WO2022090031A1 - Vorkammer-zündkerze - Google Patents

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WO2022090031A1
WO2022090031A1 PCT/EP2021/079116 EP2021079116W WO2022090031A1 WO 2022090031 A1 WO2022090031 A1 WO 2022090031A1 EP 2021079116 W EP2021079116 W EP 2021079116W WO 2022090031 A1 WO2022090031 A1 WO 2022090031A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
housing
weld
spark plug
cap
weld seam
Prior art date
Application number
PCT/EP2021/079116
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Dennis QUEST
Paul Justus Sieffert
Matthias Blankmeister
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Priority to EP21794861.1A priority Critical patent/EP4238195A1/de
Publication of WO2022090031A1 publication Critical patent/WO2022090031A1/de

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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
    • H01T13/54—Sparking plugs having electrodes arranged in a partly-enclosed ignition chamber
    • 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
    • H01T21/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture or maintenance of spark gaps or sparking plugs
    • H01T21/02—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture or maintenance of spark gaps or sparking plugs of sparking plugs

Definitions

  • DE 10 2017 221 517 A1 already discloses a prechamber spark plug which has a housing and a cap which is arranged at the combustion chamber end of the housing and which together with the housing forms a prechamber and an insulator arranged inside the housing , a center electrode disposed within the insulator, and a ground electrode, the ground electrode and the center electrode forming an ignition gap in the prechamber.
  • the invention is based on the inventor's idea that in the case of pre-chamber spark plugs, which are exposed to extreme thermal and mechanical conditions in the combustion chambers of internal combustion engines, there must be a particularly stable connection between the cap and the spark plug housing if the service life and operational reliability of the prechamber spark plug should be high.
  • the cap is fastened to the housing by at least two weld seams which are offset from one another in the longitudinal direction, overlap one another in the longitudinal direction and run around the prechamber spark plug.
  • These at least two longitudinally offset, longitudinally overlapping welds running around the prechamber spark plug create a robust overall weld that does not separate even under high thermal and mechanical loads and is therefore less susceptible to cracks having.
  • the overlap can, for example, always be at least 30% of the width of an individual weld seam.
  • the individual weld seams can each have a depth (in the radial direction of the spark plug) that is 2 to 20 times greater than their width (in the longitudinal direction of the spark plug).
  • the depth of the individual weld seams can be 200 ⁇ m to 1200 ⁇ m, for example.
  • the fact that the at least two weld seams overlap in the longitudinal direction means that each weld seam overlaps in the longitudinal direction with the weld seams that are adjacent to it in the two longitudinal directions .
  • An overlap with weld seams that are further away is merely the subject of a further development of the invention.
  • the cap is arranged on the housing in such a way that a joint gap is formed between the cap and the housing, that the at least two weld seams comprise a first weld seam and a second weld seam, the first weld seam being formed on this joint gap and the second weld seam is offset in the longitudinal direction to the first weld seam and is arranged so that it overlaps.
  • the first weld creates a connection between the cap and the housing, for example beforehand, the weld is widened by the second weld, which means that gradients in the material concentrations that occur in the weld are less high and that segregation and the associated segregation result Cracks in the weld seam during operation of the prechamber spark plug is effectively prevented.
  • the at least two weld seams also include a third weld seam in addition to the first and second weld seam, with the first weld seam in turn being formed on this joint gap and the second weld seam and the third weld seam offset in the longitudinal direction to the first weld seam and overlapping it are arranged such that the first weld is longitudinally located between the second weld and the third weld.
  • the first weld seam can in turn be made before the second and the third weld seam.
  • a relatively precise positioning of the cap relative to the housing is already advantageously achieved by pushing it on or pushing it in.
  • the joining gap is material from a joining partner (namely the housing in the case of the pushed-on cap; and the cap in the case of the pushed-in cap). Based on this, it can be provided that the first weld seam penetrates the joint gap and extends into the joint partner underneath—that is, the housing or cap. The weld seam is then particularly deep and therefore strong.
  • the weld seam can also have a depth (radially inward) that is less than the depth (radially inward) of the joint gap. This weld can be made in a short time and therefore at low production costs be introduced.
  • the plurality of weld seams can each lie in a plane that is perpendicular to the longitudinal axis of the prechamber plug, with the planes associated with the different weld seams being parallel to one another.
  • the at least two weld seams can run along at least two threads of a helix running around the longitudinal axis of the prechamber spark plug. This has the advantage that all welds can be made without interruption.
  • a relatively wide overall weld seam is preferably generated in this way, which is at least 500 ⁇ m wide, for example.
  • Material gradients within the overall weld are preferably relatively small, for example this can be expressed in the fact that the cap predominantly has a first material, for example nickel, which the housing essentially does not have, and that the concentration of the first material in the weld in longitudinal direction from the cap to the housing continuously decreases; and/or that the housing contains a second material, for example iron, which the cap does not contain or has in a lower concentration, and that the concentration of the second material in the weld seam decreases continuously in the longitudinal direction from the housing to the cap; the decrease/increase is preferably always less than 20% by weight per 100 ⁇ m.
  • connection or the individual weld seams can advantageously be produced by laser radiation, for example by continuous laser radiation, for example within a period of 100 ms to 1500 ms in total or in each case.
