DE69502385T2

DE69502385T2 - Zündkerze mit feindrahtnietenzündspitzen und seine herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE69502385T2
Application number: DE69502385T
Authority: DE
Inventors: William Barrett; David Moore; Thomas Painter
Original assignee: AlliedSignal Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 1994-03-17
Filing date: 1995-03-09
Publication date: 1998-10-01
Anticipated expiration: 2015-03-10
Also published as: EP0750801B1; EP0750801A1; DE69502385D1; WO1995025372A1; US5456624A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zündkerze für einen Verbrennungsmotor und ein Verfahren zur Herstellung derartiger Zündkerzen.
Zündkerzen sind bei einem Verbrennungsmotor eine kritische Komponente zur Gewährleistung einer ordnungsgemäßen Motorleistung. Zündkerzen enthalten ein Metallgehäuse, das zur Installation in dem Motor ein Gewinde aufweist, eine sich von dem Gehäuse erstreckende Masseelektrode, einen von dem Gehäuse getragenen Isolator (der gewöhnlich aus einem keramischen Material hergestellt ist) und eine Mittelelektrode innerhalb des Isolators, von der ein Ende von dem Ende des Isolators vorragt und mit der Masseelektrode einen vorbestimmten Abstand definiert. Beim Zünden der Zündkerze wird der Funken quer über den Abstand erzeugt. In jüngerer Zeit sind Zündkerzen, wie sie aus der französischen Patentschrift 1,037,281 bekannt sind, mit einer Feindrahtspitze aus einem Edelmetall (Platin oder einer Platinlegierung) ausgeführt worden, wodurch die Motorleistung erheblich verbessert und die Lebensdauer der Zündkerze bedeutend verlängert wurde. Platinfeindrahtzündkerzen haben eine Lebensdauer von 160 000 Kilometer (100 000 Meilen), verbessern den Kaltstart, die Beschleunigung und die Kraftstoffeinsparung des Motors im Vergleich zu herkömmlichen Zündkerzen ohne Platinzündspitze. Der extrem feine Draht an der Zündspitze der Zündkerze (der im allgemeinen einen Durchmesser von 0,635 - 0,889 mm (0,025 - 0,35 Zoll) aufweist) konzentriert die zur Zündung der Zündkerze verwendete elektrische Energie, wodurch der Funkenwirkungsgrad verbessert wird. Die Zündkerze nach der französischen Patentschrift Nr. 1,037,281 weist eine Spitze in Form eines Niets auf, dessen Kopf durch Hindurchführen des Schafts durch eine Bohrung in einer speziell geformten an der Mittelelektrode befestigten Hülse festgehalten wird. Dann wird der Schaft festgenietet.
Aus der europäischen Patentanmeldung Nr. 171994 ist eine Feindrahtzündkerze mit einer Platinspitze nach dem Stand der Technik bekannt. Diese Schrift offenbart eine Zündkerze mit Platinspitze, bei der die Platinspitze durch Verschweißen einer Platindrahtlänge mit der Elektrode durch Widerstandsschweißen an dem Ende der Mittelelektrode angebracht wird. Bei diesem Verfahren ist es jedoch schwierig, die verwendete Materialmenge zu kontrollieren. Da Platin sehr teuer ist, ist es wesentlich, daß die Platinmenge minimiert und genau kontrolliert wird. Ein weiteres Problem bei diesem Verfahren nach dem Stand der Technik besteht darin, daß der Anfangskontakt zwischen dem Platindraht und der Mittelelektrode über den gesamten Durchmesser des Platindrahts verläuft.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung einer Zündkerze bereitgestellt, die eine Mittelelektrode mit einer Feindrahtspitze aus einem Edelmetall, die sich von einem Ende der Mittelelektrode erstreckt, aufweist, wobei die Feindrahtspitze durch Schneiden eines Drahtes aus dem Edelmetall auf eine vorbestimmte Länge, Formen der Drahtlänge zu einem Niet mit einem Kopf, Formen der Mittelelektrode aus einem von dem Edelmetall verschiedenen Material und Befestigen des Niets an einem Ende der Elektrode hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Niet durch Verschweißen des Nietkopfs mit einem Ende der Mittelelektrode befestigt wird, indem der Nietkopf mit dem einen Ende zu Anfang an im wesentlichen einem einzigen Punkt in Eingriff gebracht wird, während der Schweißschritt eingeleitet wird.
Da die Zündspitze für jede Zündkerze als der Niet vorgeformt wird, kann die bei jeder Zündspitze verwendete Materialmenge sehr genau kontrolliert werden. Des weiteren nimmt der Nietkopf die Mittelelektrode zu Anfang während des Schweißprozesses an einem Punkt in Eingriff, wodurch der Schweißwirkungsgrad verbessert wird, wie oben beschrieben.
