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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf eine Zündkerze
mit einer edelmetallischen Zündspitze,
die auf der Oberfläche
einer Zentralelektrode oder einer geerdeten Elektrode bereitgestellt
ist, wobei sie bevorzugt in einem Verbrennungsmotor installiert
ist.
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Um die Lebensdauer zu verlängern und
zudem die Leistung der Zündkerze
für einen
Verbrennungsmotor zu verbessern, wird bevorzugt eine Pt-Legierung
als ein Material für
die Zentralelektrode und/oder die geerdete Elektrode verwendet,
die zusammenwirkend eine elektrische Entladung verursachen.
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Mit Blick auf die kürzlichen
Strömungen
hinsichtlich Abgasreinigung und Verfahren zur mageren Verbrennung
ist es wünschenswert,
von jeder Elektrode den Durchmesser zu verringern und zudem die
axiale Länge
zu vergrößern, um
die Zündfähigkeit
zu verbessern.
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Allerdings unterliegen die Zündelektroden
aus Ni-Legierung bei der Benutzung einer Ermüdung oder einer Abnutzung,
wenn sie im Durchmesser verringert und in der axialen Länge vergrößert werden.
Dies wird unerwünschterweise
den Zündspalt
zwischen den Zündelektroden
aus Ni-Legierung vergrößern, was
die Zündfähigkeit
signifikant verschlechtert.
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Um dieses Problem zu lösen, ist
es effektiv, eine edelmetallische Zündspitze auf wenigstens einer gegenüberstehenden
Oberfläche
der Zentralelektrode und der geerdeten Elektrode bereitzustellen.
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Das Verbinden der edelmetallischen
Zündspitze
mit dem Elektrodenelement wird zum Beispiel durch Laserschweißen durchgeführt.
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Die ungeprüfte Japanische Patentanmeldung
Nr. Kokai 6-36856 offenbart eine Zündkerze, die unter Verwendung
des Laserschweißens
hergestellt wird.
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Gemäß dieses Stands der Technik
umfasst die Zündkerze
ein Elektrodengrundelement mit einem Stababschnitt, der einen kleineren
Durchmesser hat. Eine edelmetallische Zündspitze, die im Durchmesser
mit dem Stababschnitt mit dem kleineren Durchmesser übereinstimmt,
wird oben auf mit dem Stababschnitt mit dem kleineren Durchmesser
durch Laserschweißen
verbunden. Eine verschmolzene Verbindungsschicht, in der das Elektrodengrundelement
und die edelmetallische Zündspitze
miteinander verschmolzen und dann gehärtet werden, wird zwischen
dem Elektrodengrundelement und der edelmetallischen Zündspitze
gebildet.
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Die 11A, 11B und 11C zeigen die detaillierten Schritte
des Verbindens der edelmetallischen Zündspitze mit dem Elektrodenelement.
Wie in den 11A und 11B gezeigt, wird zuerst
eine edelmetallische Zündspitze 3 auf
eine obere Oberfläche 911 eines
Stababschnitts 91 mit kleinerem Durchmesser eines Elektrodengrundelements 9 aufgesetzt.
Dann werden die edelmetallische Zündspitze 3 und das
Elektrodengrundelement 9 unter Verwendung eines Laserstrahls 5 verbunden,
der wie in 11C gezeigt
entlang ihrer gesamten umlaufenden Grenze 93 angewendet
wird. Indem das Laserschweißen
auf diese Weise durchgeführt wird, werden
die edelmetallische Zündspitze 3 und
das Elektrodengrundelement 9 miteinander verschmolzen.
Nach dem Beenden des Laserschweißens wird dann der verschmolzene
Abschnitt gehärtet,
um eine keilförmige
verschmolzene Verbindungsschicht 4 zu hinterlassen.
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Bei diesem Laserschweißen ist
das Elektrodengrundelement 9 aufgrund des Sputterns einem
Zerstäuben
des Grundmetalls ausgesetzt. Demgemäß wird, wie in 11C gezeigt, nahe der Bindungsgrenze
des Elektrodengrundelements ein Halsabschnitt 49 mit einem
verringerten Durchmesser gebildet.
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Die vorstehend beschriebene herkömmliche
Zündkerze
hat die folgenden Probleme.
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Unter dem Gesichtspunkt des globalen
Umweltschutzes sind die kürzlichen
Beschränkungen
der Abgasemission und der Brennstoffwirtschaftlichkeit schärfer geworden.
Um auf solche scharfen Anforderungen zu reagieren, müssen die
Zündkerzen
in ihren Leistungen hochgradig fortgeschritten sein, um die magere
Verbrennung oder andere fortschrittliche Methoden zu realisieren.
Diesbezüglich
muss die edelmetallische Zündspitze,
die an dem Abschnitt der elektrischen Entladung bereitgestellt ist,
einen kleinen Durchmesser haben.
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Unter solchen Umständen wird
das Phänomen,
dass das Laserschweißen
die radiale Größe des Elektrodengrundelements 9 wesentlich
verringert, ein nicht zu vernachlässigendes Problem, wenn die
edelmetallische Zündspitze 3 und
der Stababschnitt 91 mit kleinem Durchmesser des Elektrodengrundelements 9 in
ihren Durchmessern verkleinert werden müssen. Die folgenden sind die
Probleme, die durch die Verringerung der radialen Größe des Elektrodengrundelements 9 durch
den Laserstrahl 5 auftreten.
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Spezieller wird die in einem Verbrennungsmotor
angeordnete Zündkerze
hohen Temperaturen unterzogen werden, wenn der Verbrennungsmotor
mit hohen Geschwindigkeiten betrieben wird. In diesem Fall kann
die edelmetallische Zündspitze 3 aufgrund
eines verengten Bindungsabschnitts des Elektrodengrundelements 9,
der an die edelmetallische Zündspitze 3 angrenzt,
die empfangene Wärme
nicht problemlos an das Elektrodengrundelement 9 übertragen.
Demgemäß tritt
ein bemerkenswerter Temperaturanstieg in der edelmetallischen Zündspitze 3 auf.
Dies führt
zu einer außergewöhnlichen
Abnutzung an dem Abschnitt der elektrischen Entladung.
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Darüber hinaus ist der Stababschnitt 91 mit
kleinem Durchmesser gegenüber
hohen Temperaturen so schwach, dass er sich thermisch verformt und
dazu führt,
dass die edelmetallische Zündspitze 3 von
dem Stababschnitt 91 mit kleinem Durchmesser ab- oder herunterfällt.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Im Hinblick auf die vorstehend beschriebenen
herkömmlichen
Probleme ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Zündkerze
bereitzustellen, die in einer verschmolzenen Verbindungsschicht,
die an der Grenze zwischen der edelmetallischen Zündspitze
mit kleinem Durchmesser und dem Elektrodengrundelement gebildet
ist, eine hervorragende Festigkeit hat, was eine hohe Leistung und
lange Lebensdauer der Zündkerze
gewährleistet,
so dass sie bevorzugt für
Verbrennungsmotoren verwendbar ist.
