DE7207186U - Zuendkerze - Google Patents

Description

DR. MOLLER-BORe DIPL-PHYS. DR. MANftfc* DIPL.-cHiM. DR. DEUFEL ' -^

DIPL-ING. PINSTERWALD DIPL-ING. GRAMKOW PATENTANWÄLTE

, den Mak/Sv - G 2213

GEHERAL N0IOB6 COBFOBAXIOK Detroit, Michigan, USA

Zündkerze

Sie Erfindung bezieht sich auf eine Zündkerze und betrifft insbesondere eine Zündkerze, die als Zünderkerzen (igniter plugs) zur Verwendung in Flugzeug-Strahltriebwerken bekannt sind.

Eine Zünderkerze, im folgenden Kerze genannt, die für einen kontinuierlichen Zündbetrieb über ausgedehnte Zeitperioden bei erhöhten Temperaturen bis zu 1093⁰C einschließlich geeignet ist, umfaßt einen Schalenkörper bzw. Mantelkööper, der die Grundelektrode bzw. Hasseelektrode bildet, einen Isolator, der in den Hantelkörper dicht eingesetzt ist und eine Hittelbohrung dort hindurch aufweist, und eine Hittelelektrode, die in der Hittelbohrung angeordnet ist, so daß

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eine funkenstrecke bzw. Zündspalt gebildet iat, in welchem die elektrischen Entladungen zwischen der Hittelelektrode und der Hasseelektrode über die Oberfläche des Isolators

elektrode freiliegt.

Bekanntlich wird die Betriebslebensdauer einer Zündkerze durch Verwendung von Iridiumelektroden verlängert, wobei Iridium Oxidations- und funkeneroeione-festigkeit-Sigen·- schaften aufweist. Jedoch hat die Verwendung solchen Materials in Fachkreisen nicht allgemeine .Anerkennung gefunden, nicht nur aufgrund der hohen Kosten, sondern auch aufgrund der Schwierigkeit, eine zufriedenstellende Bindung bzw. Verbindung zwischen dem Basismaterial der Elektrode und dem Iridium zu erhalten, wobei bei dem Iridiumteil die Heigung besteht, abzubrechen tme in das Srlebwerk zu fallen.

Zur Lösung dieses Problems ist erfindungsgemaß vorgesehen, daß der Seil der Hasseelektrode im Bereich der funkenstrecke bzw. des Zündspaltes von einem ringförmigen Einsatz aus duktilem Iridiummetall besteht, das eine hohe Oxidations- und lunkenerosions-festigkeit bei den erhöhten Temperaturen aufweist und daß der ringförmige Einsatz an den Hantelkörper durch eine enge Schweißzone angeschweißt ist, in welcher das Iridiummetall sowohl mit dem Metall des Hantelkörpere gut legiert (well-alloyed) ist als auch einen geringeren Grad an Bekriatallisation zeigt.

Bei dem Einsetzen eines Iridium-Einsatzes in den Hasseelektrodenabschnitt der Tunkenstrecke einer Kerze wird die Zwischenflache oder Schweißzone zwischen dem Hantel und dem Einsatz bevorzugt durch eine Elektronen- oder Laserstrahlschweißung erreicht, um eine enge und gut legierte (well-alloyed) Zone mit minimaler !«kristallisation des Einsatzmetalles zur formung einer festem Bindung zu erreichen.

Eine MWTiMiTe Duktilität und eine hohe festigkeit gegen einen Bruch der Bindung bzw. Verschweißung wird erreicht, wenn ein Metalleinsatz benutzt wird, der eine faserige

nafveist.

Weiterhin wird durch eine Schweißzone, die in die volle Tiefe des Einsatzes eindringt, eine gute wärmeübertragung zu dem Hantelkorper gewahrleistet.

