DE19705372A1 - Zündkerze für eine Brennkraftmaschine und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Zündkerze für eine, insbesonde­ re mit Gas befeuerte Brennkraftmaschine nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1. Eine derartige Zündkerze ist aus der WO91/06142 bekannt.

Die Anforderungen an die Lebensdauer von Zündkerzen für Brennkraftmaschinen nehmen gegenwärtig erheblich zu, was ins­ besondere für Zündkerzen gilt, die bei stationär betriebenen, großvolumigen, hochverdichteten, mit Gas befeuerten Brennkraf­ tmaschinen eingesetzt werden sollen. Zündkerzen für diesen Ein­ satzzweck sollen eine lange Laufzeit in der Größenordnung von wenigstens 5000 Stunden haben. Da derartige Brennkraftmaschinen mit hohem Druck arbeiten, muß besonderer Wert auf den Elektro­ denabstand gelegt werden. Real werden Elektrodenabstände von 0,2 bis 0,3 mm nominell eingestellt, was bedeutet, daß bei einer Zündaussetzgrenze derartiger Brennkraftmaschinen von erfahrungs­ gemäß 0,5 bis 0,6 mm das potentielle Abbrandreservoir von 0,2 bis 0,3 mm schnell verbraucht ist und die Zündaussetzgrenze schnell erreicht ist. Die gegenwärtig verfügbaren Zündkerzen genügen der Forderung nach einer langen Lebensdauer nicht, was einen kostenintensiven Zündkerzenwechsel zur Folge hat.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht daher darin, eine Zündkerze nach dem Gattungsbegriff des Patentan­ spruchs 1 so auszubilden, daß sie eine längere Laufzeit hat.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Ausbildung gelöst, die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegeben ist.

Bei der erfindungsgemäßen Zündkerze können aufgrund der Edelmetallarmierung kleine Zündspalte ausgebildet werden und kann der Elektrodenabstand sehr lange konstant gehalten werden. Es kann eine große Funkenaustrittsfläche vorgesehen sein, so daß die Erwartungen an die hohe Lebensdauer erfüllt werden können.

Weiterhin ist es bei der erfindungsgemäßen Zündkerze mög­ lich, die Funkenlage optimal auszubilden, das heißt, die Funken­ strecke möglichst weit in den Verbrennungsraum zu plazieren, um auch extrem magere Gemische aussetzerfrei zu entflammen.

Besonders bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Zündkerze sind Gegenstand der Patentan­ sprüche 2 bis 15.

Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein Verfahren zum Herstellen der erfindungsgemäßen Zündkerze, das Gegenstand des Patentanspruchs 16 ist.

Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung beson­ ders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher be­ schrieben. Es zeigen:

Fig. 1 in einer Schnittansicht die zündseitige Elektroden­ konfiguration eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Zündkerze,

Fig. 2 in einer Schnittansicht die zündseitige Elektroden­ konfiguration eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungs­ gemäßen Zündkerze,

Fig. 3 eine Draufsicht auf die Masseelektrode bei einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Zündkerze,

Fig. 4 eine Draufsicht auf die Masseelektrode bei noch einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Zündkerze,

Fig. 5 in perspektivischen Ansichten die Arbeitsschritte bei einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 6 die verschiedenen Arbeitsschritte bei der Herstel­ lung der Masseelektrode bei einem Ausführungsbeispiel des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens und

Fig. 7 und 8 in einer Teilschnittansicht und einer Drauf­ sicht ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Anbringen der Ringelektrode.

Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel der erfin­ dungsgemäßen Zündkerze umfaßt einen metallischen Körper 1 mit Einschraubgewinde, in dem zentrisch ein keramischer Isolator 2 angeordnet ist. Wie es in Fig. 1 dargestellt ist, handelt es sich dabei um eine Zündkerze mit vergezogener Funkenlage, bei der der Isolator 2 über den vorderen Rand des metallischen Kör­ pers 1 hinaus in den Brennraum der Brennkraftmaschine vorsteht. Im keramischen Isolator 2 ist mittig eine Mittelelektrode 3 vorgesehen, die zusammen mit einer Masseelektrode 4 einen Zünd­ spalt ZS für die Ausbildung eines Zündfunkens bildet. Die Masse­ elektrode 4 ist elektrisch mit dem metallischen Körper 1 ver­ bunden und in Form einer Ringelektrode ausgebildet, die den gesamten Umfang der Mittelelektrode 3 umschließt.