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Die vorliegende Erfindung stellt
eine Zündkerze
für einen
Verbrennungsmotor bereit, umfassend einen Isolator mit einem Durchgangsloch,
eine Zentralelektrode, die an wenigstens einem Ende des Durchgangslochs
angeordnet ist, ein Gehäuse,
das den Isolator hält,
eine geerdete Elektrode, die auf dem Gehäuse in einer gegenüberstehenden
Beziehung zu der Zentralelektrode bereitgestellt ist, um einen Zündspalt
zwischen der Zentralelektrode und der geerdeten Elektrode zu bilden,
und eine edelmetallische Zündspitze,
die auf wenigstens einer gegenüberstehenden
Oberfläche
der Zentralelektrode und der geerdeten Elektrode gebunden ist, wobei
die edelmetallische Zündspitze
an ein Elektrodengrundelement der gegenüberstehenden Oberfläche lasergeschweißt ist,
um so eine verschmolzene Verbindungsschicht an der Grenze zwischen
der edelmetallischen Zündspitze
und dem Elektrodengrundelement zu bilden, in der die edelmetallische
Zündspitze
und das Elektrodengrundelement miteinander verschmolzen und dann
ausgehärtet
werden, wobei die verschmolzene Verbindungsschicht 40 bis 70 Gew.-%
der edelmetallischen Komponente der Zündspitze enthält und die edelmetallische
Zündspitze
einen nicht verschmolzenen Teil hat, der sich mit einer axialen
Länge „L" axial zu der verschmolzenen
Verbindungsschicht erstreckt, wobei die axiale Länge „L" als eine axiale Länge von einem Oberteil der
edelmetallischen Zündspitze
zu einem obersten Ende der verschmolzenen Verbindungsschicht, das
sich am nächsten
an der edelmetallischen Zündspitze
befindet, definiert ist, wobei 0,2 mm ≤ L ≤ 0,7 mm gilt, sich die verschmolzene
Verbindungsschicht mit einer axialen Länge „M" axial von der edelmetallischen Zündspitze
zu dem Elektrodengrundelement erstreckt, wobei die axiale Länge „M" als eine axiale
Länge von dem
obersten Ende der verschmolzenen Verbindungsschicht zu einem untersten
Ende der verschmolzenen Verbindungsschicht, das sich am nächsten an
dem Elektrodengrundelement befindet, definiert ist, wobei 0,2 mm ≤ M ≤ 0,7 mm gilt,
und die Beziehung B ≥ 1,3
A gilt, wenn „A" den Durchmesser
der edelmetallischen Zündspitze
bezeichnet und „B" eine maximale laterale
Breite einer projizierten Fläche
einer Grenzfläche
zwischen der verschmolzenen Verbindungsschicht und dem Elektrodengrundelement
bezeichnet, wobei die projizierte Fläche in einer axialen Richtung
der edelmetallischen Zündspitze
projiziert wird und wobei 0,3 mm ≤ A ≤ 0,6 mm gilt.
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Die charakteristischen Merkmale der
Erfindung bestehen darin, dass die Beziehung B ≥ 1,3 A gilt, wenn „A" den Durchmesser
der edelmetallischen Zündspitze
und „B" den Durchmesser
der Kontaktfläche
an der Grenze zwischen der verschmolzenen Verbindungsschicht und
dem Elektrodengrundelement darstellt, wobei 0,3 mm ≤ A ≤ 0,6 mm gilt,
die verschmolzene Verbindungsschicht 40 bis 70 Gew.-% der edelmetallischen Komponente
der Zündspitze
enthält
und die Längen „L", „M" und „A" jeweils wie vorstehend
beschrieben definiert sind.
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Zuerst muss gemäß der vorliegenden Erfindung
B ≥ 1,3 A
für die
Beziehung zwischen dem Durchmesser „A" der edelmetallischen Zündspitze
und dem Durchmesser „B" der Kontaktfläche an der
Grenze zwischen der verschmolzenen Verbindungsschicht und dem Elektrodengrundelement
gelten. In diesem Fall wird der Durchmesser „B" durch den Durchmesser eines Kreises
dargestellt, der gebildet wird, wenn die vorstehend definierte Kontaktfläche in der
axialen Richtung der edelmetallischen Zündspitze projiziert wird.
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Wenn B kleiner als 1,3 A ist (d.
h. B < 1,3A), wird
die edelmetallische Zündspitze
aufgrund von thermischer Verformung des Elektrodengrundelements
von dem Elektrodengrundelement ab- oder herunterfallen.
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Um die Leistung der Zündkerze
zu verbessern, ist es notwendig, die Größe der edelmetallischen Zündspitze
zu verringern, so dass der Durchmesser „A" im Bereich von 0,3 mm bis 0,6 mm liegt.
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Wenn der Durchmesser „A" der edelmetallischen
Zündspitze
im Bereich von 0,3 mm bis 0,6 mm liegt, hat die verschmolzene Verbindungsschicht
einen entsprechend kleinen Durchmesser. Dies ist nicht wünschenswert,
da die edelmetallische Zündspitze
die empfangene Wärme
nicht problemlos an das Elektrodengrundelement abgeben kann.
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Somit wird die verschmolzene Verbindungsschicht
mit einem geringeren Schmelzpunkt höheren Temperaturen unterzogen.
Die Bindungsfestigkeit wird so verringert, dass die edelmetallische
Zündspitze
aufgrund von thermischer Verformung des Elektrodengrundelements
von dem Elektrodengrundelement ab- oder herunterfallen wird.
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Das Einstellen der vorstehend beschriebenen
Beziehung B ≥ 1,3
A ist zwingend notwendig, um diese Probleme zu lösen.
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Zweitens muss gemäß der vorliegenden Erfindung
die verschmolzene Verbindungsschicht 40 bis 70 Gew.-% der edelmetallischen
Komponente der Zündspitze
enthalten. Wenn die edelmetallische Komponente der Zündspitze
weniger als 40 Gew.-% beträgt,
hat die verschmolzene Verbindungsschicht aufgrund der thermischen
Spannung eine schlechte Belastungsfestigkeit. In der gleichen Weise
hat die verschmolzene Verbindungsschicht aufgrund der thermischen
Spannung eine schlechte Belastungsfestigkeit, wenn die edelmetallische
Komponente der Zündspitze
mehr als 70 Gew.-% beträgt.
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Kurz gesagt werden die verschmolzene
Verbindungsschicht und die nicht verschmolzenen Teile der edelmetallischen
Zündspitze
und des Elektrodengrundelements alle hohen Temperaturen unterzogen,
wenn die Zündkerze
verwendet wird. Ein signifikantes Ausmaß thermischer Spannung tritt
aufgrund des Unterschieds der Materialkomponenten in den Bindungsgrenzen
zwischen diesen auf.
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Um die thermische Spannung zu unterdrücken, ist
es notwendig, den Unterschied in der thermischen Ausdehnung zwischen
der verschmolzenen Verbindungsschicht und dem nicht verschmolzenen
Teil der edelmetallischen Zündspitze
ebenso wie zwischen der verschmolzenen Verbindungsschicht und dem
nicht verschmolzenen Teil des Elektrodengrundelements zu verringern.
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Somit ist die verschmolzene Verbindungsschicht,
die 40 bis 70 Gew.-% der edelmetallischen Komponente der Zündspitze
enthält,
zwingend notwendig, um die Unterschiede in der thermischen Ausdehnung,
die an den Bindungsgrenzen auftreten, effektiv zu verringern und
die Bindungsfestigkeiten auf befriedigenden Niveaus zu halten.
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In dem vorstehend definierten Bereich
wird der Gewichtsprozentsatz (Gew.-%) der edelmetallischen Komponente
der Zündspitze
zu größeren Werten
verschoben. Der Grund dafür
ist, dass die edelmetallische Zündspitze,
wenn die Zündkerze
in einem Verbrennungsmotor installiert ist, verglichen mit dem Elektrodengrundelement
einer heftigen thermischen Umgebung ausgesetzt ist. Anders gesagt ist
es effektiv, den Unterschied in der Komponente auf der Seite der
höheren
Temperatur zu verringern, um die thermische Spannung zu unterdrücken, die
mit ansteigender Temperatur proportional zunimmt.
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Die axiale Länge „L" des nicht verschmolzenen Teils der
edelmetallischen Zündspitze
liegt im Bereich von 0,2 mm ≤ L ≤ 0,7 mm. In
diesem Fall ist die Grenze zwischen der edelmetallischen Zündspitze
und der verschmolzenen Verbindungsschicht durch den obersten Teil
der verschmolzenen Verbindungsschicht, der sich am nächsten an
dem Oberteil der edelmetallischen Zündspitze befindet, definiert.
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Wenn die Länge „L" kleiner als 0,2 mm ist, tritt eine
elektrische Entladung von der verschmolzenen Verbindungsschicht
auf. Dies verschlechtert die Abnutzungsund die Abriebsbeständigkeit.