Sie Erfindung wird is folgenden anhand der Zeichnung beispielsweise beschrieben j in dieser zeigt:

Kg. 1 eine teilweise geschnittene insicht einer erfindungsgemäßen Zündkerze und

fig« 2 eise vergrößerte, teilweise weggebrcchens Schnittamri fthi: der Hsz&telspitse, **** der die Einzelheiten der Erfindung gezeigt sind.

lach Kg. 1 ist bei einer äündkerse des Typs, der üblicherweise in flugzeug-Strahltriebwerken benutst wird, der Zündspalt bsw. die funkenstrecke im Mittelteil der Kerze an deren Kopfende vorgesehen, das normalerweise in der Verbrennungskammer des Triebwerks angeordnet ist. Wie der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen ist, ist die Erfindung in gleicher Weise bei Kerzenkonstruktionen anwendbar, bei denen die funkenstrecke außerhalb der Kerze an deren Ende vorgesehen ist. Im Hinblick auf die extrem hohen Kosten für ein flugzeug und die Triebwerke und die Notwendigkeit für eine äußerst hohe Zuverlässigkeit der gesamten flugseuganordnung ebenso wie solcher kritischer Komponenten wie die Zündkerzen ist die Benutzung eines kostspieligen Edelmetalle wie Iridium nicht unvernünftig unter der Voraussetzung, daß die Kerzenanordnung hergestellt werden kann mit der notwendigen

Zuverlässigkeit und. Sicherheit, dass dieses normalerweise spröde Metall mit der Masseelektrode sicher verbunden werden kann.

Ein weiteres Problea» das durch die Erfiaduag gelöst nird, besteht darin, einet Zündkerze zu erhalten, die für lange Perioden eines Dauerbetriebs geeignet ist, ohne ausgetauscht werden zu nüssen aufgrund einer Überhitzung der Zündspitze bzw. Funkenspitze der Ker^e mit resultierender schneller Abnutzung aufgrund von Oxidation und Funkenerosion. Dies wird durch eine Schweißzone erreicht, die sich über die volle Tiefe der Zwischenfläche zwischen dem Metalleinsatz und des. Hantelkörper erstreckt und somit eine gute wärmeleitung weg von dem Funken Strecken-Einsatz zu dem Mantelkörper gewährleistet.

Sin kontinuierlicher Betrieb über äüsgedehlxce Perioden ist

leisten und das Auftreten einer Brennschluß (flame-out)-Bedingung zu verhindern.

Vach Hg. 1 umfaßt eine Zündkerze 1, im folgenden Kerze 1 genannt, einen Hantelkörper 2, der den Hasseelektroden» Teil der Tsrx· bildet und in dem konzentrisch in gasdichter Verbindung mit diesem ein Isolatorkörper 5 angeordnet ist, der eine Hittelbohrung 7 durch sich aufweist, in der eine Hittelelektrode 9 angeordnet ist. Der Hantelkörper 2 kann ans irgendeinem geeigneten Material bestehen wie Hickeletahl, d.h. Inconel (Bandeisname), das eine Legierung mit \ etwa 76 <tew.% Mickel, 4S-*-e«w,-Äi«k«i_T 16 ^ Gew.* Chrom und 6 Gew.* Xiscn ist| solche Materialien weisen wunsche&swerte hohe Temperatur-OocLdations-Ieetigkeits-Eigenechaften auf. l*ach der Zeichnung weist der Hantelkörper 2 ebenfalls eine Vielzahl von Kühlluft-£inlaßöf£nung«n 11 durch dessen oberen. Seil auf; die E&hlluft strömt durch den Bingrwam zwischen dam Hantelkörper und dem Isolator und durch ein·