Diese und andere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen aus der folgenden Beschreibung ersichtlich;
es zeigen:
Figur 1 eine teilweise als Schnitt ausgeführte Teilansicht einer Zündkerze, die gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde;
Figur 2 eine Querschnittsansicht der in der in Figur 1 dargestellten Zündkerze verwendeten Mittelelektrode;
Figur 3 eine vergrößerte Ansicht des Niets, der zur Befestigung an der Mittelelektrode nach Figur 2 vorgeformt ist;
Figur 4 ein Ablaufschema, das das Verfahren, mittels dessen die Zündspitze aus Edelmetall geformt und an der Mittelelektrode nach Figur 2 befestigt wird, darstellt;
Figur 5 eine schematische Darstellung einer Widerstandsschweißmaschine mit einer Zündspitze der Nietkonfiguration gemäß der vorliegenden Erfindung und der Mittelelektrode, die in den Positionen dargestellt werden, die sie einnehmen, bevor der Niet in Schweißkontakt mit der Elektrode gebracht wird; und
Figuren 6 und 7 perspektivische Ansichten, die jeweils eine alternative Konfiguration des in der in Figur 1 dargestellten Zündkerze verwendeten Niets darstellen.
In folgenden auf die Zeichnungen Bezug nehmend, enthält eine allgemein durch die Zahl 10 bezeichnete Zündkerze ein ringförmiges Metallgehäuse 12, das wie bei 14 ein Gewinde zur Installation in einem (nicht gezeigten) Verbrennungsmotor aufweist. Von dem Gehäuse 12 erstreckt sich eine Masseelektrode 16 zur Definierung eines Zündabstands mit einer Mittelelektrode 22. Die Mittelelektrode 22 enthält einen Niet 18 aus Edelmetall, der an der Stirnfläche 20 eines Außenmantels 24 befestigt ist, welcher von einem Isolator 25 vorragt, der in dem Gehäuse 12 angebracht ist. Auf Figur 2 Bezug nehmend, enthält die Mittelelektrode 22 den Außenmantel 24, der einen Kupferkern 26 aufnimmt. Der Außenmantel 22 schließt in einem Endabschnitt mit einem verengten Teil 28 ab, der in der Stirnfläche 20 abschließt.
Im folgenden auf Figur 3 Bezug nehmend, enthält der Niet 18 einen Schaftteil, 30 und einen Kopf 32. Der Schaftteil 30 erstreckt sich von einer im wesentlichen flachen Seite 34 des Kopfs 32. Bei der anderen Seite des Kopfs 32 handelt es sich um eine durchgehend gekrümmte, kugelförmige Fläche 36. Demgemäß ist der Kopf 32 im wesentlichen halbrund, und die kugelförmige Fläche 36 schneidet die Fläche 34 an einem Kreis, dessen Radius im wesentlichen gleich dem Radius der kugelförmigen Fläche 36 ist. Wie oben erläutert, ist der Niet 18 aus einem Edelmetall, wie zum Beispiel Platin oder einer Platinlegierung, hergestellt. Zum Beispiel kann der Niet 18 aus einem oxiddispersionsgehärteten Platin bestehen, das von Englehard Industries, Inc. im Handel erhältlich ist. Diese Legierung enthält geringe Mengen (weniger als 2%). an Yttriumoxid, das zur Stabilisierung der Platinkörner bei erhöhten Temperaturen hinzugefügt wird. Es können verschiedene andere Iridium/Platin-Legierungen verwendet werden, bei denen der Iridiumanteil ca. 5 Vol % bis ca. 20 Vol.-% und der Platinanteil 95 Vol.-% bis 80 Vol.-% beträgt. Schließlich können Nickel/Platin- Legierungen verwendet werden, bei denen der Nickelanteil Vol.-% bis 50 Vol.-% und der Platinanteil 95 Vol.-% bis 50 Vol.-% beträgt. Wie im folgenden erläutert, wird der Niet 18 aus einer Drahtlänge mit einem vorbestimmten Durchmesser hergestellt, so daß der Durchmesser des Schafts 30 des fertigen Niets 18 gleich dem Durchmesser des Drahts ist, aus dem der Niet hergestellt wird. Vorzugsweise beträgt der Durchmesser des Schafts 30 0,787 mm (0,031 Zoll), es sind aber verschiedene Durchmesser von 0,635 bis 0,889 mm (0,025 Zoll bis 0,035 Zoll) verwendet worden. Die Länge des Schafts 30 liegt in einem Bereich von 0,635 bis 1,016 mm (0,025 Zoll bis 0,040 Zoll).