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Wenn die Länge „L" größer als
0,7 mm ist, wird nicht nur die Wärmeabstrahlung
sondern auch die Materialfestigkeit verschlechtert. Dies führt zu einem
Verschmelzungs- oder Bruchschaden an der Zündspitze.
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Wenn nämlich die edelmetallische Zündspitze
während
des Betriebs der Zündkerze
abgenutzt wird, tritt eine elektrische Entladung von der verschmolzenen
Verbindungsschicht auf. Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist die verschmolzene Verbindungsschicht eine Legierung
aus der edelmetallischen Zündspitze
und dem Elektrodengrundelement, das gegenüber der Abnutzung schwach ist.
Daher wird die Lebensdauer der Zündkerze
aufgrund der Schwäche
der verschmolzenen Verbindungsschicht verkürzt.
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Um dieses Problem zu vermeiden, muss
die Länge „L" des nicht verschmolzenen
Teils der edelmetallischen Zündspitze
gleich oder größer als
0,2 mm sein, so dass keine elektrische Entladung von der verschmolzenen
Verbindungsschicht auftreten kann, selbst wenn die edelmetallische
Zündspitze
ein wenig abgenutzt ist.
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Wenn andererseits die Länge „L" kleiner als 0,2
mm ist, kann die durch die Funkenentladung erzeugte Wärme nicht
problemlos von der edelmetallischen Zündspitze zu dem Elektrodengrundelement übertragen werden.
Darüber
hinaus verschlechtert sich die Festigkeit in der Radialrichtung,
wenn die edelmetallische Zündspitze
einen kleinen Durchmesser hat. Dies führt zu einem Verschmelzungs-
oder Bruchschaden an der edelmetallischen Zündspitze.
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Um die ausreichende Lebensdauer der
Zündkerze
zu gewährleisten,
ist es somit notwendig, die Länge „L" des nicht verschmolzenen
Teils der edelmetallischen Zündspitze
in dem vorstehend definierten Bereich einzustellen.
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Die Länge „M" der verschmolzenen Verbindungsschicht
liegt im Bereich von 0,2 mm ≤ M ≤ 0,7 mm. In diesem
Fall ist die Länge „M" eine axiale Länge von
einem oberen Ende zu einem unteren Ende. Das obere Ende ist die
oberste Position der verschmolzenen Verbindungsschicht, die sich
am nächsten
an dem Oberteil der edelmetallischen Zündspitze befindet, während das
untere Ende die unterste Position der verschmolzenen Verbindungsschicht
ist, die sich am nächsten
an dem Elektrodengrundelement befindet.
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Wenn die Länge „M" kleiner als 0,2 mm ist, ist es schwierig,
die Laserstrahlenergie zu erhöhen.
Die Tiefe der verschmolzenen Verbindungsschicht ist unzureichend.
Der nicht verschmolzene Teil kann an der Grenze zwischen der edelmetallischen
Zündspitze
und des Elektrodengrundelements verbleiben. Die Bindungsfestigkeit
ist unzureichend.
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Wenn andererseits die Länge „M" größer als
0,7 mm ist, steigen die Kosten aufgrund der vergrößerten Länge der
edelmetallischen Zündspitze
an.
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Der Durchmesser „A" der edelmetallischen Zündspitze
liegt im Bereich von 0,3 mm ≤ A ≤ 0,6 mm. Wenn
der Durchmesser „A" kleiner als 0,3
mm ist, wird die edelmetallische Zündspitze aufgrund von konzentrierten
Funkenentladungen stark abgenutzt. Wenn andererseits der Durchmesser „A" größer als
0,6 mm ist, wird die Zündfähigkeit
verschlechtert.
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Die Zündfähigkeit wird nämlich verbessert,
wenn der Durchmesser „A" der edelmetallischen
Zündspitze
klein ist. Wenn allerdings der Durchmesser „A" zu klein ist, wird die edelmetallische
Zündspitze
aufgrund konzentrierter Funkenentladungen stark abgenutzt.
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Um die Lebensdauer der Zündkerze
zu verlängern,
ist es daher notwendig, die Zündfähigkeit
und die Abriebbeständigkeit
der edelmetallischen Zündspitze
zu gewährleisten.
Somit ist es notwendig, den Durchmesser „A" der edelmetallischen Zündspitze
in dem vorstehend definierten Bereich einzustellen.
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Die vorliegende Erfindung hat die
folgenden Funktionen und Wirkungen.
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Die edelmetallische Zündspitze,
das Elektrodengrundelement und die verschmolzene Verbindungsschicht
sind in einer Gestalt angeordnet, die die vorstehend definierten
Beziehungen erfüllt.
Die verschmolzene Verbindungsschicht hat den vorstehend definierten
Komponentenanteil. Somit wird es möglich, zu verhindern, dass
der Bindungsbereich während
des Verbindungsvorgangs der edelmetallischen Zündspitze durch das Laserschweißen ausgedünnt wird.
Darüber
hinaus wird es möglich,
die Bindungsfestigkeit gegenüber
thermischen Spannungen beständig
zu halten. Des Weiteren wird es möglich, eine bessere Zündfähigkeit
und Abnutzungsbeständigkeit
beizubehalten.
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Demgemäß stellt die vorliegende Erfindung
eine Zündkerze
bereit, die eine hervorragende Festigkeit in der verschmolzenen
Verbindungsschicht hat, die an der Grenze zwischen der edelmetallischen
Zündspitze mit
kleinem Durchmesser und dem Elektrodengrundelement gebildet ist,
wodurch die hohe Leistung und lange Lebensdauer der Zündkerze,
die bevorzugt in Verbrennungsmotoren verwendet wird, gewährleistet
wird.
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Darüber hinaus ist es gemäß der vorliegenden
Erfindung bevorzugt, dass die edelmetallische Zündspitze wenigstens eine Komponente
ausgewählt
aus der Gruppe bestehend aus Pt, Ir, Pd, Ru, Rh und Os umfasst.
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Dies ist vorteilhaft, da die edelmetallische
Zündspitze
die Beständigkeit
gegenüber
Oxidation in einer Umgebung hoher Temperatur verbessern kann. Somit
wird es möglich,
die Abnutzung der edelmetallischen Zündspitze effektiv zu unterdrücken und
die Lebensdauer zu verlängern.
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Darüber hinaus ist es gemäß der vorliegenden
Erfindung bevorzugt, dass die edelmetallische Zündspitze einen Zusatzstoff
ausgewählt
aus der Gruppe bestehend aus Ni, W, Si, Y2O3, ZrO2 und Al2O3 umfasst.
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Die edelmetallische Zündspitze
kann die Beständigkeit
gegenüber
Oxidation verbessern. Die Lebensdauer der edelmetallischen Zündspitze
kann verlängert
werden.
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Darüber hinaus ist es gemäß der vorliegenden
Erfindung bevorzugt, dass das Elektrodengrundelement eine Ni-haltige
hitzebeständige
Legierung mit Fe- und Cr-Zusätzen
ist.
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Dies ist vorteilhaft, da das Elektrodengrundelement
die Hitzebeständigkeit
verbessern kann. Somit wird es möglich,
die Lebensdauer der Zündkerze
zu verlängern,
die in der thermisch heftigen Umgebung verwendet wird.
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Darüber hinaus ist es gemäß der vorliegenden
Erfindung bevorzugt, dass die edelmetallische Zündspitze durch Strecken eines
Blocks aus einem edelmetallischen Material durch eine Warmformgebung
zu einem Draht und durch Schneiden des erhaltenen Drahts in ein
Stück der
edelmetallischen Zündspitze
mit einer vorbestimmten Länge
gebildet wird.
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Die in den vorstehend beschriebenen
Verfahren hergestellte edelmetallische Zündspitze hat eine gleichförmige Verteilung
von Hohlräumen
und der Materialkomponenten und ist daher frei von einer organischen
oder strukturellen Aufrauung. Somit wird es möglich, eine edelmetallische
Zündspitze
mit hervorragender Abnutzungsbeständigkeit leicht zu erhalten.
