DE60222485T2

DE60222485T2 - Zündkerze

Info

Publication number: DE60222485T2
Application number: DE60222485T
Authority: DE
Inventors: Hideki Nagoya Teramura; Mamoru Nagoya Musasa; Tomoaki Nagoya Kato
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2001-02-27
Filing date: 2002-02-26
Publication date: 2008-06-19
Anticipated expiration: 2022-02-27
Also published as: EP1235320A2; US20030001474A1; EP1235320A3; DE60222485D1; JP2002260816A; US6611084B2; JP4471516B2; EP1235320B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zündkerze zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor.
Eine herkömmliche Zündkerze umfasst im Allgemeinen eine zentrale Elektrode, die von der Spitzenfläche eines Isolators nach unten vorsteht, und eine parallele Masseelektrode, die gegenüber der mittleren Elektrode angeordnet ist, während ein Ende der Masseelektrode mit einem Metallmantel verbunden ist, und ist dazu ausgelegt ein Luft-Kraftstoff-Gemisch mittels einer Funkenentladung zu zünden, die über einen Luftspalt zwischen der zentralen Elektrode und der parallelen Masseelektrode bewirkt wird. Zusätzlich zu einer solchen Zündkerze mit parallelen Elektroden ist eine Gleitfunkenentladungs-Zündkerze bekannt, die eine Zündkerze zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor ist und sich durch verbesserte Verschmutzungsbeständigkeit auszeichnet. Die Gleitfunkenentladungs-Zündkerze ist derart konfiguriert, dass Funken, die in einer Funkenentladungsstrecke erzeugt werden, entlang der Oberfläche eines Isolators in Form einer Gleitfunkenentladung zu allen Zeiten oder unter bestimmten Bedingungen kriechen.
Eine so genannte Halb-Gleitfunkenentladungs-Zündkerze umfasst beispielsweise einen Isolator mit einem darin ausgebildeten zentralen Durchgangsloch; eine zentrale Elektrode, die im zentralen Durchgangsloch gehalten wird und an einem Spitzenteil des Isolators angeordnet ist; einen Metallmantel zum Halten des Isolators derart, dass ein Spitzenteil des Isolators von der Spitzenfläche davon vorsteht; und eine Halb-Gleitfunken-Masseelektrode, die derart angeordnet ist, dass ein Ende derselben mit dem Metallmantel verbunden ist, während das andere Ende derselben entweder der Seitenumfangsfläche der zentralen Elektrode oder der Seitenumfangsfläche des Isolators zugewandt ist. Die Gleitfunkenentladung beinhaltet eine Luftentladung, die zwischen der Funkenfläche der Halb-Gleitfunken-Masseelektrode und der Oberfläche des Isolators bewirkt wird, und eine Funkenbildung, die entlang der Spitzenoberfläche des Isolators kriecht. In der Zündkerze vom Gleitfunkenentladungstyp tritt eine Funkenentladung in einer solchen Weise auf, dass sie entlang der Oberfläche des Isolators kriecht, wodurch eine Verschmutzung kontinuierlich weggebrannt wird und sie folglich eine verbesserte Verschmutzungsbeständigkeit im Vergleich zu einer Zündkerze mit Luftentladung aufweist.
Es wurde eine Hybrid-Zündkerze bereitgestellt, die die Funktionen der Zündkerze vom Parallelelektrodentyp und der Zündkerze vom Halb-Gleitfunkenentladungstyp kombiniert. Da die Abmessungen der Hybrid-Zündkerze derart festgelegt sind, dass, selbst wenn die Spitzenfläche eines Isolators nicht verschmutzt ist, eine Funkenbildung über eine Halb-Gleitfunkenstrecke auftritt, kann eine Kanalbildung effektiv unterdrückt werden, während die Verschmutzungsbeständigkeit hergestellt wird und die Zündeigenschaft verbessert werden kann.