  • the laser radiation can preferably have a high brilliance, e.g. at least 250 W/(mm*mrad).
  • the prechamber spark plug can be rotated about its longitudinal axis and, if necessary, additionally advanced in its longitudinal direction.
  • the position of the laser radiation can be stationary.
  • the laser radiation can also be transmitted by a beam deflection unit (e.g. galvo scanner). periodically moved up and down in the longitudinal direction of the prechamber spark plug or rotated on a circular or elliptical path.
  • a beam deflection unit e.g. galvo scanner
  • Other wobble welding methods known per se can also be used. This results in even wider and more homogeneous welded joints.
  • FIG. 1 shows an example of a prechamber spark plug according to the invention.
  • Figure 2 shows an enlarged view of area II from Figure 1.
  • FIG. 3 shows steps a), b) and c), in each of which a weld seam is introduced.
  • Figure 4 shows an element concentration along the weld joint after steps a), b) and c) from Figure 3.
  • FIG. 1 shows a spark plug 1 in a half-sectional view.
  • the spark plug 1 comprises a housing 2.
  • An insulator 3 is inserted into the housing 2.
  • the housing 2 and the insulator 3 each have a bore along their longitudinal axis.
  • the housing has an outside 24 and an inside 23.
  • the longitudinal axis of the housing 2, the longitudinal axis X of the insulator 3 and the longitudinal axis of the spark plug 1 coincide.
  • a center electrode 4 is inserted into the insulator 3 .
  • an electrical contact extends into the insulator 3, via which the spark plug 1 is electrically contacted with a voltage source. The electrical contact forms the end of the spark plug 1 facing away from the combustion chamber.
  • the electrical contact can be formed in one piece or, as in this example, from several components, such as a connecting bolt 8 and a connecting nut 9 .
  • the insulator 3 is typically divided into three areas: insulator base 31, insulator body 32 and insulator head 33. The three areas differ, for example, in their different diameters.
  • the insulator base 31 is the end of the insulator 3 facing the combustion chamber.
  • the center electrode 4 is arranged inside the insulator base 31 .
  • the insulator base 31 is generally arranged entirely within the housing 2 . As a rule, the insulator foot 31 has the smallest outside diameter on the insulator s.
  • the insulator body 32 which is generally completely surrounded by the housing 2 , is arranged adjacent to the insulator foot 31 .
  • the insulator body 32 has a larger outside diameter than the insulator base 31.
  • the transition between the insulator base 31 and the insulator body 32 is designed as a shoulder or a throat. This transition is also referred to as the foot fillet or insulator seat 35 .
  • the insulator head 33 adjoins the end of the insulator body 32 facing away from the combustion chamber and forms the end of the insulator 3 facing away from the combustion chamber.
  • the insulator head 33 projects out of the housing 2 .
  • the outside diameter of the insulator head 33 lies between the outside diameters of the insulator foot 31 and the insulator body 32, with the areas typically not having a constant outside diameter over their length, but the outside diameter can vary.
  • the housing 2 has a seat 25 on its inside.
  • the insulator rests with its shoulder or insulator seat 35 on the housing seat 25 .
  • An inner seal 10 is arranged between the insulator seat 35 and the housing seat 25 .
  • the resistance element 7 electrically conductively connects the center electrode 4 to the connection bolt 8.
  • the resistance element 7 is constructed, for example, as a layered system of a first contact board, a resistance board and a second contact board. The layers of the resistance element differ in their material composition and the resulting electrical resistance.
  • the first contact panel and the second contact panel can have a different or the same electrical resistance.
  • the ground electrode 5 is arranged in a bore 52 on the inside 23 of the housing 2 , so that the ground electrode 5 protrudes radially from the inside 23 of the housing into the bore along the longitudinal axis X of the housing 2 .
  • the ground electrode 5 and the center electrode 4 together form an ignition gap.
  • the bore 52 extends from the outside 24 through the housing wall to the inside 23 of the housing 2.
  • the housing 2 has a shaft.
  • a polygon 21, a shrinkage groove and a thread 22 are formed on this shank.
  • the thread 22 is used to screw the spark plug 1 into an internal combustion engine.
  • An outer sealing element 6 is arranged between the thread 22 and the polygon 21 .
  • the outer sealing element 6 is designed as a folded seal.
  • the bore 52 in the housing wall is formed in the area of the thread 22 .
  • the bore 52 for the ground electrode 5 and thus also the ground electrode 5 can be arranged at any desired height in the area of the thread 22 .
  • the center electrode 4 and with it the insulator base 31 protrude to a greater or lesser extent into the antechamber 81 .
  • the position of the bore in the area of the thread 22 and the ground electrode 5 on the inside 23 of the housing 2 can be selected depending on the desired use of the prechamber spark plug.
  • the bore 52 is located in a recess 51 such as a conical or circular groove.
  • the outer diameter of the housing 2 in the depression is smaller than the core diameter of the thread 22.
  • the indentation 51 can arise, for example, by stamping the housing 2 during the production of the prechamber spark plug 1 . Not only is the outer diameter of the housing 2 in the area of the recess 51 reduced, but also the inner diameter of the housing 2 in the area of the recess 51.
  • a cap 80 is arranged on the housing 2 on its end face on the combustion chamber side.
  • the housing 2 and the cap 80 together form an antechamber 81 with an antechamber volume.