Namentlich kann die Lebensdauer der Zündkerze verlängert werden.
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Darüber hinaus ist es gemäß der vorliegenden
Erfindung bevorzugt, dass die verschmolzene Verbindungsschicht einen
trapezartigen Querschnitt hat. Dies ist vorteilhaft, da die Bindungsfestigkeit
zwischen der edelmetallischen Zündspitze
und dem Elektrodengrundelement verbessert werden kann.
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Darüber hinaus ist es gemäß der vorliegenden
Erfindung bevorzugt, dass die verschmolzene Verbindungsschicht durch
vollständiges
Verschmelzen der Grenze zwischen der edelmetallischen Zündspitze
und dem Elektrodengrundelement gebildet wird, wobei keine nicht
verschmolzene Grenze verbleibt. Diese Anordnung ist effektiv, um
eine ausreichende Bindungsfestigkeit der verschmolzenen Verbindungsschicht
zu gewährleisten.
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Darüber hinaus ist es gemäß der vorliegenden
Erfindung bevorzugt, dass die verschmolzene Verbindungsschicht in
dem axialen Mittelpunkt der edelmetallischen Zündspitze eine minimale axiale
Länge „T" von gleich oder
größer als
0,05 mm hat. Die verschmolzene Verbindungsschicht ist an einem Endteil
der edelmetallischen Zündspitze
gebildet.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden
Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung einer Zündkerze eines
Verbrennungsmotors bereit, dass die Schritte umfasst:
Anordnen
einer Ni-haltigen Zentralelektrode an wenigstens einem Ende eines
Durchgangslochs eines Isolators, der in einem Gehäuse gehalten
wird,
Bereitstellen einer Ni-haltigen geerdeten Elektrode auf
dem Gehäuse
in einer gegenüberstehenden
Beziehung mit der Zentralelektrode, um einen Zündspalt zwischen der Zentralelektrode
und der geerdeten Elektrode zu bilden,
Binden einer edelmetallischen
Zündspitze
auf wenigstens einer gegenüberstehenden
Oberfläche
der Zentralelektrode und der geerdeten Elektrode durch Anwenden
eines Laserstrahls auf eine Grenze zwischen der edelmetallischen
Zündspitze
und einem Elektrodengrundelement der gegenüberstehenden Oberfläche, wobei die
edelmetallische Zündspitze
einen Durchmesser „A" im Bereich von 0,3
mm bis 0,6 mm hat, und
Aushärten
des laserverschweißten
Teils, um so eine verschmolzene Verbindungsschicht an der Grenze
zwischen der edelmetallischen Zündspitze
und dem Elektrodengrundelement zu bilden,
wobei die verschmolzene
Verbindungsschicht 40 bis 70 Gew.-% einer edelmetallischen Komponente
der Zündspitze
enthält,
wobei
die verschmolzene Verbindungsschicht 40 bis 70 Gew.-% einer edelmetallischen
Komponente der Zündspitze
enthält,
die
edelmetallische Zündspitze
einen nicht verschmolzenen Teil hat, der sich mit einer axialen
Länge „L" axial zu der verschmolzenen
Verbindungsschicht erstreckt, wobei die axiale Länge „L" als eine axiale Länge von einem Oberteil der
edelmetallischen Zündspitze
zu einem obersten Ende der verschmolzenen Verbindungsschicht, das
sich am nächsten
an der edelmetallischen Zündspitze
befindet, definiert ist, wobei 0,2 mm ≤ L ≤ 0,7 mm gilt,
sich die verschmolzene
Verbindungsschicht mit einer axialen Länge „M" von der edelmetallischen Zündspitze zu
dem Elektrodengrundelement erstreckt, wobei die axiale Länge „M" als eine axiale
Länge von
dem obersten Ende der verschmolzenen Verbindungsschicht zu einem
untersten Ende der verschmolzene Verbindungsschicht, das sich am
nächsten
an dem Elektrodengrundelement befindet, definiert ist, wobei 0,2
mm ≤ M ≤ 0,7 mm gilt,
und
die Beziehung B ≥ 1,3
A gilt, wobei „B" eine maximale laterale
Breite einer projizierten Fläche
einer Grenzoberfläche
zwischen der verschmolzenen Verbindungsschicht und dem Elektrodengrundelement
bezeichnet, wobei die projizierte Fläche in einer axialen Richtung
der edelmetallischen Zündspitze
projiziert wird.
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In dem Bindungsschritt wird die edelmetallische
Zündspitze
auf das Elektrodengrundelement gesetzt oder zeitweilig durch Widerstandsschweißen befestigt.
Dann wird der Laserstrahl auf die Grenze zwischen der edelmetallischen
Zündspitze
und dem Elektrodengrundelement angewendet.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die vorstehenden und andere Aufgaben,
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der
folgenden detaillierten Beschreibung ersichtlicher werden, die zusammen
mit den begleitenden Zeichnungen zu lesen ist, in denen:
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Die 1 eine
Querschnittsansicht ist, die ein Elektrodengrundelement, eine edelmetallische
Zündspitze
und eine verschmolzene Verbindungsschicht einer Zündkerze
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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die 2 eine
Frontansicht, teilweise im Schnitt, ist, die die Gesamtanordnung
der Zündkerze
gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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die 3A bis 3D Ansichten sind, die das
Verfahren zum Binden der edelmetallischen Zündspitze an das Elektrodengrundelement
gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung veranschaulichen;
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die 4 ein
Graph ist, der die Beziehung zwischen dem Ausmaß der Abnutzung und dem Durchmesser
der edelmetallischen Zündspitze
zeigt, die im Experiment 1 der vorliegenden Erfindung erhalten wurde;
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die 5 ein
Graph ist, der die Beziehung zwischen der Grenze des zündbaren
Luft-Brennstoff-Verhältnisses
und dem Durchmesser der edelmetallischen Zündspitze zeigt, die im Experiment
2 der vorliegenden Erfindung erhalten wurde;
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die 6A eine
Querschnittsansicht ist, die einen Zustand zeigt, bevor die edelmetallische
Zündspitze mit
dem Elektrodengrundelement verbunden ist, und die 6B eine Querschnittsansicht ist, die
einen Zustand zeigt, nachdem das Verbinden der edelmetallischen
Zündspitze
mit dem Elektrodengrundelement im Experiment 3 der vorliegenden
Erfindung vervollständigt
wurde;
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die 7 ein
Graph ist, der die Beziehung zwischen der Bindungsfestigkeit und
dem Komponentenanteil der edelmetallischen Zündspitze, der in der verschmolzenen
Verbindungsschicht vorliegt, zeigt, die im Experiment 4 der vorliegenden
Erfindung erhalten wurde;
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die 8 eine
Querschnittsansicht ist, die das Verfahren zum Ausbilden von jeder
in einer Bewertung im Experiment 4 verwendeten Testprobe veranschaulicht,
und die 8B eine Ansicht
ist, die die Messpunkte zum Prüfen
des Komponentenanteils in der verschmolzenen Verbindungsschicht
veranschaulicht;
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die 9A eine
Querschnittsansicht ist, die Risse zeigt, die nach dem Haltbarkeitstest
bei dem Beispiel mit α =
30% auftraten, und die 9B eine
Querschnittsansicht ist, die Risse zeigt, die bei dem Beispiel mit α = 80% auftraten
und im Experiment 4 beobachtet wurden;
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die 10 eine
Querschnittsansicht ist, die eine nicht verschmolzene Grenze zeigt,
die in dem Experiment 4 gebildet wird, wenn die Laserenergie bei
dem Verbinden der edelmetallischen Zündspitze mit dem Elektrodengrundelement
niedrig ist; und
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die 11A bis 11C Ansichten sind, die ein
herkömmliches
Verfahren zum Verbinden der edelmetallischen Zündspitze mit dem Elektrodengrundelement
veranschaulichen.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Die 1 bis 3 zeigen eine Zündkerze gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die für einen Verbrennungsmotor verwendbar
ist.