Im folgenden auf die alternativen Nietkonfigurationen der Figuren 6 und 7 Bezug nehmend, behalten Elemente, die denen der bevorzugten Ausführungsform entsprechen oder im wesentlichen entsprechen, das gleiche Bezugszeichen, sind jedoch um 100 bzw. 200 erhöht. In Figur 6 ist ein Niet 118 dargestellt, der dem Niet 18 nach Figur 3 ähnelt, bei dem jedoch der Kopf 132 als konische Fläche 158, die in einem Scheitel 160 abschließt, ausgebildet ist. In Figur 7 ist ein Niet 218 dargestellt, der den Nieten 18 und 118 nach den Figuren 3 und 6 ähnelt, bei dem jedoch der Kopf 232 als pyramidenförmige Fläche ausgebildet ist, die aus vier dreieckigen Flchen 262 besteht, die in einem Scheitel 264 zusammenlaufen. Wie im folgenden erläutert, ist es wichtig, daß beim Verschweißen des Niets 18, 118 oder 218 mit der Mittelelektrode 22 der Anfangskontakt zwischen dem Niet und der Elektrode in im wesentlichen einem einzigen Punkt erfolgt und dadurch die elektrische Schweißenergie konzentriert wird, um eine ordnungsgemäße und effiziente Schweißung zu gewährleisten. Der konische Nietkopf 118 und der pyramidenförmige Nietkopf 218 nehmen die Mittelelektrode zu Anfang an ihrem Scheitel 160 oder 264 in Eingriff, wodurch Punktkontakt gewährleistet wird. Bei der bevorzugten Ausführungsform nach Figur 3 nimmt jeder Punkt an der kugelförmigen Fläche 36 zu Anfang die Mittelelektrode 22 an einem Punktkontakt in Eingriff.
Im folgenden auf Figur 4 Bezug nehmend, wird das Verfahren, mittels dessen die Mittelelektrode 22 geformt wird, beschrieben. Wie bei 38 angedeutet, wird eine Länge eines aus Platin oder einer der oben erwähnten Platinlegierungen hergestellten Drahtes auf eine vorbestimmte Länge geschnitten. Wie bei 40 angedeutet, wird dann das Schaftende 30 des Niets fertigbearbeitet und geformt, und, wie bei 42 angedeutet, wird der Kopf des Niets geformt. Der Kopf wird in einer herkömmlichen Hochgeschwindigkeitskugelformvorrichtung geformt, und der allgemeine Prozeß ist einem Fachmann vertraut. Dann wird die Mittelelektrode 22 geformt, wie bei 44 angedeutet. Das Formen der Mittelelektrode 22 kann wie in US-Patent 4,705,486 beschrieben erfolgen.
Wie bei 46 angedeutet, werden die Elektrode 22 und der Niet 18 in den unteren Schweißkopf 48 bzw. den oberen Schweißkopf 50 (wie in Figur 5 schematisch dargestellt) einer herkömmlichen Widerstandsschweißmaschine geklemmt, bei der der obere Schweißkopf 50 bezüglich des unteren Schweißkopfs 48 beweglich ist. Dann wird der obere Schweißkopf 50 in Richtung des unteren Schweißkopfs 48 bewegt, bis die kugelförmige Fläche 36 einen Anfangspunktkontakt mit der Stirnfläche der Elektrode 22 herstellt, wie in Figur 4 bei 52 angedeutet. Dann wird an die Teile 18, 22 ein elektrischer Strom angelegt, der zwischen 500 bis 1000 A variiert, und der obere Schweißkopf 50 zwängt das Teil 22 gegen den Niet 18 mit einer Kraft, die von ca. 4,54 kg bis ca. 13,62 kg (10 bis ca. 30 lb) variiert. Dieser Schweißvorgang erzeugt ein Zusammenschmelzen des Edelmetalls des Niets 18 und des Mantels 24 an der Schweißgrenzfläche. Die Fläche 36 dringt in die Fläche 20 mit einer Tiefe ein, die durch Variieren des Stroms und der zwischen den beiden Teilen während des Anlegens des Stroms ausgeübten Kraft kontrolliert wird, und die kugelförmige Fläche 36 wird in einer Tiefe von ca. 0,1524 bis 0,3048 mm (0,006 Zoll bis ca. 0,012 Zoll) in den Mantel eingebettet, wodurch das Material des Mantels 24, das durch den Kopf 32 verschoben wird, dazu gezwängt wird, um die kugelförmige Fläche 36 herum zu fließen und den Niet aufzunehmen. Dann wird das fertige Teil aus der Schweißmaschine genommen, wie in Figur 4 bei 56 angedeutet.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer Zündkerze (10), die eine Mittelelektrode (22) mit einer Feindrahtspitze aus einem Edelmetall, die sich von einem Ende (20) der Mittelelektrode (22) erstreckt, aufweist, wobei die Feindrahtspitze durch Schneiden (38) eines Drahtes aus dem Edelmetall auf eine vorbestimmte Länge, Formen (40, 42) der Drahtlänge zu einem Niet (18, 118, 218) mit einem Kopf (32, 132, 232), Formen der Mittelelektrode aus einem von dem Edelmetall verschiedenen Material und Befestigen des Niets an einem Ende der Elektrode hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Niet durch Verschweißen (54) des Nietkopfs (32, 132, 232) mit einem Ende (20) der Mittelelektrode (22) befestigt wird, indem der Nietkopf (32, 132, 232) mit dem einen Ende (20) zu Anfang an im wesentlichen einem einzigen Punkt (52, 160, 264) in Eingriff gebracht wird, während der Schweißschritt (54) eingeleitet wird.