  • the antechamber 81 extends from the cap into the housing 2 and inside the housing 2 up to the housing seat 25, on which the insulator 3 rests with its shoulder 35.
  • the space between the housing 2 and the insulator 3 is sealed gas-tight at this point by means of an inner seal 10 .
  • the cap 80 is connected to the housing 2 by at least two weld seams 82 which are offset from one another in the longitudinal direction, overlap one another in the longitudinal direction and run around the prechamber spark plug 1 . These are shown only schematically in FIG. 1 and in more detail in the following figures.
  • Figure 2 shows an enlarged detail II from Figure 1. It shows that the cap 80 is arranged on the housing 2 in such a way that a joint gap 83 is formed between the cap 80 and the housing 2, that the at least two weld seams 82 form a first weld seam 82.1, a second weld seam 82.2 and a third weld seam 82.3, with the first weld seam 82.1 being formed on this joint gap 83 and the second weld seam 82.2 and the third weld seam 82.3 being offset in the longitudinal direction to the first weld seam 82.1 and arranged so that they overlap, so that the first Weld seam 82.1 is arranged in the longitudinal direction between the second weld seam 82.2 and the third weld seam 82.3.
  • the cap 80 is pushed into the housing 2 up to a stop before the welding and that the joining gap 83 is formed at the stop.
  • the example also provides that the first weld seam 82.1 penetrates the joint gap 83 and extends into the cap 80 lying underneath.
  • the three weld seams 82.1, 82.2 and 82.3 shown can each be ring-shaped and lie in planes which are perpendicular to the longitudinal axis X-X of the prechamber spark plug 1.
  • the three weld seams 82.1, 82.2 and 82.3 may lie together on a helix that comprises a total of three thread turns, so that each weld seam 82.1, 82.2 and 82.3 is assigned a thread turn.
  • the weld seams 82.1, 82.2 and 82.3 described above were introduced one after the other by laser radiation, namely first the first, then the second, then the third weld seam, see partial figures a), b) and c ) in FIG. 3.
  • a cap 80 made from a nickel-based alloy and a housing 2 made from steel were used.
  • the iron concentration ci was measured in the area of the weld seam 82 in the longitudinal direction XX of the prechamber spark plug 1 (to the right in FIG. 3) and shown as a measurement curve a) in FIG. It can be seen that the iron concentration ci is very small in the area of the cap 80, is very high in the area of the housing 2 and in between—in the area of the weld seam 82.1—increases with a comparatively large gradient.
  • the iron concentration ci was measured again in the area of the weld 82 in the longitudinal direction XX of the prechamber spark plug 1 and shown as a measurement curve b) in FIG.
  • a comparison of the measurement curve a) with the measurement curve b) shows that the gradient of the iron concentration cl in the area of the weld seams 82.1, 82.2 has decreased, accompanied by a widening of the overall weld seam 82.
  • the weld seams 82 are introduced by cw laser radiation of high brilliance, in the example within 100 ms to 1500 ms in each case or in total.
  • the prechamber spark plug was rotated around its longitudinal axis and advanced between the individual welds or continuously in its longitudinal direction X-X.
  • the laser beam was left stationary.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Spark Plugs (AREA)
  • Ignition Installations For Internal Combustion Engines (AREA)

Abstract

Vorkammer-Zündkerze (1), aufweisend ein Gehäuse (2), eine Kappe (80), die am brennraumseitigen Ende des Gehäuses (2) angeordnet ist, und die zusammen mit dem Gehäuse (2) eine Vorkammer (81) ausbildet, ein innerhalb des Gehäuses (2) angeordneter Isolator (3), eine innerhalb des Isolators (3) angeordnete Mittelelektrode (4) und eine Masseelektrode (5), wobei die Masseelektrode (5) und die Mittelelektrode (4) so angeordnet sind, dass sie einen Zündspalt in der Vorkammer ausbilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Kappe (80) durch mindestens zwei in Längsrichtung zueinander versetzte, einander in Längsrichtung überlappende und um die Vorkammer-Zündkerze umlaufende Schweißnähte (82) an dem Gehäuse (2) befestigt ist.

Description

Beschreibung
Vorkammer-Zündkerze
Stand der Technik
Aus der DE 10 2017 221 517 Al ist bereits eine Vorkammer-Zündkerze bekannt, die ein Gehäuse aufweist sowie eine Kappe, die am brennraumseitigen Ende des Gehäuses angeordnet ist, und die zusammen mit dem Gehäuse eine Vorkammer ausbildet, sowie ein innerhalb des Gehäuses angeordneter Isolator, eine innerhalb des Isolators angeordnete Mittelelektrode und eine Masseelektrode, wobei die Masseelektrode und die Mittelelektrode einen Zündspalt in der Vorkammer ausbilden.
Die Art und Weise, in der die Kappe an dem Gehäuse angeordnet ist, ist in dem genannten Stand der Technik nicht näher spezifiziert.