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Wie in 2 gezeigt,
umfasst eine Zündkerze 1 einen
Isolator 11 mit einem Durchgangsloch 110, einer Zentralelektrode 28,
die an wenigstens einem Ende des Durchgangslochs 110 angeordnet
ist, ein Gehäuse 15,
das den Isolator 11 hält,
und eine geerdete Elektrode 29, die auf dem Gehäuse 15 in
einer gegenüberstehenden
Beziehung zu der Zentralelektrode 28 bereitgestellt ist,
um einen Zündspalt 27 zwischen
der Zentralelektrode 28 und der geerdeten Elektrode 29 zu
bilden.
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Gemäß dieser Ausführungsform
wird eine edelmetallische Zündspitze 3 durch
das Laserschweißen auf
die Oberfläche
der Zentralelektrode 28 gebunden, die der geerdeten Elektrode 29 gegenübersteht.
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Wie in 1 gezeigt,
ist darüber
hinaus die edelmetallische Zündspitze 3 mit
dem Elektrodengrundelement 2 der Zentralelektrode 28 laserverschweißt, um so
eine trapezförmige
verschmolzene Verbindungsschicht 4 an der Grenze zwischen
der edelmetallischen Zündspitze 3 und
dem Elektrodengrundelement 2 zu bilden, wobei die edelmetallische
Zündspitze 3 und
das Elektrodengrundelement 2 miteinander verschmolzen und
dann ausgehärtet
werden.
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Die verschmolzene Verbindungsschicht 4 enthält 40 bis
70 Gew.-% einer edelmetallischen Komponente der Zündspitze.
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Die edelmetallische Zündspitze 3 hat
einen nicht verschmolzenen Teil, der sich mit einer Länge „L" axial von dem Oberteil 31 zu
einem oberen Ende 43 der verschmolzenen Verbindungsschicht 4 erstreckt,
wobei 0,2 mm ≤ L ≤ 0,7 mm gilt.
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Die verschmolzene Verbindungsschicht 4 erstreckt
sich mit einer Länge „M" axial von dem oberen Ende 43 zu
ihrem unteren Ende 42, wobei 0,2 mm ≤ M ≤ 0,7 mm gilt.
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Darüber hinaus gilt die Beziehung
B ≥ 1,3 A,
wenn „A" den Durchmesser
der edelmetallischen Zündspitze 3 und „B" den Durchmesser
einer Kontaktfläche
an der Grenze zwischen der verschmolzenen Verbindungsschicht 4 und
dem Elektrodengrundelement 2 bezeichnet, wobei 0,3 mm ≤ A ≤ 0,6 mm gilt.
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In der 2 bezeichnet
das Bezugszeichen 13 ein Anschlussende für ein elektrisches
Hochspannungskabel.
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Als Nächstes wird das Verfahren zum
Binden der edelmetallischen Zündspitze 3 auf
das Elektrodengrundelement 2 mit Bezug auf die 3A bis 3D erläutert.
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Gemäß dieser Ausführungsform
ist die edelmetallische Zündspitze 3 eine
Ir-Rh-Legierung, die Ir mit einem Zusatz von Rh enthält.
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Die edelmetallische Zündspitze 3 wird
gebildet, indem ein Block des vorstehend beschriebenen edelmetallischen
Materials durch eine Warmformgebung zu einem Draht gestreckt und
dann der erhaltene Draht in ein Stück der edelmetallischen Zündspitze
mit einer vorbestimmten Länge
geschnitten wird.
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Zuerst wird die edelmetallische Zündspitze 3 auf
eine obere Oberfläche 211 eines
Stabteils 21 mit kleinerem Durchmesser des Elektrodengrundelements 2 gesetzt
und vorübergehend
durch das Widerstandsschweißen
befestigt (siehe 3A und 3B). Der Durchmesser des
Stabteils 21 mit kleinerem Durchmesser ist größer als
der der edelmetallischen Zündspitze 3.
Als Nächstes
wird der Laserstrahl 5 auf die Grenze zwischen der edelmetallischen
Zündspitze 3 und
dem Stabteil 21 mit kleinerem Durchmesser des Elektrodengrundelements 2 angewendet
(siehe 3C).
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Unter der Bestrahlung mit dem Laserstrahls 5 wird
das Elektrodengrundelement 2 gedreht und zwischendurch
bei insgesamt zehn Winkelstellungen angehalten, die in der Umfangsrichtung
des Elektrodengrundelements 2 gleiche Winkelabstände haben.
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Durch dieses Laserschweißen wird
die Grenze zwischen der edelmetallischen Zündspitze 3 und dem Stabteil 21 mit
kleinerem Durchmesser des Elektrodengrundelements 2 durch
die Laserenergie geschmolzen. Nach Beendigung der Bestrahlung mit
dem Laserstrahl 5 wird der geschmolzene Teil für eine Weile
belassen, um Wärme
abzustrahlen, wodurch die verschmolzene Verbindungsschicht 4 zwischen
der edelmetallischen Zündspitze 3 und
dem Elektrodengrundelement 2 gebildet wird. Die verschmolzene
Verbindungsschicht 4 wird durch eine Legierung gebildet,
wobei sowohl die edelmetallische Zündspitze 3 als auch
das Έlektrodengrundelement 2 geschmolzen
und dann ausgehärtet
werden (siehe 3D).
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Die vorstehend beschriebene Zündkerze
hat die folgenden Funktionen und Wirkungen.
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Die edelmetallische Zündspitze 3,
das Elektrodengrundelement 2 und die verschmolzene Verbindungsschicht 4 sind
in einer Gestalt angeordnet, die die vorstehend definierten Beziehungen
erfüllt.
Die verschmolzene Verbindungsschicht 4 hat den vorstehend
definierten Komponentenanteil. Somit wird es möglich, die Bindungsfestigkeit
aufrechtzuerhalten, um so gegen thermische Spannungen in dem verbundenen
Bereich zwischen der edelmetallischen Zündspitze 3 und dem
Elektrodengrundelement 2 beständig zu sein. Darüber hinaus
wird es möglich,
eine bessere Zündfähigkeit
und Abnutzungsbeständigkeit
beizubehalten.
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Wie in 3D gezeigt,
hat die verschmolzene Verbindungsschicht im Allgemeinen an ihren
oberen und unteren Enden gewellte Kanten, da der Laserstrahl 5 auf
die vorbestimmten Punkte angewendet wird, die in der Umfangsrichtung
die vorstehend beschrieben Winkelabstände haben.
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Bei diesem Laserschweißen, das
zum Verbinden der edelmetallischen Zündspitze 3 mit dem
Elektrodengrundelement 2 durchgeführt wird, unterliegt das Elektrodengrundelement 2 aufgrund
des Sputterns einem Zerstäuben
des Grundmetalls. Demgemäß gibt es
die Möglichkeit,
dass nahe der Bindungsgrenze des Elektrodengrundelements 2 ein
Halsabschnitt mit einem verringerten Durchmesser gebildet werden
kann.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
ist der Durchmesser des Stabteils 21 mit kleinerem Durchmesser allerdings
größer als
der der edelmetallischen Zündspitze 3.
Die verschmolzene Verbindungsschicht 4 behält den trapezförmigen Querschnitt,
nachdem der Schweißvorgang
abgeschlossen ist (siehe 1).
Somit ist es möglich,
zu verhindern, dass der Bindungsbereich unerwünschterweise ausgedünnt wird.
Die edelmetallischen Zündspitze 3 kann
die empfangene Wärme
problemlos an das Elektrodengrundelement 2 übertragen. Die
Bindungsfestigkeit kann auf befriedigenden Niveaus gehalten werden.
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Darüber hinaus besteht die edelmetallische
Zündspitze 3 aus
einer Ir-Rh-Legierung, die Ir mit einem Zusatz von Rh enthält, und
wird gebildet, indem wie vorstehend beschrieben das edelmetallische
Material durch eine Warmformgebung zu einem Draht gestreckt und
dann der erhaltene Draht in ein Stück der edelmetallischen Zündspitze
geschnitten wird.