2. Verfahren zur Herstellung einer Zündkerze (10) nach Anspruch 1, bei dem der Niet (18, 118, 218) einen Schaft (30) und einen Kopf (32) aufweist und der Schritt des Formens (40, 42) des Drahtes zu einem Niet (18, 118, 218) den Schritt des Formens des Kopfs (32, 132, 232) mit einem Durchmesser, der größer ist als der Durchmesser des Drahts, umfaßt, wobei der Kopf (32, 132, 232) eine Eingriffsfläche (36) zum Eingriff mit der Mittelelektrode (22) aufweist und wobei sich ein Teil des Drahtes so von dem Kopf (32, 132, 232) erstreckt, daß er den Schaft (30, 132, 132) des Niets definiert.

3. Verfahren zur Herstellung einer Zündkerze (10) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Schritt des Formens (40, 42) des Drahts zu dem Niet (18) den Schritt des Formens eines Kopfs (32) mit einer kugelförmigen Fläche (36) zum Eingriff mit der Mittelelektrode (22) umfaßt.

4. Verfahren zur Herstellung einer Zündkerze (10) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Schritt des Formens (40, 42) des Drahts zu einem Niet (118) den Schritt des Formens eines Kopf 5 (132) mit einer konischen Fläche (158), die in einem Scheitel (160) abschließt, und Ineingriffbringens des Scheitels (160) mit der Mittelelektrode (22) beim Verschweißen umfaßt.

5. Verfahren zur Herstellung einer Zündkerze (10) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Schritt des Formens (40, 42) des Drahts zu einem Niet (218) den Schritt des Formens eines Kopfs (232) mit einer pyramidenförmigen Fläche (262), die in einem Scheitel (264) abschließt, und Ineingriffbringens des Scheitels (264) mit der Mittelelektrode (22) beim Verschweißen umfaßt.

6. Verfahren zur Herstellung einer Zündkerze (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Schritt des Verschweißens (54) des Niets (18, 118, 218) mit der Elektrode (22) durch Widerstandsschweißen erfolgt, das durch Plazieren (46) der Mittelelektrode (22) und des Niets (18, 118, 218) in einem oberen (50) und unteren (48) Schweißkopf, Ineingriffbringen des Niets (18, 118, 218) mit der Mittelelektrode (22) und Bewirken, daß ein elektrischer Strom vorbestimmter Stromstärke durch die Mittelelektrode (22) und den Niet (18, 118, 218) fließt, während der Niet (18, 118, 218) und die Mitteielektrode (22) in Kontakt miteinander gehalten werden, ausgeführt wird.

7. Verfahren zur Herstellung einer Zündkerze (10) nach Anspruch 6, bei dem der Schritt des Verschweißens (54) des Niets (18, 118, 218) mit der Elektrode (22) den Schritt des Zwängens der Mittelelektrode (22) und des Niets (18, 118, 218) aneinander mit einer vorbestimmten Kraft, während bewirkt wird, daß der Strom sowohl durch den Niet (18, 118, 218) als auch die Mittelelektrode (22) fließt, umfaßt.