EP0554853B1 - Elektrode aus Faserverbundwerkstoff für Zündkerze - Google Patents

Elektrode aus Faserverbundwerkstoff für Zündkerze Download PDF

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EP0554853B1
EP0554853B1 EP93101659A EP93101659A EP0554853B1 EP 0554853 B1 EP0554853 B1 EP 0554853B1 EP 93101659 A EP93101659 A EP 93101659A EP 93101659 A EP93101659 A EP 93101659A EP 0554853 B1 EP0554853 B1 EP 0554853B1
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nickel
platinum
electrode
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electrodes
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Otto Löffler
Werner Niessner
Heinz Ambacher
Friedrich E. Schneider
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BERU Ruprecht GmbH and Co KG
Rau G GmbH and Co
Beru Werk Albert Ruprecht GmbH and Co KG
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BERU Ruprecht GmbH and Co KG
Rau G GmbH and Co
Beru Werk Albert Ruprecht GmbH and Co KG
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T13/00—Sparking plugs
    • H01T13/20—Sparking plugs characterised by features of the electrodes or insulation
    • H01T13/39—Selection of materials for electrodes

Definitions

  • the invention relates to a spark plug with an insulator, a center electrode arranged in the insulator, a body arranged on the outside of the insulator and a body electrode attached to the body.
  • the center electrode and / or the body electrode are usually formed from silver or nickel alloys or from a nickel-copper two-material material.
  • Spark plugs with platinum electrodes as the center electrode and / or body electrode are also known.
  • the object on which the invention is based is to create a spark plug of the type mentioned at the outset which, despite a long service life, is associated with lower costs.
  • At least the central electrode or the body electrode is thus formed from a platinum-nickel fiber composite material, which reduces the need for platinum or a platinum alloy and thus leads to considerable cost savings.
  • the electrodes of the spark plug are formed by pieces or disks made of the platinum-nickel fiber composite material being inserted into the spark end of the electrodes
  • the platinum is protected from carburization if it is stored or attached there, which may otherwise consist of a common electrode material such as nickel-copper two-substance.
  • a peak response and field distortion between the nickel as a magnetic and the platinum as a non-magnetic material result in a lower response voltage. This means that the nickel is removed first and the platinum protrudes. Since platinum dissipates the heat even better than nickel, the nickel is additionally cooled, which leads to an overall longer service life.
  • the nickel alloy can be a conventional spark plug nickel alloy, preferably with 1-4% silicon and 0.3% magnesium.
  • Pipes made of nickel or a nickel alloy can also be provided, which are filled with the work function for the electrode-lowering substances such as metal oxides or semiconducting substances and are introduced into a platinum matrix and shaped until only thin nickel fibers are present.
  • FIG. 4 shows a known spark plug with an insulator 5, a central electrode 1 made of a nickel jacket and a copper core with a platinum-nickel insert arranged in the insulator, a body 6 arranged on the outside of the insulator 5 and a body electrode 3 made of nickel attached to the body 6 or Inconell or a nickel jacket, copper core with platinum-nickel disc.
  • the center electrode is attached in the insulator 5 via a glass melt 7, optionally with interference suppression or erosion resistance.
  • the air spark gap 8 is located between the body electrode and the center electrode 3, 5.
  • 5, 5a, 5b show body electrode arrangements which are currently common with platinum or gold-palladium materials made of solid material. According to the invention, these can advantageously consist of a platinum-nickel fiber composite material.
  • the basic design of the first exemplary embodiment of the spark plug according to the invention shown in FIGS. 1 and 1 a corresponds to the design of the known spark plug shown in FIG. 4 with the exception of the design of the center electrode 1 and the body electrode 3.
  • the center electrode 1 has an insert 2 made of a platinum-nickel fiber composite material, which consists of a platinum matrix in which nickel fibers or nickel alloy fibers are embedded.
  • This insert 2 can be made of conventional material in an electrode Electrode base material such as nickel-copper two-component may be embedded.
  • a similar insert 4 made of the platinum-nickel fiber composite material can be provided at the ignition-spark end of the body electrode 3.
  • the inserts 2 and 4 can be attached as disks or plates to the electrode ends, for example welded on or embedded in them, for example tapped.
  • the disks or plates can protrude in the direction of the spark path in front of the nickel body or center electrode 1, 3. If the fiber composite material is embedded in the electrode base material, there is the advantage that the platinum is embedded except at the ignition point and is protected against carburization with a rich mixture.