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Somit kann die edelmetallische Zündspitze 3 die
Beständigkeit
gegenüber
der Oxidation in einer Umgebung hoher Temperatur verbessern. Es
wird möglich,
die Abnutzung der edelmetallischen Zündspitze effektiv zu unterdrücken. Die
edelmetallische Zündspitze 3 hat
eine gleichmäßige Verteilung
von Hohlräumen
und der Materialkomponenten und ist daher frei von dem organischen
oder strukturellen Aufrauen. Es wird somit möglich, die Abnutzungsbeständigkeit
der edelmetallischen Zündspitze 3 zu
verbessern. Die Lebensdauer der Zündkerze 1 kann verlängert werden.
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Demgemäß stellt die vorstehend beschriebene
Ausführungsform
die Zündkerze
bereit, die in der verschmolzenen Verbindungsschicht, die an der
Grenze zwischen der edelmetallischen Zündspitze mit kleinem Durchmesser
und dem Elektrodengrundelement gebildet ist, eine hervorragende
Festigkeit hat, wodurch eine hohe Leistung und lange Lebensdauer
der Zündkerze
gewährleistet
wird, so dass sie bevorzugt in Verbrennungsmotoren verwendet wird.
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Experiment 1
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Die 4 zeigt
die Beziehung zwischen der Abnutzungsbeständigkeit und dem Durchmesser „A" der edelmetallischen
Zündspitze,
die durch ein von dem Erfinder durchgeführtes Experiment erhalten wurde.
Die in diesem Experiment verwendete edelmetallische Zündspitze 3 ist
auf der Oberfläche
der Zentralelektrode 28 gebunden (siehe 2).
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Die edelmetallische Zündspitze 3 besteht
aus einem Material aus Ir/10 Gew.-% Rh. Der Durchmesser „A" von jeder im Experiment
hergestellten edelmetallischen Zündspitze 3 reicht
von 0,2 mm bis 1,0 mm. Die Länge
ist auf 1,0 mm festgelegt.
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Darüber hinaus wird eine scheibenförmige Zündspitze
durch das Laserverschweißen
auf die Oberfläche
der geerdeten Elektrode 29 gebunden. Die scheibenartige
Zündspitze
besteht aus dem gleichen Material wie das der edelmetallischen Zündspitze 3 und
hat eine Größe von 1,0
mm im Durchmesser „A" und 0,3 mm in der
Länge.
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Jede getestete Zündkerze wurde in einen 6-Zylinder-Viertakt-Verbrennungsmotor
mit 2.000 cm3 installiert. Der Motor wurde
für 200
Stunden mit der Volllast von 5.600 U/min betrieben, um das Ausmaß der Vergrößerung des
Zündspalts 27 zu
messen. Basierend auf der gemessenen Veränderung des Zündspalts 27 wurde das
Ausmaß der
Abnutzung der edelmetallischen Zündspitze 3 auf
der Zentralelektrode 28 erhalten.
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Die vorstehend beschriebenen Testbedingungen
sind vergleichbar mit den praktischen Bedingungen einer Zündkerze,
die tatsächlich
in einem Motor eines Kraftfahrzeugs installiert ist, das unter gewöhnlichen Fahrbedingungen
eine Strecke von etwa 50.000 km zurückgelegt hat.
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Die 4 zeigt
das erhaltene Testergebnis.
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Wie aus 4 verstanden wird, tritt die Funkenentladung
in konzentrierter Weise auf, wenn der Durchmesser „A" der edelmetallischen
Zündspitze 3 kleiner
als 0,3 mm ist. Das Ausmaß der
Abnutzung ist in diesem Bereich stark vergrößert.
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Demgemäß zeigt das Testergebnis, dass
ein gewünschter
Bereich des Durchmessers „A" der edelmetallischen
Zündspitze
gleich oder größer als
0,3 mm ist.
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Experiment 2
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Die 5 zeigt
eine Beziehung zwischen der Zündfähigkeit
und dem Durchmesser „A" der edelmetallischen
Zündspitze,
die durch ein weiteres von dem Erfinder durchgeführtes Experiment erhalten wurde.
Die Zündfähigkeit
wurde unter Verwendung eines 4-Zylinder-Verbrennungsmotors mit 1.600
cm3 bewertet, der in einem Leerlaufzustand
betrieben wurde (bei einer Motorgeschwindigkeit von 650 U/min),
in dem die Zündfähigkeit
hochgradig verlässlich
sein muss. Die getesteten Zündkerzen
waren identisch mit jenen, die in dem vorstehend beschriebenen Experiment
1 verwendet wurden.
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Bei der Bewertung wurde der Motor
kontinuierlich in dem Leerlaufzustand mit einem bestimmten Luft-Brennstoff-Verhältnis (d.
h. ein Verhältnis
der Luftmenge zu der Brennstoffmenge) für zwei Minuten betrieben. Wenn
ein oder kein Zündversagen
während
der zwei Minuten ermittelt wurde (ermittelbar als HC-Spannungsspitzen),
wurde der Motor weiter kontinuierlich in dem Leerlaufzustand mit
einem erhöhten
Luft-Brennstoff-Verhältnisses
betrieben.
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Der Betriebstest im Leerlaufzustand
wurde auf diese Weise wiederholt durchgeführt, bis wenigstens zwei Zündversagen
innerhalb von zwei Minuten ermittelt wurden, wodurch eine Grenze
eines zündbaren Luft-Brennstoff-Verhältnisses
ermittelt wurde.
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Die vorstehend beschriebene Messung
zum Ermitteln der Grenze des zündbaren
Luft-Brennstoff-Verhältnisses
wurde für
jede getestete Zündkerze
dreimal wiederholt. Wenn die Zündkerze
eine hohe Grenze des zündbaren
Luft-Brennstoff-Verhältnisses
hat, wird eine hervorragende Zündfähigkeit
selbst in einer mageren Brennstoffmischung erhalten.
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Bei der Messung gibt es die Möglichkeit,
dass ein Messfehler oder ein ungewisses Zündversagen irrtümlich als
ein Zündversagen
ermittelt wird. Daher wurde die Ermittlung von nur einem Zündversagen
innerhalb von zwei Minuten vernachlässigt.
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Wie aus dem in 5 gezeigten gemessenen Ergebnis verstanden
wird, verschlechterte sich die Zündfähigkeit
mit zunehmendem Durchmesser „A" der edelmetallischen Zündspitze.
Insbesondere verschlechterte sich die Zündfähigkeit stark, wenn der Durchmesser „A" 0,7 mm überstieg.
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Um eine ausreichende Zündfähigkeit
zu gewährleisten,
muss demgemäß der Durchmesser „A" der edelmetallischen
Zündspitze
gleich oder kleiner als 0,6 mm sein.
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Es ist unnötig zu erwähnen, dass eine Verschlechterung
der Zündfähigkeit
mit Blick auf die gegenwärtige
und/oder in der Zukunft erwartete Verstärkung der Regelungen für Brennstoff
oder Abgas nachteilig ist.
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Wie im Experiment 1 beschrieben,
ist andererseits eine zu starke Verringerung des Durchmessers „A" nicht wünschenswert,
da die Abnutzungsbeständigkeit
stark verschlechtert wird.
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Obwohl sich die Entladespannung mit
abnehmendem Durchmesser „A" verringert, tritt
die Funkenentladung in konzentrierter Weise auf, so dass der Abrieb
an der Elektrode befördert
wird.
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Mit Blick auf das vorhergehende ist
es notwendig, den Durchmesser „A" im Bereich von 0,3
mm ≤ A ≤ 0,6 mm einzustellen,
um die Anforderungen wohl an die Abriebbeständigkeit als auch die Zündfähigkeit
der edelmetallischen Zündspitze
zu erfüllen.