Vorteil der Erfindung/ Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung basiert auf der Überlegung der Erfinder, dass bei Vorkammer- Zündkerzen, die in Brennräumen von Brennkraftmaschinen extremen thermischen und mechanischen Bedingungen ausgesetzt sind, zwischen der Kappe und dem Gehäuse der Zündkerze eine besonders stabile Verbindung bestehen muss, wenn die Lebensdauer und die Betriebssicherheit der Vorkammer-Zündkerze hoch sein sollen.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Kappe durch mindestens zwei in Längsrichtung zueinander versetzte, einander in Längsrichtung überlappende und um die Vorkammer-Zündkerze umlaufende Schweißnähte an dem Gehäuse befestigt ist. Durch diese mindestens zwei in Längsrichtung zueinander versetzten, einander in Längsrichtung überlappenden und um die Vorkammer-Zündkerze umlaufenden Schweißnähte (nachfolgend auch: Einzelschweißnähte) entsteht eine robuste Gesamtschweißnaht, die sich auch bei hohen thermischen und mechanischen Lasten nicht entmischt und somit eine geringe Anfälligkeit für Risse aufweist.
Dass die mindestens zwei Einzelschweißnähte in Längsrichtung überlappen, hat insbesondere zur Folge, dass zwischen ihnen kein Bereich existiert, der nicht aufgeschmolzen ist, also das Material der Kappe oder des Gehäuses unverändert aufweist, und dass die Summe der Breiten der Einzelschweißnähte (in Längsrichtung der Zündkerze) größer ist als die Breite der Gesamtschweißnaht (in Längsrichtung der Zündkerze).
Die Überlappung kann beispielsweise stets mindestens 30% der Breite einer Einzelschweißnaht betragen.
Die Einzelschweißnähte können jeweils eine Tiefe (in radialer Richtung der Zündkerze) aufweisen, die 2 bis 20 mal so groß ist wie ihre Breite (in Längsrichtung der Zündkerze).
Die Tiefe der Einzelschweißnähte kann beispielsweise 200 pm bis 1200 pm betragen.
Darunter, dass die mindestens zwei Schweißnähte in Längsrichtung überlappen, wird im Rahmen der Anmeldung in dem Fall, in dem mehr als zwei Schweißnähte vorhanden sind, verstanden, dass jede Schweißnaht in Längsrichtung mit den Schweißnähten überlappt, die ihr in den beiden Längsrichtungen jeweils benachbart sind. Ein Überlapp mit weiter entfernt liegenden Schweißnähten (zum Beispiel mit den in den beiden Längsrichtungen jeweils übernächsten Schweißnähten) ist lediglich Gegenstand einer Weiterbildung der Erfindung.
Eine andere Weiterbildung sieht vor, dass die Kappe derart an dem Gehäuse angeordnet ist, dass zwischen der Kappe und dem Gehäuse ein Fügespalt ausgebildet ist, dass die mindestens zwei Schweißnähte eine erste Schweißnaht und eine zweite Schweißnaht umfassen, wobei die erste Schweißnaht auf diesem Fügespalt ausgebildet ist und die zweite Schweißnaht in Längsrichtung versetzt zur ersten Schweißnaht und diese überlappend angeordnet ist. Während die erste Schweißnaht eine Verbindung zwischen der Kappe und dem Gehäuse, beispielsweise zeitlich vorangehend, herstellt, wird die Schweißnaht durch die zweite Schweißnaht verbreitert, was bewirkt, dass in der Schweißnaht auftretende Gradienten der Materialkonzentrationen weniger hoch sind und das in der Folge Entmischungen und damit einhergehenden Rissen in der Schweißnaht im Betrieb der Vorkammer-Zündkerze wirksam vorgebeugt ist.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass die mindestens zwei Schweißnähte neben der ersten und der zweiten Schweißnaht auch eine dritte Schweißnaht umfassen, wobei die erste Schweißnaht wiederum auf diesem Fügespalt ausgebildet ist und die zweite Schweißnaht und die dritte Schweißnaht in Längsrichtung versetzt zur ersten Schweißnaht und diese überlappend angeordnet sind, sodass die erste Schweißnaht in Längsrichtung zwischen der zweiten Schweißnaht und der dritten Schweißnaht angeordnet ist. Die erste Schweißnaht kann wiederum zeitlich vor der zweiten und der dritten Schweißnaht eingebracht werden.
Durch diese Maßnahmen resultiert wiederum der Vorteil, dass in der Schweißnaht auftretende Gradienten der Materialkonzentration vermindert sind, und in der Folge Entmischungen und damit einhergehenden Rissen in der Schweißnaht im Betrieb der Vorkammer-Zündkerze vorgebeugt ist.
Es kann vorgesehen sein, dass die Kappe bis an einen Anschlag auf das Gehäuse aufgeschoben oder bis zu einem Anschlag in das Gehäuse eingeschoben ist; und dass der Fügespalt an dem Anschlag ausgebildet ist. Vorteilhaft ergibt sich bereits durch das Aufschieben bzw. das Einschieben eine relativ genaue Positionierung der Kappe relativ zu dem Gehäuse.
Insbesondere befindet sich unterhalb (also radial einwärts) des Fügespalts Material eines Fügepartners (nämlich des Gehäuses im Fall der aufgeschobenen Kappe; und der Kappe im Fall der eingeschobenen Kappe). Hierauf basierend kann vorgesehen sein, dass die erste Schweißnaht den Fügespalt durchdringt und bis in den darunterliegenden Fügepartner - also Gehäuse oder Kappe - reicht. Die Schweißnaht ist dann besonders tief und damit fest.