  • one or more roof electrodes 3 with the corresponding inserts or shoulders 4 made of the platinum-nickel fiber composite material can be provided as body electrodes.
  • the fiber composite insert 4 has a fiber course in the ignition direction. The fibers can also run across the ignition direction, provided that they are exposed on the surface.
  • FIG 3 shows a further exemplary embodiment of the spark plug according to the invention, in which the central electrode 1 is provided with a fiber composite insert 2 and a disk 4 made of the fiber composite material is provided on the body electrode 3.
  • an electrode formed using a platinum-nickel fiber composite material ie the central electrode or the body electrode in combination with a conventional counter electrode made of a nickel electrode material, ie a conventional nickel alloy with preferably 1-4% Si and 0.3% Mg to use a nickel-copper two-substance electrode as a central or body electrode, a silver-copper two-substance electrode or a silver-nickel fiber composite electrode.
  • Interference suppression or erosion resistors 7 can also be used wire-wound base or glass melting may be provided.
  • a spark area with a combination of air and sliding spark gaps leads to a reduction in the response voltage. If a shot chamber 10 is provided, there is an improved insulator cleaning.
  • spark plug according to the invention it is possible to achieve a high electrode spacing and an acceptable response voltage despite a high compression. This results in further physical effects such as a peak effect and field distortion due to the combination of the non-magnetic and magnetic materials platinum and nickel.
  • the fiber composite material made of nickel and platinum fulfills the demand for a lower electrode erosion rate, since it is an erosion-resistant and chemically resistant material, which enables a long service life of the corresponding spark plug.
  • Both the platinum and nickel alloys are sufficiently resistant to erosion. Platinum only appears in a honeycomb shape on the erosion surface after several 100 hours of running time, namely over the entire fiber composite surfaces in the burning area of the sparks. Together with the field distortion at the separation points between the magnetic nickel and the non-magnetic platinum, this leads to increased peak effects, which applies to both the body electrodes and the center electrodes of the spark plugs applies.
  • the response voltage can be further reduced by using additives that lower the work function, such as metal oxides and semiconductors that can withstand the combustion chamber conditions.
  • additives that lower the work function such as metal oxides and semiconductors that can withstand the combustion chamber conditions.
  • thin nickel tubes filled with such materials are used as inserts in the platinum matrix and worked over until the nickel is present as a thin fiber.
  • the platinum-nickel fiber composite material can be in the form of a disk e.g. be tapped into a center electrode made of solid material, welded over the entire diameter, provided with the direction of the fibers in the axis and transverse to the axis, welded to the body electrode, i.e. welded on the face, or used as a rivet in a body electrode bore.
  • platinum rods into a nickel matrix and to shape them until there are enough fine fibers of platinum. In the event of burn-up, platinum peaks occur over a longer period of time over the more abrasive nickel matrix.

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  • Ignition Installations For Internal Combustion Engines (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Zündkerze mit einem Isolator, einer im Isolator angeordneten Mittelelektrode, einem außen am Isolator angeordneten Körper und einer am Körper angebrachten Körperelektrode.
  • Bei einer derartigen üblichen Zündkerze sind die Mittelelektrode und/oder die Körperelektrode üblicherweise aus Silber- oder Nickellegierungen oder aus einem Nickel-Kupfer-Zweistoffwerkstoff gebildet.
  • Es sind auch Zündkerzen mit Platinelektroden als Mittelelektrode und/oder Körperelektrode bekannt.
  • Aus der DE-A- 2 508 490 sind weiterhin ein Silber-Nickel-Verbundwerkstoff in Form eines Silber-Nickel-Faserverbundes für Elektroden sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung bekannt.
  • Bei einer Zündkerze mit Platinelektroden werden für eine lange Lebensdauer der Zündkerze, beispielsweise für Gasmotoren, von über 1000 Stunden große Platinmengen als Abbrandreserve benötigt. Das Platin muß darüber hinaus vor Aufkohlung geschützt werden, wobei die hohen Kompressionsdrucke bei Gasmotoren kleine Elektrodenabstände bedingen. Kleine Elektrodenabstände von beispielsweise 0,3 mm sind jedoch schwierig einzustellen. Die Verwendung von Platinmetallen und Platinlegierungen zur Herstellung der Elektroden ist darüber hinaus mit hohen Kosten verbunden.
  • Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht demgegenüber darin, eine Zündkerze der eingangs genannten Art zu schaffen, die trotz einer langen Lebensdauer mit geringeren Kosten verbunden ist.
  • Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Ausbildung gelöst, die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegeben ist.
  • Bei der erfindungsgemäßen Zündkerze ist somit wenigstens die Mittelelektrode oder die Körperelektrode aus einem Platin-Nickel-Faserverbundwerkstoff gebildet, was den Bedarf an Platin bzw. einer Platinlegierung reduziert und somit zu einer erheblichen Kosteneinsparung führt.
  • Die aufgrund des verringerten Zündspannungsbedarfs möglichen größeren Elektrodenabstände machen es möglich, das Verbrennungsgemisch abzumagern. Das führt insgesamt zu einem besseren Maschinenwirkungsgrad und zu einem geringeren Verbrauch. Werden die Fertigungsschwierigkeiten bei kleinen Elektrodenabständen in Kauf genommen, so führt die dadurch größere Abbrandreserve zu einer längeren Lebensdauer.
  • Besonders bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Zündkerze sind Gegenstand der Patentansprüche 2 bis 5.
  • Wenn insbesondere die Elektroden der Zündkerze dadurch gebildet sind, daß Stücke oder Scheiben aus dem Platin-Nickel-Faserverbundwerkstoff in das zündfunkenseitige Ende der Elektroden eingelagert oder dort angebracht sind, die im übrigen aus einem üblichen Elektrodenmaterial wie beispielsweise Nickel-Kupfer-Zweistoff bestehen können, ist das Platin vor Aufkohlung geschützt. Durch Spitzenwirkung und Feldverzerrung zwischen dem Nickel als magnetischem und dem Platin als nicht magnetischem Material ergibt sich eine niedrigere Ansprechspannung. Das heißt, daß bei der Zündung das Nickel zuerst abgetragen wird und Platin vorsteht. Da Platin noch besser als Nickel die Wärme ableitet, wird das Nickel zusätzlich gekühlt, was insgesamt zur besseren Standzeit führt.
  • Wenn Faserverbundwerkstoffstücke oder -scheiben aus dem Platin-Nickel-Faserverbund am zündfunkenseitigen Ende von Elektroden aus einem Basismaterial wie beispielsweise Nickel-Kupfer-Zweistoff angeordnet sind, ergibt sich eine weitere Einsparung an dem mit hohen Kosten verbundenen Platinmaterial.
  • Aus Gründen der Wärmeausdehnung ist es bevorzugt, 100 bis 6000 Nickel- oder Nickellegierungsfasern pro mm² des Verbundwerkstoffes in der Platinmatrix vorzusehen. Die Nickellegierung kann eine übliche Zündkerzen-Nickellegierung, vorzugsweise mit 1 - 4 % Silizium und 0,3 % Magnesium sein.
  • Es können auch Rohre aus Nickel oder einer Nickellegierung vorgesehen sein, die mit die Austrittsarbeit für die Elektroden absenkenden Stoffen wie beispielsweise Metalloxiden oder halbleitenden Stoffen gefüllt sind und in eine Platinmatrix eingebracht und solang umgeformt werden, bis nur noch dünne Nickelfasern vorliegen.
  • Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen
    • Fig. 1 eine Teilschnittansicht eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Zündkerze,
    • Fig. 1a in einer perspektivischen Ansicht das zündfunkenseitige Ende der Dachelektrode der in Fig. 1 dargestellten Zündkerze,
    • Fig. 2 eine Teilschnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Zündkerze,
    • Fig. 3 eine Teilschnittansicht noch eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Zündkerze,
    • Fig. 4 eine Teilschnittansicht einer bekannten Platinzündkerze, und
    • Fig. 5, 5a, 5b eine Teilschnittansicht und Draufsichten auf übliche Körperelektrodenanordnungen.
  • In Fig. 4 ist eine bekannte Zündkerze mit einem Isolator 5, einer im Isolator angeordneten Mittelelektrode 1 aus einem Nickelmantel und Kupferkern mit einem Platin-Nickel-Einsatz, einem außen am Isolator 5 angeordneten Körper 6 und einer am Körper 6 angebrachten Körperelektrode 3 aus Nickel oder Inconell oder einem Nickelmantel, Kupferkern mit Platin-Nickel-Scheibe dargestellt. Die Mittelelektrode ist über eine Glaseinschmelzung 7 gegebenenfalls mit Entstör- oder Abbrandwiderstand im Isolator 5 angebracht. Zwischen der Körperelektrode und der Mittelelektrode 3, 5 befindet sich die Luftfunkenstrecke 8.