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Experiment 3
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Die Tabelle 1 zeigt eine Beziehung
zwischen der Hitzebeständigkeit
und dem Verhältnis „B/A", die durch ein durch
den Erfinder durchgeführtes
Experiment erhalten wurde, wobei „B" den Durchmesser der verschmolzenen
Verbindungsschicht 4 und „A" den Durchmesser der edelmetallischen
Zündspitze 3 bezeichnet.
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Die 6A und 6B sind Ansichten, die die
bei der Bewertung verwendete Probe zeigen.
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In dem Experiment wurden verschiedene
Arten der Elektrodengrundelemente 2 hergestellt, die jeweils einen
Stabteil 21 mit kleinem Durchmesser hatten, deren Durchmesser „C" unterschiedlich
war. Verschiedene Arten der edelmetallischen Zündspitze 3, die unterschiedliche
Durchmesser „A" hatten, wurden auf
die Oberflächen
der hergestellten Stabteile 21 mit kleinem Durchmesser
geschweißt
(siehe 6A). Durch das
Laserschweißen
wurde der Durchmesser „C" dem Durchmesser „B" der vorstehend beschriebenen
Kontaktfläche gleich
gemacht (siehe 6B).
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Spezieller betrug der Durchmesser „A" 0,3 mm oder 0,6
mm. Die Länge
der edelmetallischen Zündspitze 3 betrug
0,85 mm.
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Wie in 6A gezeigt,
hatten die Stababschnitte 21 mit kleinem Durchmesser darüber hinaus
eine axiale Länge „D" von 0,15 mm. Darüber hinaus
hatte das Elektrodengrundelement 2 einen Rand 22,
der sich von der unteren Kante der Stababschnitte 21 mit
kleinem Durchmesser erstreckte. Der Spreizwinkel des Rands beträgt 90°.
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Bei dem Verbinden der edelmetallischen
Zündspitze 3 mit
dem Elektrodenqrundelement 2 wurde der Laserstrahl 5 auf
die Position angewendet, die von der oberen Oberfläche 211 des
Elektrodengrundelements 2 in Richtung auf die edelmetallische
Zündspitze 3 um
einen Abstand von 0,025 mm verschoben war. Die Bestrahlung mit dem
Laserstrahl 5 wurde bei insgesamt zehn Winkelpunkten durchgeführt, die
in der Umfangsrichtung in gleichen Winkelabständen angeordnet sind.
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Die 6B zeigt
die vervollständigte
gebundene Struktur mit der verschmolzenen Verbindungsschicht 4,
die als Grundlage für
die Bewertung verwendet wurde. Spezieller betrug die Länge „L" des nicht verschmolzenen
Teils der edelmetallischen Zündspitze 3 bei
der resultierenden Zündkerze
0,7 mm, und die Länge „M" der verschmolzenen
Verbindungsschicht 4 betrug 0,3 mm. Zwei Testproben wurden
für jede
der Bewertungsbedingungen verwendet.
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Die Bewertungsbedingungen wurden
auf die folgende Weise bestimmt. Jede getestete Zündkerze wurde
in einen 6-Zylinder-Viertakt-Verbrennungsmotor
mit 2.000 cm3 installiert. Der Motor wurde
mit der Volllast von 6.000 U/min betrieben, während die Zeiteinteilung bzw.
das Timing der Zündung
erhöht
wurde, um die Erzeugung von Vorzündung
zu messen. Dann wurde auf der Grundlage des Messergebnisses das
Timing der Zündung
direkt vor dem kritischen Punkt gehalten, bei dem die Vorzündung auftrat.
Dann wurde der Motor für eine
Stunde betrieben, um die Hitzebeständigkeit von jeder getesteten
Zündkerze
zu prüfen.
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Die Tabelle 1 zeigt das Testergebnis.
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In der Tabelle 1 gibt der Ausdruck
A – 1,5
A an, dass der Durchmesser „A" das 1,0- bis 1,5-fache
des Durchmessers „A" beträgt.
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Darüber hinaus war jede in der
Tabelle 1 mit einem O bezeichnete Zündkerze normal. Jede mit einem Δ bezeichnete
Zündkerze
zeigte aufgrund der thermischen Erweichung der verschmolzenen Verbindungsschicht
eine geneigte edelmetallische Zündspitze.
Jede mit einem x bezeichnete Zündkerze
verursachte das Abfallen der edelmetallischen Zündspitze.
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Wie aus der Tabelle 1 gut verstanden
wird, wurde keine Abnormalität
in den beiden Fällen
des Durchmessers „A" = 0,3 mm und 0,6
mm gefunden, wenn B gleich oder größer als 1,3 A ist. Demgemäß ist es
notwendig, die Beziehung B ≥ 1,3 zu
erfüllen,
um die Hitzebeständigkeit
der Zündkerze
zu gewährleisten.
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Experiment 4
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Die 7 ist
ein Graph, der das Bewertungsergebnis der Bindungsfestigkeit in
Beziehung zu dem Komponentenanteil der edelmetallischen Zündspitze 3 in
der geschmolzenen Verbindungsschicht 4 zeigt.
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Die in den 6A und 6B gezeigten
Testproben wurde bei dieser Bewertung verwendet, obwohl der Durchmesser „A" der edelmetallischen
Zündspitze 3 unter
Berücksichtigung
der heftigen thermischen Belastung 0,3 mm betrug. In dem durchgeführten Haltbarkeitstest,
wurde der Komponentenanteil der edelmetallischen Zündspitze 3 in
der geschmolzenen Verbindungsschicht 4 durch Verändern der
Bestrahlungsposition des Laserstrahls 5 auf eine Vielzahl
von unterschiedlichen, in den 8A und 8B gezeigten Höhenniveaus gesteuert.
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Die Länge „M" der verschmolzenen Verbindungsschicht 4 betrug
0,3 mm. Die verwendete Laserenergie betrug 7,5 J (Joule). Die Laserbestrahlung
wurde so durchgeführt,
dass die verschmolzenen Teile von gegenüberliegenden Winkeln miteinander überlappten.
Die Bestrahlung mit dem Laserstrahl 5 wurde an insgesamt
zehn Positionen durchgeführt,
die in der Umfangsrichtung mit gleichen Winkelabständen angeordnet sind.
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Als erstes wurde die verschmolzene
Verbindungsschicht 4 durch Anwenden des Laserstrahls 5 bei
einem Höhenniveau 51,
das von der oberen Oberfläche 211 des
Elektrodengrundelements 2 in Richtung des Elektrodengrundelements 2 wie
in 8A gezeigt um einen Abstand
von 0,025 mm verschoben war, durchgeführt. In der durch dieses Laserschweißen erhaltenen
Probe betrug der Komponentenanteil der edelmetallischen Zündspitze
in der verschmolzenen Verbindungsschicht 4 30% (d. h. α = 30%).
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Dann wurde die Bestrahlungsposition
sukzessive aufwärts
verschoben, um den Laserstrahl 5 von den Höhenniveaus 52, 53, 54, 55 und 56 aus
anzuwenden, die vertikal mit Abständen von 0,025 mm angeordnet waren.
Das Laserniveau 52 war identisch zu der Höhe der oberen
Oberfläche 211.
Somit wurden andere Proben erhalten. Die erhaltenen Testproben wurden
gemäß dem Komponentenanteil α der edelmetallischen Zündspitze 3 in
der verschmolzenen Verbindungsschicht 4 unterschieden (spezieller α = 40, 50,
60, 70 und 80 Gew.-%).
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In dieser Beschreibung ist der Komponentenanteil α als der
Gewichtsprozentsatz der edelmetallischen Zündspitze 3 definiert,
der in der verschmolzenen Verbindungsschicht 4 enthalten
ist.
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Bei der Messung der Komponente wurde
die geschmolzene Verbindungsschicht 4 entlang einer Ebene,
die durch ihre zentrale Achse verläuft, geschnitten. Die Schnittfläche wurde
durch EPMA analysiert (Mikroanalyse auf der Grundlage von Elektronenstrahlabtasten).