Alternativ kann die Schweißnaht aber auch eine Tiefe (radial einwärts) aufweisen, die geringer ist als die Tiefe (radial einwärts) des Fügespalts. Diese Schweißnaht kann in kurzer Zeit und damit bei geringen Herstellungskosten eingebracht werden.
Die mehreren Schweißnähte können jeweils in einer Ebene liegen, die senkrecht zur Längsachse der Vorkammerkerze ist, wobei die den unterschiedlichen Schweißnähten zugeordneten Ebenen untereinander parallel sind. Alternativ ist es aber auch möglich, dass die mindestens zwei Schweißnähte entlang mindestens zweier Gänge einer um die Längsachse der Vorkammerzündkerze umlaufenden Schraubenlinie verlaufen. Das hat den Vorteil, dass die Gesamtheit aller Schweißnähte ohne Unterbrechung eingebracht werden kann.
Vorzugsweise wird so eine relativ breite Gesamtschweißnaht generiert, die beispielsweise mindestens 500 pm breit ist. Materialgradienten innerhalb der Gesamtschweißnaht sind bevorzugt relativ klein, beispielsweise kann das darin zum Ausdruck kommen, dass die Kappe überwiegend ein erstes Material, zum Beispiel Nickel, aufweist , das das Gehäuse im Wesentlichen nicht aufweist, und dass die Konzentration des ersten Materials in der Schweißnaht in Längsrichtung von der Kappe zu dem Gehäuse kontinuierlich abnimmt; und/oder dass das Gehäuse ein zweites Material, zum Beispiel Eisen, das die Kappe nicht oder in einer geringeren Konzentration aufweist, und dass die Konzentration des zweiten Materials in der Schweißnaht in Längsrichtung von dem Gehäuse zu der Kappe kontinuierlich abnimmt; die Abnahme/ die Zunahme ist bevorzugt stets kleiner als 20 Gew.-% pro 100 pm.
Die Herstellung der Verbindung bzw. der Einzelschweißnähte ist vorteilhaft durch Laserstrahlung möglich, beispielsweise durch kontinuierliche Laserstrahlung, beispielsweise innerhalb von einer Dauer von insgesamt bzw. jeweils 100ms bis 1500ms.
Die Laserstrahlung kann vorzugsweise eine hohe Brillanz aufweisen, z.B. mindestens 250 W/(mm*mrad).
Zum Einbringen der Schweißnaht kann die Vorkammer-Zündkerze um ihre Längsachse rotiert werden und ggf. zusätzlich in ihrer Längsrichtung vorgeschoben werden.
Dabei kann die Lage der Laserstrahlung ortsfest sein. Alternativ kann die Laserstrahlung aber auch durch eine Strahlablenkeinheit (z.B. Galvo-Scanner) periodisch in Längsrichtung der Vorkammer-Zündkerze auf und ab bewegt oder auf einer Kreis- oder Ellipsenbahn rotiert werden. Auch andere an sich bekannte Wobbel-Schweißverfahren können verwendet werden. Es ergeben sich so noch breitere und homogenere Schweißverbindungen.
Zeichnung
Figur 1 zeigt ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Vorkammer-Zündkerze.
Figur 2 zeigt vergrößert den Bereich II aus Figur 1.
Figur 3 zeigt die Schritte a), b) und c), in denen jeweils eine Schweißnaht eingebracht wird.
Figur 4 zeigt eine Elementkonzentration entlang der Schweißverbindung nach den Schritten a), b) und c) aus Figur 3.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Figur 1 zeigt in einer halb geschnittenen Ansicht eine Zündkerze 1. Die Zündkerze 1 umfasst ein Gehäuse 2. In das Gehäuse 2 ist ein Isolator 3 eingesetzt. Das Gehäuse 2 und der Isolator 3 weisen jeweils entlang ihrer Längsachse eine Bohrung auf. Das Gehäuse hat eine Außenseite 24 und eine Innenseite 23. Die Längsachse des Gehäuses 2, die Längsachse X des Isolators 3 und die Längsachse der Zündkerze 1 fallen zusammen. In den Isolator 3 ist eine Mittelelektrode 4 eingesetzt. Des Weiteren erstreckt sich in den Isolator 3 eine elektrische Kontaktierung, über diese wird die Zündkerze 1 mit einer Spannungsquelle elektrisch kontaktiert. Die elektrische Kontaktierung bildet das Brennraum-abgewandte Ende der Zündkerze 1. Die elektrische Kontaktierung kann einstückig oder auch wie in diesem Beispiel mehreren aus Komponenten, wie beispielsweise einem Anschlussbolzen 8 und eine Anschlussmutter 9, ausgebildet sein. Der Isolator 3 wird typischerweise in drei Bereich unterteilt: Isolatorfuß 31, Isolatorkörper 32 und Isolatorkopf 33. Die drei Bereiche unterscheiden sich beispielsweise durch unterschiedliche Durchmesser. Der Isolatorfuß 31 ist das Brennraum-zugewandte Ende des Isolators 3. Innerhalb des Isolatorfußes 31 ist die Mittelelektrode 4 angeordnet. Der Isolatorfuß 31 ist in der Regel vollständig innerhalb des Gehäuses 2 angeordnet. In der Regel hat der Isolatorfuß 31 den kleinsten Außendurchmesser am Isolator s.