Um möglichst den kompletten zur Verfügung stehenden Ab­ brandvorrat an der Funkenstrecke zu nützen, ist diese zwischen der Mittelelektrode 3 und der Ringelektrode 4 ringförmig so ausgebildet, daß der gesamte Mantelbereich der Mittelelektrode 3 und die Innenfläche der Bohrung der Ringelektrode 4 als Fun­ kenaustrittsfläche genutzt werden kann und als Abbrandreserve zur Verfügung steht. Die Lebensdauer der Zündkerze mit einer derartigen Funkenstreckenausbildung ist durch den Einsatz eines abbrandfesten Werkstoffes nämlich eines Edelmetalls wie Platin oder einer Platinlegierung erheblich erhöht. Wie es in Fig. 1 dargestellt ist, ist dazu im gesamten Bereich der Funkenstrecke die potentielle Funkenaustrittsfläche mit dem Edelmetall ausge­ kleidet. Die Mittelelektrode 3 ist im zündseitigen Bereich, d. h. im Abschnitt der Funkenstrecke oder an der Fläche, die die Fun­ kenstrecke begrenzt, mit einer Edelmetallarmierung in Form einer Edelmetallhülse 5 versehen. Die Ringelektrode 4 ist an ihrer In­ nenseite d. h. an der den Zündspalt begrenzenden Fläche mit einer Edelmetallbuchse 6 versehen. Die Edelmetallhülse 5 und die Edel­ metallbuchse 6 bestehen insbesondere aus Platin oder einer Pla­ tinlegierung.

Die Ringelektrode 4 ist formgebogen und unter einem Winkel α mit dem Körper 1 verbunden.

Zum Anbringen der Edelmetallhülse 5 an der Mittelelektrode 3 ist am zündseitigen Ende der Mittelelektrode 3 eine Verjüngung vorgesehen, auf die die Edelmetallhülse 5 aufgeschoben oder aufgepreßt ist. An der Stirnseite der Mittelelektrode 3 ist beispielsweise durch eine Ansenkung oder Bohrung eine Vertiefung ausgebildet, so daß sich ein ringförmiger Bord ergibt. Dieser Bord wird über die Edelmetallhülse 5 gebördelt, wodurch eine formschlüssige Verbindung erzielt wird. Die Edelmetallhülse 5 kann mit der Mittelelektrode 3 darüber hinaus verschweißt sein.

Die Edelmetallbuchse 6 wird an der Ringelektrode 4 dadurch angebracht, daß die Edelmetallbuchse 6 in die in der Ringelek­ trode 4 befindliche Bohrung eingeführt und eingepreßt wird und zwar derart, daß am zündseitigen Ende die Edelmetallbuchse 6 ringförmig über die Ringelektrode 4 übersteht. Der überstehende Rand der Edelmetallbuchse 6 wird gebördelt oder genietet, um eine formschlüssige Verbindung zu erzielen. Auch die Edelmetall­ buchse 6 kann zusätzlich mit der Ringelektrode 4 verschweißt sein.

Die Ringelektrode 4 ist vorzugsweise glockenförmig mit einem Winkel α von 10° bis 30° angebogen. Durch diese schräge Anstellung der Ringelektrode 4 wird weniger Metalloberfläche der Verbrennungswärme ausgesetzt, so daß die Ringelektrode 4 beim Betrieb zu geringeren Glühzündungen neigt.

Wie es in Fig. 3 dargestellt ist, ist die Ringelektrode 4 vorzugsweise sternförmig mit drei speicherartigen Zacken ausge­ bildet, die glockenförmig umgebogen und an ihren Enden an den Körper 1 angeschweißt sind. Die Ringelektrode 4 kann mit mehr als drei speichenartigen Zacken ausgebildet sein oder auch nur zwei Speichen aufweisen, wie es in Fig. 4 dargestellt ist. Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ergibt sich nach dem Umbiegen der Zacken eine bügelartige Ringelektrode. Dieses in Fig. 4 dargestellte Ausführungsbeispiel hat den besonderen Vorteil einer besseren Umspülung des Gemisches und einer Minde­ rung des Quenching-Effektes, z. B. einer Verhinderung der Flamm­ ausbreitung.

Um weniger Metalloberfläche der Verbrennungswärme auszuset­ zen sind auch die speicherartigen Zacken der Ringelektrode 4 zum Elektrodenring hin verjüngt, so daß der Querschnitt der Ring­ elektrode 4 zum kalten Teil des Körpers 1 immer größer wird und eine optimale Wärmeableitung garantiert ist.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Elektrodenabstand ZS mit einen Spalt Sp1 so ausgebildet, daß der Elektrodenabstand, d. h. der Zündspalt ZS und der Spalt Sp1 zwi­ schen der Isolatorfußspitze und der Unterkante der Ringelektrode 4 mindestens im Verhältnis 1 : 1 ausgelegt sind, und nach dem Aufbrauchen der Luftfunkenstrecke ZS sich ein Funke als kombi­ nierter Gleit- und Luftfunke zwischen dem Spalt Sp1 ausbilden kann.