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Die Messung wurde insgesamt bei vier
Messpunkten auf der Oberfläche
der verschmolzenen Verbindungsschicht 4 durchgeführt, die
in der 8B durch x gezeigt
und entlang zweier vertikaler Linien, die um A/4 vom Zentrum der
verschmolzenen Verbindungsschicht 4 verschoben sind, und
zweier horizontaler Linien, die die verschmolzene Verbindungsschicht 4,
die sich von dem oberen Ende 43 zu dem unteren Ende 42 erstreckt,
gleichmäßig in Abstände von
M/3 einteilen, angeordnet sind. Ein Durchschnitt der gemessenen
Daten wurde für
die Bewertung verwendet, obwohl im Wesentlichen keine Verteilung
der gemessenen Daten bemerkt wurde, da die verschmolzene Verbindungsschicht 4 jeder
getesteten Probe hinsichtlich der Legierungskomponente gleichmäßig ist.
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Auf diese Weise wurde der Haltbarkeitstest
unter Verwendung der Zündkerze 1 (in 2 gezeigt) durchgeführt, die
die edelmetallische Zündspitze 3 auf
dem Oberteil der Zentralelektrode 28 durch das Laserschweißen gebunden
hat.
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Um die Haltbarkeit der getesteten
Zündkerze
zu prüfen,
wurde die Zündkerze
für 100
Stunden in einem 6-Zylinder-Verbrennungsmotor
mit 2.000 cm3, der mit einem vorbestimmten
Zyklenmodus betrieben wurde, wobei jeder Zyklus eine Minute des
Laufens mit der Leerlaufgeschwindigkeit und eine Minute des Laufens mit
Volllast von 6.000 U/min einschließt, einem thermischen Schock
unterzogen wurde.
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Die 7 zeigt
die in dem Haltbarkeitstest erhaltenen gemessenen Daten als Beziehung
zwischen der Bindungsfestigkeit (N: Newton) der verschmolzenen Verbindungsschicht 4 und
dem Komponentenanteil α der edelmetallischen
Zündspitze 3 in
der verschmolzenen Verbindungsschicht 4.
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Die Bindungsfestigkeit ist als die
Biegefestigkeit an der verschmolzenen Verbindungsschicht 4 definiert.
Eine größere Biegefestigkeit
zu haben ist zur Verbesserung der Verbindung zwischen der edelmetallischen
Zündspitze 3 und
dem Elektrodengrundelement 2 effektiv. Anders gesagt wird es
möglich,
eine Zündkerze
zu erhalten, die thermische Spannungen problemlos abbauen kann und
daher eine hervorragende Beständigkeit
hat.
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Wie aus 7 verstanden wird, waren die getesteten
Proben vor dem Beginn des Haltbarkeitstests in der Biegefestigkeit
unabhängig
von dem Unterschied des Komponentenanteils α im Groben konstant. Allerdings
wurde gefunden, dass die Biegefestigkeit nach dem Beenden des Haltbarkeitstests
stark verschlechtert war, wenn der Komponentenanteil α 30% betrug.
Es wurde später
durch eine detaillierte Betrachtung bestätigt, dass aufgrund von thermischen
Spannungen kleine Risse 6 entlang der Grenze zwischen der
verschmolzenen Verbindungsschicht 4 und der edelmetallischen
Zündspitze 3 auftraten,
d. h. entlang des oberen Endes 43 der verschmolzenen Verbindungsschicht 4.
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Darüber hinaus wurde ebenfalls
gefunden, dass die Biegefestigkeit nach dem Beenden des Haltbarkeitstests
stark verschlechtert war, wenn der Komponentenanteil α 80% betrug.
Es wurde zudem später
durch die genaue Betrachtung bestätigt, dass aufgrund von thermischen
Spannungen kleine Risse 6 entlang der Grenze zwischen der
verschmolzenen Verbindungsschicht 4 und dem Elektrodengrundelement 2 auftraten,
d. h. entlang des unteren Endes 42 der verschmolzenen Verbindungsschicht 4.
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Mit Blick auf das Vorhergehende wird
geschlossen, dass der Komponentenanteil α im Bereich von 40 Gew.-% bis
70 Gew.-% liegen muss, um die befriedigende Bindungsfestigkeit für die edelmetallische
Zündspitze 3 zu
gewährleisten.
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Darüber hinaus wird die edelmetallische
Komponente der Zündspitze
in dem vorstehend definierten erwünschten Bereich zu größeren Werten
hin verschoben. Der Grund ist, dass die edelmetallische Zündspitze 3,
wenn die Zündkerze
in einem Verbrennungsmotor installiert ist, verglichen mit dem Elektrodengrundelement 2 einer
heftigen thermischen Umgebung ausgesetzt ist. Anders gesagt ist
es effektiv, den Unterschied in der Komponente auf der Seite der
höheren
Temperatur zu verringern, um die thermische Spannung zu unterdrücken, die
mit dem Anstieg der Temperatur proportional zunimmt.
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Auf ähnliche Weise wurde der Haltbarkeitstest
für die
Testproben mit den edelmetallischen Zündspitzen 3 mit einem
Durchmesser „A" von 0,6 mm durchgeführt. Im
Ergebnis wurde die bevorzugte Bindungsfestigkeit erhalten, wenn
der Komponentenanteil α im
Bereich von 40 Gew.-% bis 70 Gew.-% lag (d. h. 40 Gew.-% ≤ α ≤ 70 Gew.-%).
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Zum Vergleich wurde die Laserenergie
auf 6 J verringert, um wie in 10 gezeigt
kleinere verschmolzene Schichten 4 mit einer nicht verschmolzenen
Grenze 7 zu bilden. In diesem Fall wurde bestätigt, dass
die Biegefestigkeit selbst im Bereich von 40 Gew.-% ≤ α ≤ 70 Gew.-%
stark verschlechtert war.
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Es wird angenommen, dass jede isolierte
verschmolzene Verbindungsschicht 4 die Spannungskonzentration,
die die Risse 6 verursacht, auslöst. Daher ist es bei der Bildung
der verschmolzenen Verbindungsschicht 4 notwendig, die
nicht verschmolzene Grenze 7 zu beseitigen. Gemäß den experimentellen
Daten ist es bevorzugt, dass die verschmolzene Verbindungsschicht 4 in
dem axialen Zentrum der edelmetallischen Zündspitze 3 eine minimale
axiale Länge „T" von gleich oder
größer als
0,05 mm hat (siehe
1),
so dass die innere (thermische) Spannung ausreichend unterdrückt werden
kann.
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Für
die beschriebene vorliegende Ausführungsform ist es beabsichtigt,
nur veranschaulichend und nicht beschränkend zu sein, da der Umfang
der Erfindung eher durch die angefügten Ansprüche als durch die ihnen voranstehende
Beschreibung definiert ist.
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Eine Zündkerze für einen Verbrennungsmotor umfasst
eine edelmetallische Zündspitze
(3), die auf der gegenüberstehenden
Oberfläche
von entweder einer Zentralelektrode (28) oder einer geerdeten
Elektrode (29) laserverschweißt ist. Eine zwischen der edelmetallischen
Zündspitze
(3) und dem Elektrodengrundelement (2) gebildete
verschmolzene Verbindungsschicht (4) enthält 40 bis
70 Gew.-% einer edelmetallischen Komponente der Zündspitze.
Die edelmetallische Zündspitze
(3) hat einen nicht verschmolzenen Teil, der sich axial
mit einer Länge „L" erstreckt, wobei
0,2 mm ≤ L ≤ 0,7 mm gilt.
Die verschmolzene Verbindungsschicht (4) erstreckt sich
axial mit einer Länge „M", wobei 0,2 mm ≤ M ≤ 0,7 mm gilt.
Und die Beziehung B ≥ 1,3
A ist erfüllt, wenn „A" den Durchmesser
der edelmetallischen Zündspitze
(3) und „B" den Durchmesser
einer Kontaktfläche an
der Grenze zwischen der verschmolzenen Verbindungsschicht und dem
Elektrodengrundelement darstellt, wobei 0,3 mm ≤ A ≤ 0,6 mm gilt.