Angrenzend an den Isolatorfuß 31 ist der Isolatorkörper 32 angeordnet, der in der Regel vollständig vom Gehäuse 2 umfasst ist. Der Isolatorkörper 32 hat einen größeren Außendurchmesser als der Isolatorfuß 31. Der Übergang zwischen Isolatorfuß 31 und Isolatorkörper 32 ist als Schulter oder Kehle ausgebildet. Dieser Übergang wird auch als Fußkehle oder Isolatorsitz 35 bezeichnet.
Der Isolatorkopf 33 grenzt am Brennraum-abgewandten Ende des Isolatorkörpers 32 an diesem an und bildet das Brennraum-abgewandte Ende des Isolators 3. Der Isolatorkopf 33 ragt aus dem Gehäuse 2 heraus. Der Außendurchmesser des Isolatorkopfs 33 liegt zwischen den Außendurchmessern von Isolatorfuß 31 und Isolatorkörper 32, wobei die Bereiche typischerweise über ihre Länge keinen konstanten Außendurchmesser haben, sondern der Außendurchmesser variieren kann.
Das Gehäuse 2 weist an seiner Innenseite einen Sitz 25 auf. Der Isolator liegt mit seiner Schulter bzw. Isolatorsitz 35 auf dem Gehäuse-Sitz 25 auf. Zwischen dem Isolatorsitz 35 und dem Gehäuse-Sitz 25 ist eine Innendichtung 10 angeordnet.
Zwischen der Mittelelektrode 4 und dem Anschlussbolzen 8 befindet sich im Isolator 3 ein Widerstandselement 7, auch Panat genannt. Das Widerstandselement 7 verbindet die Mittelelektrode 4 elektrisch leitend mit dem Anschlussbolzen 8. Das Widerstandselement 7 ist beispielsweise als Schichtsystem aus einem ersten Kontaktpanat, einem Widerstandspanat und einem zweiten Kontaktpanat aufgebaut. Die Schichten des Widerstandselements unterscheiden sich durch ihre Materialzusammensetzung und dem daraus resultierenden elektrischen Widerstand. Das erste Kontaktpanat und das zweite Kontaktpanat können einen unterschiedlichen oder einen gleichen elektrischen Widerstand aufweisen. An der Innenseite 23 des Gehäuses 2 ist die Masseelektrode 5 in einer Bohrung 52 angeordnet, so dass die Masseelektrode 5 radial von der Gehäuse-Innenseite 23 in die Bohrung entlang der Längsachse X des Gehäuses 2 hineinragt. Die Masseelektrode 5 und die Mittelelektrode 4 bilden zusammen einen Zündspalt aus. Die Bohrung 52 erstreckt sich von der Außenseite 24 durch die Gehäusewand bis zur Innenseite 23 des Gehäuses 2.
Das Gehäuse 2 weist einen Schaft auf. An diesem Schaft sind ein Mehrkant 21, ein Schrumpfeinstich und ein Gewinde 22 ausgebildet. Das Gewinde 22 dient zum Einschrauben der Zündkerze 1 in eine Brennkraftmaschine. Zwischen dem Gewinde 22 und dem Mehrkant 21 ist ein äußeres Dichtelement 6 angeordnet. Das äußere Dichtelement 6 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Faltdichtung ausgestaltet.
Die Bohrung 52 in der Gehäusewand ist im Bereich des Gewindes 22 ausgebildet. Dabei kann die Bohrung 52 für die Masseelektrode 5 und damit auch die Masseelektrode 5 auf jeder beliebigen Höhe im Bereich des Gewindes 22 angeordnet sein. Je nach der Position der Masseelektrode 5 im Bereich des Gewindes 22 ragt entsprechend die Mittelelektrode 4 und mit ihr auch der Isolatorfuß 31 mehr oder weniger weit in die Vorkammer 81 hinein. Je nach gewünschten Verwendungszweck der Vorkammer-Zündkerze kann die Position der Bohrung im Bereich des Gewindes 22 und der Masseelektrode 5 auf der Innenseite 23 des Gehäuses 2 gewählt werden.
Die Bohrung 52 ist in einer Vertiefung 51, wie beispielsweise eine konische oder eine runde Nut, angeordnet. Dabei ist der Außendurchmesser des Gehäuses 2 in der Vertiefung kleiner als der Kerndurchmesser des Gewindes 22.
Die Vertiefung 51 kann beispielsweise durch ein Stanzen des Gehäuses 2 bei der Herstellung der Vorkammer-Zündkerze 1 entstehen. Dabei wird nicht nur der Außendurchmesser des Gehäuses 2 im Bereich der Vertiefung 51 reduziert, sondern auch der Innendurchmesser des Gehäuses 2 im Bereich der Vertiefung 51.
Am Gehäuse 2 ist auf dessen brennraumseitigen Stirnfläche eine Kappe 80 angeordnet. Das Gehäuse 2 und die Kappe 80 bilden zusammen eine Vorkammer 81 mit einem Vorkammervolumen. Die Vorkammer 81 erstreckt sich von der Kappe bis ins Gehäuse 2 hinein und innerhalb des Gehäuses 2 bis zum Gehäuse-Sitz 25, dem der Isolator 3 mit seiner Schulter 35 aufliegt. Der Zwischenraum zwischen Gehäuse 2 und Isolator 3 ist an dieser Stelle mittels einer Innendichtung 10 gasdicht abgedichtet.