Fig. 5 zeigt die Arbeitsfolge der Herstellung der Mittel­ elektrode 3 mit einer Edelmetallhülse, insbesondere einer Pla­ tinhülse 5. Fig. 5A zeigt die Mittelelektrode 3, die am zündsei­ tigen Ende beispielsweise durch Drehen, Anreduzieren oder Kalt­ fliespressen verjüngt ist. Die Stirnseite der Mittelelektrode 3 ist mit einer Vertiefung 7 beispielsweise durch Versenken oder Versenkbohren ausgebildet, so daß sich zwischen der Verjüngung 8 und der Vertiefung 7 ein ringförmiger Bord 9 ergibt. Wie es in Fig. 5B dargestellt ist, wird danach die Platinhülse 5 über die Mittelelektrode 3 gefügt, d. h. insbesondere geschoben oder ge­ preßt. Anschließend wird gemäß Fig. 5C die Platinhülse 5 mit der Mittelelektrode 3 durch Umlegen des Bordes 9 formsicher montiert. In dem in Fig. 5D dargestellten Arbeitsschritt wird die Platinhülse 5 mit der Mittelelektrode 3 nach dem Umlegen zusätzlich verschweißt oder verlötet.

Fig. 6 zeigt die Arbeitsschritte bei der Herstellung der Ringelektrode 4 bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbei­ spiel.

In dem in Fig. 6A dargestellten Arbeitsschritt werden die Außen- und die Innenkontur der Ringelektrode 4 einstückig aus einem Metallband z. B. einem Nickelband oder einem Nickellegie­ rungsband beispielsweise durch Stanzen hergestellt. In dem in Fig. 6B dargestellten Arbeitsschritt wird die Ringelektrode 4 glockenförmig gebogen. Anschließend wird im Arbeitsschritt gemäß Fig. 6C die Ringelektrode 4 mit einer Edelmetallbuchse 6 ar­ miert. Dabei wird die Edelmetallbuchse 6 in die Bohrung 10 der Ringelektrode 3 gedrückt und werden anschließend die überstehen­ den Enden der Edelmetallbuchse 6 durch Bördeln umgelegt, um eine formsichere Armierung zu erreichen, wie es in Fig. 6D darge­ stellt ist. Die Verbindung zwischen der Edelmetallbuchse 6 und der Ringelektrode 4 kann zusätzlich geschweißt oder gelötet werden.

Wenn als Edelmetallbuchse 6 eine Platinbuchse vorgesehen wird, dann wird die Ringelelektrode 4 aus Inconel gefertigt, um eine gute Verbindung zwischen der Platinbuchse und der Inconel­ ringelektrode zu erzielen.

Die Ringelektrode 4 und/oder die Edelmetallbuchse 6 können weiterhin aus einem Zweistoffmaterial gefertigt werden, das z. B. aus Nickel mit einer Platinauflage besteht. Aus Kostengründen ist dann das Trägermaterial Nickel und ist die abbrandfeste Platinauflage durch Oberflächenplattierung ausgebildet. Dadurch läßt sich der Verbrauch an hochwertigem Edelmetall so gering wie möglich halten.

Bei der Herstellung der Ringelektrode 4 und der Mittelelek­ trode 3 werden somit die Edelmetallarmierungen durch mechanische Befestigung beispielsweise durch Bördeln und Pressen angebracht. Ein Schweißen der Edelmetallarmierungen nach der Montage bietet eine zusätzliche Sicherung. In dieser Weise wird das Edelmetall großflächig angebracht, so daß keine Konzentrizitätsprobleme der Anordnung des Edelmetalls auftreten.

Im folgenden wird anhand der Fig. 7 und 8 ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Verfahrens der Anbringung der Ringelektrode 4 am Körper 1 beschrieben.

Es kommt vor, daß der Elektrodenabstand wegen mangelnder Zentrizität der Ringelektrode 4 ungleichmäßig ist und daß un­ terschiedliche Wandstärken der Ringelektrode 4 zu einer schlechteren Wärmeableitung führen. Wenn die Ringelektrode 4 nicht zentrisch auf den Metallkörper 1 aufgeschweißt ist, muß sie nachgestanzt werden und innen und außen entgratet werden.

