) ausgesetzt werden soll.

4. Zündkerzenelektrode nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei der der Unterschied zwischen dem größten und dem kleinsten Gewichtsprozentsatz des Edelmetallgehalts der Spitze bei 10 Gew.% oder mehr liegt.

5. Zündkerzenelektrode nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, bei der die Spitze (13) Platin oder eine Legierung auf Platinbasis, die Nickel und Iridium enthält, Iridium oder eine Legierung auf Iridiumbasis, die Y&sub2;O&sub3;, La&sub2;O&sub3; und ZrO&sub2; enthält, umfaßt.

6. Zündkerzenelektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Elektrode (5) eine Metallumhüllung (14) und einen wärmeleitenden Kern (115) aufweist, der konzentrisch in der Umhüllung (14) eingebettet ist.

7. Zündkerzenelektrode nach Anspruch 6, bei der das Umhüllungsmetall (14) aus einer korrosions- und erosionsbeständigen Nickellegierung hergestellt ist, die 15 Gew.-% Cr und 8 Gew.-% Fe enthält, und bei der der hitzebeständige Kern (15) aus Silber oder Kupfer hergestellt ist.

8. Zündkerze mit einer Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

9. Zündkerze nach Anspruch 8, bei der die Elektrode eine Mittelelektrode der Zündkerze ist.

10. Zündkerze nach Anspruch 8 oder 9, bei der die Spitze (13) an einer Masseelektrode vorgesehen ist.