  • In den Fig. 5, 5a, 5b sind Körperelektrodenanordnungen dargestellt, die gegenwärtig mit Platin- oder Gold-Palladium-Werkstoffen aus Vollmaterial üblich sind. Vorteilhafterweise können diese gemäß der Erfindung aus einem Platin-Nickel-Faserverbundwerkstoff bestehen.
  • Das in Fig. 1 und Fig. 1a dargestellte erste Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Zündkerze entspricht in seinem Grundaufbau dem in Fig. 4 dargestellten Aufbau der bekannten Zündkerze mit der Ausnahme der Ausbildung der Mittelelektrode 1 und der Körperelektrode 3.
  • Die Mittelelektrode 1 weist einen Einsatz 2 aus einem Platin-Nickel-Faserverbundwerkstoff auf, der aus einer Platinmatrix besteht, in die Nickelfasern oder Nickellegierungsfasern eingebettet sind. Dieser Einsatz 2 kann in einer Elektrode aus üblichem Elektrodengrundmaterial wie beispielsweise Nickel-Kupfer-Zweistoff eingebettet sein. In gleicher Weise kann am zündfunkenseitigen Ende der Körperelektrode 3 ein ähnlicher Einsatz 4 aus dem Platin-Nickel-Faserverbundmaterial vorgesehen sein. Die Einsätze 2 und 4 können als Scheiben oder Platten an den Elektrodenenden angebracht, beispielsweise aufgeschweißt oder in diese eingebettet, beispielsweise eingezapft, sein. Die Scheiben oder Platten können in Richtung der Funkenbahn vor der Nickel-Körper- oder Mittelelektrode 1, 3 vorstehen. Wenn das Faserverbundmaterial in das Elektrodengrundmaterial eingebettet ist, ergibt sich der Vorteil, daß das Platin außer an der Zündstelle eingebettet und vor Aufkohlung bei fettem Gemisch geschützt ist.
  • Wie es in Fig. 2 dargestellt ist, können als Körperelektroden ein oder mehrere Dachelektroden 3 mit den entsprechenden Ein- oder Ansätzen 4 aus dem Platin-Nickel-Faserverbundmaterial vorgesehen sein. Bei der in Fig. 2 dargestellten Zündkerze mit zwei Seitenelektroden hat der Faserverbundeinsatz 4 einen Faserverlauf in Zündrichtung. Die Fasern können aber auch quer zur Zündrichtung laufen, sofern sie oberflächlich freigelegt sind.
  • In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Zündkerze dargestellt, bei der die Mittelelektrode 1 mit einem Faserverbundwerkstoffeinsatz 2 versehen ist und auf der Körperelektrode 3 eine Scheibe 4 aus dem Faserverbundwerkstoff vorgesehen ist.
  • Es ist auch möglich, eine unter Verwendung eines PlatinNickel-Faserverbundwerkstoffes gebildete Elektrode, d.h. die Mittelelektrode oder die Körperelektrode in Kombination mit einer üblichen Gegenelektrode aus einem Nickel-Elektrodenmaterial, d.h. einer üblichen Nickellegierung mit vorzugsweise 1 - 4 % Si und 0,3 % Mg, einer Nickel-Kupfer-Zweistoffelektrode als Mittel- oder Körperelektrode, einer Silber-Kupfer-Zweistoffelektrode oder einer Silber-Nickel-Faserverbundelektrode zu verwenden. Weiterhin können Entstör- oder Abbrandwiderstände 7 mit drahtgewickelter Basis oder Glaseinschmelzung vorgesehen sein. Ein Funkenbereich mit einer Kombination aus Luft- und Gleitfunkenstrecke führt zu einer Herabsetzung der Ansprechspannung. Wenn eine Schußkammer 10 vorgesehen ist, ergibt sich eine verbesserter Isolatorreinigung.
  • Gasmotoren sollen mit möglichst mageren Gemischen auskommen, um einen guten Wirkungsgrad zu erzielen, was für den Verkaufserfolg entscheidend ist. Diese Gemische werden im Grenzbereich inhomogen. Es ist deshalb nötig, mit Zündkerzen zu arbeiten, die einen großen Elektrodenabstand haben, um ein möglichst mageres zündfähiges Gemisch entzünden zu können.