Um diese Probleme zu beseitigen, wird bei dem in Fig. 7 und 8 dargestellten Verfahren eine Zentrierungsrille 11 für die Ringelektrode 4 konzentrisch im Körper 1 vorgesehen, werden Schweißnocken an der Ringelektrode 4 angeformt und wird an­ schließend die Ringelektrode 4 mit den Schweißnocken in zentri­ scher Anordnung in der Zentrierungsrille 11 mit dem Körper 1 verschweißt.

Bei einer derartigen Ausbildung ist eine einfache Zentrie­ rung der Ringelektrode 4 in der konzentrisch ausgebildeten Zen­ trierungsrille 11 am Körper 1 möglich. Die Ringelektrode 4 kann daher vorher fertig ausgestanzt werden, ein Nachstanzen der Bohrung im am Körper 1 bereits angebrachten Zustand entfällt. Gleichfalls erübrigt sich ein Entgraten der Schweißstelle, da das Material in die Zentrierungsrille 11 fließt.

Die somit erzielte zentrische Montage der Ringelektrode 4 führt zu einem gleichmäßigen Elektrodenabstand und einer gleich­ mäßigen Wärmeabführung. Es können in dieser Weise zwei-, drei- oder vierpolige Zündkerzen aus Ringelektroden für 14er und 18er Gewinde gefertigt werden.

Claims (16)

1. Zündkerze für eine insbesondere mit Gas befeuerte Brenn­ kraftmaschine mit

• - einem elektrisch leitenden Zündkerzenkörper,
• - einer Mittelelektrode, die im Zündkerzenkörper und dem­ gegenüber elektrisch isoliert angeordnet ist und vom Zündkerzen­ körper vorsteht, und
• - einer Masseelektrode, die mit dem Zündkerzenkörper elek­ trisch verbunden und in Form einer Ringelektrode ausgebildet ist, die den vorstehenden Teil der Mittelelektrode mit einem da­ zwischen gebildeten ringförmigen Zündspalt umgibt, dadurch ge­ kennzeichnet, daß,
• - die Mittelelektrode (3) an ihrer den Zündspalt begrenzen­ den Mantelfläche mit einer Edelmetallarmierung versehen ist.

2. Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringelektrode (4) an ihrer den Zündspalt begrenzten Ring­ fläche mit einer Edelmetallarmierung versehen ist.

3. Zündkerze nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Edelmetallarmierung an der Ringelektrode (4) aus einer Edelmetallbuchse (6) und an der Mittelelektrode (3) aus einer Edelmetallhülse (5) besteht.

4. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringelektrode aus Nickel oder einer Nickellegierung besteht.

5. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Ringelektrode (4) aus Inconel besteht und das Edelmetall der Edelmetallarmierung Platin oder eine Platin­ legierung ist.

6. Zündkerze nach einer der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Edelmetallarmierung der Mittelelektrode (3) und/oder die Ringelektrode (4) aus einem Zweistoffmaterial bestehen.

7. Zündkerze nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Zündstoffmaterial Nickel oder eine Nickellegierung als Trä­ germaterial mit einer Platinauflage ist.

8. Zündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die in Form einer Ringelektrode ausge­ bildetem Masseelektrode (4) über sternförmige Speichen mit dem Zündkerzenkörper (1) verbunden ist, wobei der ringförmige Zünd­ spalt zwischen einer Bohrung (10) in der Masseelektrode (4) und der Mittelelektrode (3) gebildet ist.

9. Zündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ge­ kennzeichnet durch eine zusätzlich vorgesehene Gleitfunken­ strecke, die zwischen der Isolatorfußspitze und der Unterkante der Masseelektrode (4) ausgebildet ist.

10. Zündkerze nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftfunkenstrecke des Zündspaltes und die Gleitfunkenstrecke im Verhältnis von 1 : 1 stehen.

11. Zündkerze nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die sternförmigen Speichen der Masseelektrode (4) glockenartig angeschrägt sind.

12. Zündkerze nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschrägungswinkel 10° bis 30° beträgt.

13. Zündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Funkenlage vorgezogen ist.

14. Zündkerze nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Funkenlage 6 mm beträgt.

15. Zündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Masseelektrode (4) aus Inconel gebildet ist.

16. Verfahren zum Herstellen einer Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß im Zündkerzen­ körper (1) eine konzentrische Zentrierungsrille (11) für die Masseelektrode (4) vorgesehen wird, Schweißnocken an die Masse­ elektrode (4) angeformt werden und die Masseelektrode (4) mit den Schweißnocken in die Zentrierungsrille (11) des Zündkerzen­ körpers (1) eingesetzt und damit verschweißt wird.