Vielzahl von I&ch*m 13 in iem Kopfende des Mantelkörpers

Das Zündende 1> der Mittelelektrode 9, das in Fig.2 mehr im einzelnen gezeigt ist, besteht aus einem Metall mit Funkenerosionsfestigkeit wie Wolf ram, wobei das Zündfunkenende von diesem in Berührung mit dem Ende des Isolators steht. Sie innere Oberfläche des Mantelkörpers 2 ist an des Zündende von diesem mit einer ringförmigen Schulter iy vorgesehen, auf die ein netallelu»at* 19 aus duktilem Iridium aufgesetzt i&t. Bach J±$. 2 ist das Zündende der Kerze so ausgelegt, daß es eine Tunkenstrecke 21 vorsieht, die durch die Eid-Oberfläche des Isolators 5 gebildet ist, der an das Zünö^ide 15 der Mittelelelrfcrode und die Oberfläche des Metalleinsatzes 19 anstößt, welcher mit dem Mantelkörper in einer solchen Weise integral fest verbunden ist, das3 eine gute elektrische und thermische Zwischenverbindung gegeben ist.

Erfindungsgemäß wurde basierend auf Tests gefunden, daß es erforderlich ist, eine Zwischenfläche zwischen dem Mantel-2 und dem Einsatz 19 vorzusehen, die den Einsatz mit dem Mantelkörper sicher verbindet ohne Bruch oder Zerstörung bei den hohen Vibrationspegeln und erhöhten Temperaturen wie bis zu 1093°^, die während eines normalen Betriebs der Kerze in einem Strahltriebwerk angetroffen werden. Eine solche Zwischenfläche kann erfindungsgemäß bei fder Benutzung solcher normalerweise spröder Metalle wie Iridium erhalten werden, indem der Einsatz an den Mantel unter Verwendung einer Hochenergie-Schmalstrahl-Technik wie dem Elektronen- oder Laser-Strahlschweißen geschweißt wird. Ein schmaler, hochintensiver Strahl ist zur Bildung einer nicht-brechbaren Schweißzone 23 im Hinblick auf die Tatsache wesentlich, daß in dem Falle, wenn eine breite Schweiß-

zone wie bei einer Hartlöttechnik oder anderen Schweißtechnik eizeugt wird, die große Menge an Bekristallisation des Iridiums einen schwachen Verbindungsbereich zur Folge hat, der leicht springen bzw. reißen kann mit der Folge, daß der Einsatz schnell abbricht und in das !triebwerk fällt. Venn eine enge bzw. schmale Schweißzone, wie sie bei 23 in Fig. 2 dargestellt ist, beibehalten wird, wird der Grad an Rekristallisation auf ein Miτ>·ίmum herabgesetzt, während eine gu£ legierte ttLschung des Hantel- und des Einsatzmetalls gebildet und eine harte bzw. unnachgiebige Verbindung oder feste Zwischenfläche mit dem Kantelkörper mit nur einem geringeren Grad von Rekristallisation des Iridiums gewährleistet wird. In gleicher Weise wird durch den hochintensiven schmalen Schweißstahl gewährleistet, daß die Schweißung durch die volle Tiefe der Elektrode dringt und eine Zwischenfläche mit einer optimalen Wärmeleitfähigkeit zwischen der Elektrode und dem Hantel erzeugt wird.

Bei der Herstellung des Einsatzes 19 wird vorteilhafterweise Iridiummetalldraht benutzt, der warm bearbeitet bzw. heißbearbeitet worden ist wie Durchziehen des Drahtes durch eine Ziehdüse, um dem Draht Duktilität zu geben durch Bildung einer faserigen Kristallstruktur anstelle der bei Iridium normalerweise vorhandenen flächenzentrierten kubischen Kristallstruktur. Hierbei wird durch die Benutzung eines hochenergetischen schmalen Schweißstrahles zur Erzeugung einer schmalen Schweißzone gewährleistet, daß die fanerige Struktur des Einsatzes mit resultierender größerer Duktilität und Festigkeit gegen Brechen beibehalten wird.