  • Bedingt durch die hohen Verdichtungsdrücke ergibt sich eine hohe Ansprechspannung, wodurch wiederum die Größe des Elektrodenabstandes im Hinblick auf das Zündspannungsangebot begrenzt ist.
  • Bei der erfindungsgemäßen Zündkerze ist es möglich, trotz einer hohen Verdichtung noch einen hohen Elektrodenabstand und eine annehmbare Ansprechspannung zu erzielen. Dabei stellen sich weitere physikalische Effekte wie eine Spitzenwirkung und Feldverzerrung aufgrund der Kombination der unmagnetischen und magnetischen Materialien Platin und Nickel ein.
  • Das Faserverbundmaterial aus Nickel und Platin erfüllt die Forderung nach einer geringeren Elektrodenabbrandrate, da es ein abbrandfestes und chemisch beständiges Material ist, was eine lange Lebensdauer der entsprechenden Zündkerze ermöglicht. Sowohl die Platin- als auch die Nickellegierung sind ausreichend abbrandfest. Platin tritt erst nach mehreren 100 Stunden Laufzeit gegenüber dem Nickel etwa wabenförmig auf der Abbrandfläche vor und zwar über die gesamten Faserverbundflächen im Brennbereich der Funken. Das führt zusammen mit den Feldverzerrung an den Trennstellen zwischen dem magnetischen Nickel und dem unmagnetischen Platin zu verstärkten Spitzenwirkungen, was sowohl für die Körperelektroden als auch für die Mittelelektroden der Zündkerzen gilt.
  • Durch die Verwendung von Zusatzstoffen, die die Austrittsarbeit absenken, wie beispielsweise Metalloxiden und Halbleitern, die den Brennraumbedingungen standhalten, läßt sich die Ansprechspannung weiter absenken. Dazu werden statt Drähten dünne, mit derartigen Stoffen gefüllte Nickelrohre als Einsätze in der Platinmatrix verwandt und solange umgearbeitet, bis das Nickel als dünne Faser vorliegt.
  • Der Platin-Nickel-Faserverbundwerkstoff kann in Form einer Scheibe z.B. in eine Mittelelektrode aus Vollmaterial eingezapft sein, über den ganzen Durchmesser aufgeschweißt sein, mit Faserrichtung in Achse und quer zur Achse vorgesehen sein, an die Körperelektrode angeschweißt, d.h. stirnseitig angeschweißt, oder in eine Körperelektrodenbohrung als Niet eingesetzt sein.
  • Es ist weiterhin möglich, in eine Nickelmatrix Platinstäbe einzubringen und diese solange umzuformen, bis genügend feine Fasern aus Platin vorliegen. Bei Abbrand treten dann nach längerer Laufzeit Platinspitzen über die stärker abbrennende Nickelmatrix vor.

Claims (5)

  1. Zündkerze mit einem Isolator (5), einer im Isolator (5) angeordneten Mittelelektrode (1), einen außen am Isolator befindlichen Körper (6) und einer am Körper angebrachten Körperelektrode (3), dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelelektrode und/oder die Körperelektrode unter Verwendung eines Platin-Nickel-Faserverbundwerkstoffes gebildet ist bzw. sind, der aus einer Platinmetallmatrix, in die Nickelfasern eingelagert sind, oder aus einer Nickelmatrix besteht, in die Platinfasern eingelagert sind.
  2. Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Ansätze (2,4) aus dem Platin-Nickel-Faserverbundwerkstoff am zündfunkenseitigen Ende der Mittelelektrode (1) und/oder der Körperelektrode (3) im Funkenbereich angebracht sind.
  3. Zündkerze nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansätze (2,4) aus dem Platin-Nickel-Faserverbundwerkstoff in das zündfunkenseitige Ende der Mittelektrode (1) und/oder der Körperelektrode (3) im Funkenbereich eingebettet sind.
  4. Zündkerze nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Scheibe oder Platte (2,4) aus dem Platin-Nickel-Faserverbundwerkstoff an das zündfunkenseitige Ende der Körperelektrode (3) und/oder Mittelelektrode (1) angeschweißt ist.
  5. Zündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserrichtung des Faserverbundwerkstoffes die Zündfunkenrichtung ist.
EP93101659A 1992-02-05 1993-02-03 Elektrode aus Faserverbundwerkstoff für Zündkerze Expired - Lifetime EP0554853B1 (de)

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