Die Kappe 80 ist mit dem Gehäuse 2 durch mindestens zwei in Längsrichtung zueinander versetzte, einander in Längsrichtung überlappende und um die Vorkammer-Zündkerze 1 umlaufende Schweißnähte 82 verbunden. Diese sind in der Figur 1 lediglich schematisch und in den nachfolgenden Figuren detaillierter dargestellt.
Figur 2 zeigt vergrößert den Ausschnitt II aus Figur 1. Gezeigt ist, dass die Kappe 80 derart an dem Gehäuse 2 angeordnet ist, dass zwischen der Kappe 80 und dem Gehäuse 2 ein Fügespalt 83 ausgebildet ist, dass die mindestens zwei Schweißnähte 82 eine erste Schweißnaht 82.1, eine zweite Schweißnaht 82.2 und eine dritte Schweißnaht 82.3 umfassen, wobei die erste Schweißnaht 82.1 auf diesem Fügespalt 83 ausgebildet ist und die zweite Schweißnaht 82.2 und die dritte Schweißnaht 82.3 in Längsrichtung versetzt zur ersten Schweißnaht 82.1 und diese überlappend angeordnet sind, sodass die erste Schweißnaht 82.1 in Längsrichtung zwischen der zweiten Schweißnaht 82.2 und der dritten Schweißnaht 82.3 angeordnet ist.
Im Beispiel ist vorgesehen, dass die Kappe 80 zeitlich vor der Schweißung bis an einen Anschlag in das Gehäuse 2 eingeschoben ist und dass der Fügespalt 83 an dem Anschlag ausgebildet ist.
Im Beispiel ist ferner vorgesehen, dass die erste Schweißnaht 82.1 den Fügespalt 83 durchdringt und bis in die darunter liegende Kappe 80 reicht.
Die drei gezeigten Schweißnähte 82.1, 82.2 und 82.3 können jeweils ringförmig sein und in Ebenen liegen, die senkrecht zur Längsachse X-X der Vorkammer- Zündkerze 1 sind.
Es ist im Beispiel allerdings alternativ auch möglich, dass die drei Schweißnähte 82.1, 82.2 und 82.3 gemeinsam auf einer Schraubenlinie liegen, die insgesamt drei Gewindegänge umfasst, sodass jeder Schweißnaht 82.1, 82.2 und 82.3 ein Gewindegang zugeordnet ist. Um den Vorteil des Verfahrens zu verifizieren bzw. zu demonstrieren, wurden die vorangehend beschriebenen Schweißnähte 82.1, 82.2 und 82.3 nacheinander durch Laserstrahlung eingebracht, nämlich zuerst die erste, dann die zweite, dann die dritte Schweißnaht, siehe Teilfiguren a), b) und c) in Figur 3. Dabei wurde eine Kappe 80 aus einer Nickelbasis-Legierung und ein Gehäuse 2 aus Stahl verwendet. Nach dem Einbringen der ersten Schweißnaht 82.1 wurde die Eisenkonzentration ci im Bereich der Schweißnaht 82 in Längsrichtung X-X der Vorkammer-Zündkerze 1 (nach rechts in der Figur 3) gemessen und als Messkurve a) in der Figur 4 dargestellt. Es ist ersichtlich, dass die Eisenkonzentration ci im Bereich der Kappe 80 sehr klein ist, im Bereich des Gehäuses 2 sehr groß ist und dazwischen - im Bereich der Schweißnaht 82.1 - mit vergleichsweise großem Gradienten ansteigt. Nach dem Einbringen der zweiten Schweißnaht 82.2 wurde die Eisenkonzentration ci im Bereich der Schweißnaht 82 in Längsrichtung X-X der Vorkammer-Zündkerze 1 erneut gemessen und als Messkurve b) in der Figur 3 dargestellt.
Ein Vergleich der Messkurve a) mit der Messkurve b) zeigt, dass sich der Gradient der Eisenkonzentration cl im Bereich der Schweißnähte 82.1, 82.2 verringert hat, einhergehend mit einer Verbreiterung der Gesamtschweißnaht 82.
Dieser Trend setzt sich durch Einbringen der dritten Schweißnaht 82.3 weiter fort, siehe Messkurve c) in Figur 4: Der Gradient der Eisenkonzentration cl im Bereich der Schweißnähte 82.1, 82.2 und 82.3 verringert sich nochmals, wiederum einhergehend mit einer Verbreiterung der Gesamtschweißnaht 82.
Die Schweißnähte 82 sind durch cw-Laserstrahlung hoher Brillanz eingebracht, im Beispiel innerhalb von jeweils oder insgesamt 100ms bis 1500ms.
Dabei wurde die Vorkammer-Zündkerze um ihre Längsachse rotiert und zwischen den Einzelschweißungen bzw. kontinuierlich in ihrer Längsrichtung X-X vorgeschoben.
Der Laserstrahl wurde ortsfest belassen. Alternativ wäre es möglich zu wobbeln, beispielsweise indem die Laserstrahlung über eine ansteuerbare Strahlablenkeinheit auf der Vorkammer-Zündkerze 1 aufgebracht wird, wobei die Strahlablenkeinheit die Laserstrahlung periodisch in Längsrichtung der Vorkammer-Zündkerze auf und ab bewegt oder auf einer Kreis- oder Ellipsenbahn rotiert oder dergleichen.