In der nachfolgenden Tabelle ist die Inderung der Überschlagsspannung bzw. Funkenspannung der erfindungsgemäßen Zündkerze über eine 24-stündige Dauer bei Benutzung eines Iridiumeinsatzes wiedergegeben.

in Kilovolt

Einsatz Stunden 0 atü 7 atü 14 atü

(O psi) (100 psi) (200 psi)

Iridium

12

16

24

7,3

6,0

7,o

7,5 8,0

7,5

8,5

9-10
10 - 13
10,0
17,0
13,5
13,5

15,0 11 - 14 15,0

12,5 18,0 17,0 15,0

Die Tests wurden unter Verwendung eines 4-Joule-Erregers zur Erzeugung der überschlage der Kerze durchgeführt, wobei der untere Teil des Zünders bei 538°C und etwa ^r atü (100 psi) Druck unter Verwendung von Omgebungsraumluft gehalten wurde. Die Durchschlags- oder Oberschlagsspannungen wurden bei Baumtemperatur und bei den angegebenen Drücken, wobei ein atü (O psi) Atmosphärendruck ist, nach jeder 4-stünd^gen Sunkenentladungsperiode geprüft bzw. gemessen. Die erfindungsgemaße Kerze mit dem Iridiumeinsaljz zeigt keine wesentliche Jbaderung in der Oberschlagsspannung über die 24-stündige Testperiode bei jedem der angegebenen Drücke. Die Ergebnisse zeigen, daß d&r erfindungsgemaß benutzte Iridiumeinsatz zu einer Kerze führt, die einer sehr geringen Abnutzung unter den beschriebenen Bedingungen eines beschleunigten Lebensdauertests ausgesetzt ist. Diese Schlußfolgerungen werden durch eine visuelle Prüfung der Testkerze gestützt, die ergeben hat, daß der Iridiumeinsatz keine Erosion und die Inconel-Nantelspitze, an die der Einsatz angeschweißt worden war, nur eine geringe Erosion, die glatt und eben war, erfahren hat.

Die erfindungsgemäße Kerze ist für einen kontinuierlichen Funken-Betrieb über ausgedehnte Zeitdauern bei Temperaturen so hoch wie 1O93°C und unter starker Vibration besonders geeignet.

- Schutzanspruche -

Claims (1)

1. Schutzansprüche

   1« Zündkerze für einen kontinuierlichen Funkenentladungs— Betrieb über ausgedehnte Zelten bei erhöhten Temperaturen bis zu 1O93°C einschließlich mit einem Mantel— körper, der die Masseelektrode bildet, einem Isolator, der in den Mantelkörper dicht eingesetzt 1st und eine Mittelbohrung aufweist, und einer Mittelelektrode, die in der Mittelbohrung zur Bildung einer Funkenstrecke angeordnet 1st, in welcher die elektrischen Entladungen zwischen der Mittelelektrode und der Masseelektrode über die zwischen der Mittelelektrode und der Masseelektrode freiliegende Oberfläche des Isolators erfolgen, dadurch gekennzeichnet , daß <?er Teil der Masse— elektrode (Z) im Bereich der Funkenstrecke von einem ringförmigen Einsatz (19) aus duktiles» Iridiummetall mit einer hohen Oxidations- und Funkenen ^ne—Festigkeit bei den hohen Temperaturen gebildet ist und daß der ringförmige Einsatz (19) an den Mantelkörper (2) durch eine schmale Schweißzone (23) angeschweißt ist, in der das Iridiummetall sowohl mit dem Metall dee Maatelkörpers gut legiert ist als auch einen geringeren Rekristallisationsgrad zeigt«

   2* Kerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eineatz (19) an seinem Platz in dem Mantelkörper (2) durch eine Elektronen- oder Laserstrahl-Schweißzone (23) gehalten ist·

   3· Kerze nach Anspruch 1 oder2, dadurch g e k e r η zeichnet , daß der duktile Iridiummetalleinsatz (19) eine faserige Kristallstruktur aufweist«

   Kerze nach einem der vorhergehenden ineprüche, dadurch gekennz eichnet, daß die Schweißzone (23) über die volle Tiefe des ringförmigen Einsatz es (19) reicht.