Claims

Ansprüche
1. Vorkammer-Zündkerze (1), aufweisend ein Gehäuse (2), eine Kappe (80), die am brennraumseitigen Ende des Gehäuses (2) angeordnet ist, und die zusammen mit dem Gehäuse (2) eine Vorkammer (81) ausbildet, ein innerhalb des Gehäuses (2) angeordneter Isolator (3), eine innerhalb des Isolators (3) angeordnete Mittelelektrode (4) und eine Masseelektrode (5), wobei die Masseelektrode (5) und die Mittelelektrode (4) so angeordnet sind, dass sie einen Zündspalt in der Vorkammer ausbilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Kappe (80) durch mindestens zwei in Längsrichtung zueinander versetzte, einander in Längsrichtung überlappende und um die Vorkammer-Zündkerze umlaufende Schweißnähte (82) an dem Gehäuse (2) befestigt ist.
2. Vorkammer-Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kappe (80) derart an dem Gehäuse (2) angeordnet ist, dass zwischen der Kappe (80) und dem Gehäuse (2) ein Fügespalt ausgebildet ist, dass die mindestens zwei Schweißnähte eine erste Schweißnaht und eine zweite Schweißnaht umfassen, wobei die erste Schweißnaht auf diesem Fügespalt ausgebildet ist und die zweite Schweißnaht in Längsrichtung versetzt zur ersten Schweißnaht und diese überlappend angeordnet ist.
3. Vorkammer-Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kappe (80) derart an dem Gehäuse (2) angeordnet ist, dass zwischen der Kappe (80) und dem Gehäuse (2) ein Fügespalt ausgebildet ist, dass die mindestens zwei Schweißnähte eine erste Schweißnaht, eine zweite Schweißnaht und eine dritte Schweißnaht umfassen, wobei die erste Schweißnaht auf diesem Fügespalt ausgebildet ist und die zweite Schweißnaht und die dritte Schweißnaht in Längsrichtung versetzt zur ersten Schweißnaht und diese überlappend angeordnet sind, sodass die erste Schweißnaht in Längsrichtung zwischen der zweiten Schweißnaht und der dritten Schweißnaht angeordnet ist.
4. Vorkammer-Zündkerze nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kappe bis an einen Anschlag auf das Gehäuse aufgeschoben oder bis zu einem Anschlag in das Gehäuse eingeschoben ist; und dass der Fügespalt an dem Anschlag ausgebildet ist.
5. Vorkammer-Zündkerze nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schweißnaht den Fügespalt durchdringt und bis in den darunter liegenden Fügepartner - also Gehäuse oder Kappe - reicht.
6. Vorkammer-Zündkerze nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Schweißnähte entlang mindestens zweier Gänge einer um die Längsachse der Vorkammerzündkerze umlaufenden Schraubenlinie verlaufen.
7. Vorkammer-Zündkerze nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kappe (80) überwiegend ein erstes Material, zum Beispiel Nickel aufweist , das das Gehäuse im Wesentlichen nicht aufweist und das die Konzentration des ersten Materials in der Schweißnaht in Längsrichtung von der Kappe zu dem Gehäuse kontinuierlich abnimmt; und/oder dass das Gehäuse ein zweites Material, zum Beispiel Eisen, das die Kappe nicht oder in einer geringeren Konzentration aufweist und das die Konzentration des zweiten Materials in der Schweißnaht in Längsrichtung von dem Gehäuse zu der Kappe kontinuierlich abnimmt; die Abnahme/ die Zunahme ist kleiner als 20 Gew.-% pro 100 pm.
8. Vorkammer-Zündkerze nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißnähte jeweils eine Tiefe aufweisen, die 2 bis 20 mal so groß ist wie ihre Breite.
9. Vorkammer-Zündkerze nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißnähte eine Tiefe von 200 pm bis 1200 pm aufweisen.
10. Verfahren zur Herstellung einer Vorkammer-Zündkerze nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei in Längsrichtung versetzten und einander in Längsrichtung überlappenden Schweißnähte durch eine Laserstrahlung eingebracht sind.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlung eine hohe Brillanz aufweist.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlung mit einem cw-Laser erzeugt ist und eine Dauer von 100 ms bis 1500 ms aufweist.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, zur Herstellung einer Vorkammerzündkerze nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst die erste Schweißnaht eingebracht wird, daraufhin die zweite Schweißnaht und anschließend die dritte Schweißnaht.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserschweißnähte in Längsrichtung in der Richtung von der Kappe zum Gehäuse oder in der Richtung vom Gehäuse zu der Kappe nacheinander eingebracht werden.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei die Vorkammer- Zündkerze um ihre Längsachse rotiert wird, während die Schweißnähte eingebracht werden.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlung über eine ansteuerbare Strahlablenkeinheit auf der Vorkammer- Zündkerze aufgebracht wird, wobei die Strahlablenkeinheit die Laserstrahlung periodisch in Längsrichtung der Vorkammer-Zündkerze auf und ab bewegt oder auf einer Kreis- oder Ellipsenbahn rotiert.
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