Unter Hybrid-Zündkerzen, die aus einer parallelen Masseelektrode und einer Halb-Gleitfunken-Masseelektrode bestehen, umfasst eine bestimmte Hybrid-Zündkerze einen Wärmefreisetzungsbeschleunigungs-Metallteil, der in einer zentralen Elektrode vorgesehen ist, um die Wärmefreisetzung von der zentralen Elektrode zu beschleunigen, wobei der Wärmefreisetzungsbeschleunigungs-Metallteil aus einem Material besteht, das eine höhere Wärmeleitung aufweist als ein Elektrodenbasismaterial. Wie in 10 gezeigt, ist der Wärmefreisetzungsbeschleunigungs-Metallteil 2m im Inneren des Elektrodenbasismaterials so vorgesehen, dass er die Wärmefreisetzung von der ganzen zentralen Elektrode beschleunigt, wodurch eine gute Wärmefreisetzung von der zentralen Elektrode bewirkt wird. Je größer der Teil des Elektrodenbasismaterials, der vom Wärmefreisetzungsbeschleunigungsmetall belegt ist, ist, desto größer ist der Wärmefreisetzungseffekt.
Aus strukturellen Gründen beinhaltet jedoch das Vergrößern eines Teils der zentralen Elektrode, der durch den Wärmefreisetzungsbeschleunigungs-Metallteil belegt ist, unvermeidlich eine Verringerung der Wanddicke des Elektrodenbasismaterials, was potentiell zu einer Beeinträchtigung der Haltbarkeit gegen Oberflächenerosion des Elektrodenbasismaterials, die von der Funkenentladung über eine Halb-Gleitfunkenstrecke stammt, führt.
Die Hybrid-Zündkerze beinhaltet potentiell eine Variation der Frequenz der Funkenbildung über eine bestimmte Strecke über den Verlauf der Zeit in Abhängigkeit von den Motorbedingungen, den Motoreigenschaften und dergleichen. Die Abmessungen der Hybrid-Zündkerze sind derart festgelegt, dass die Funkenbildung über die Halb-Gleitfunkenstrecke auftritt, selbst wenn eine Kohlenstoffverschmutzung nicht auftritt, sowie wenn eine Kohlenstoffverschmutzung auftritt. Im Fall einer solchen Zündkerze, die eine sehr häufige Funkenbildung gegen die Seitenfläche einer zentralen Elektrode beinhaltet, entsteht ein Problem einer Funkenerosion der Seitenfläche der zentralen Elektrode.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Hybrid-Zündkerze mit einer parallelen Masseelektrode und einer Halb-Gleitfunken-Masseelektrode bereitzustellen, wobei die Zündkerze eine gute Wärmefreisetzung von einer zentralen Elektrode und eine ausgezeichnete Haltbarkeit gegen Funkenerosion durch wirksamen Schutz eines Teils der Seitenumfangsfläche der zentralen Elektrode, die einem häufigen Funkenschlag ausgesetzt ist, aufweist.
EP-A-1 006 631 offenbart eine Zündkerze gemäß dem Oberbegriffteil von Anspruch 1.
Um die obige Aufgabe zu erreichen, stellt die vorliegende Erfindung eine Zündkerze bereit mit: einem Isolator mit einem darin ausgebildeten zentralen Durchgangsloch; einer zentralen Elektrode, die im zentralen Durchgangsloch gehalten wird und die in einem Spitzenteil des Isolators angeordnet ist und ein Edelmetallstückchen aufweist, das sich an einem Spitzenteil derselben befindet; einem Metallmantel zum Halten des Isolators derart, dass ein Spitzenteil des Isolators von einer Spitzenfläche desselben vorsteht; einer parallelen Masseelektrode, die derart angeordnet ist, dass ein Ende derselben mit der Spitzenfläche des Metallmantels verbunden ist, während das andere Ende derselben einer Spitzenfläche der zentralen Elektrode zugewandt ist, um einen Hauptluftspalt zu bilden; und einer Vielzahl von Halb-Gleitfunken-Masseelektroden, die jeweils derart angeordnet sind, dass ein Ende derselben mit dem Metallmantel verbunden ist, während das andere Ende derselben zumindest entweder einer Seitenumfangsfläche der zentralen Elektrode oder einer Seitenumfangsfläche des Isolators zugewandt ist, um eine Halb-Gleitfunkenstrecke zu bilden, wobei: ein Spitzenteil der zentralen Elektrode, der senkrecht auf einer virtuellen Ebene parallel zu einer Achse der zentralen Elektrode vorsteht, einen verjüngten Teil umfasst, der derart verjüngt ist, dass sich dessen Durchmesser in Richtung der Spitzenfläche der zentralen Elektrode in der axialen Richtung verringert; ein konvexer Teil in einer axialen Zwischenposition des verjüngten Teils derart ausgebildet ist, dass ein Umriss desselben, wie in der virtuellen Ebene betrachtet, radial nach außen in Bezug auf die Achse vorsteht; und die zentrale Elektrode einen Wärmefreisetzungsbeschleunigungs-Metallteil umfasst, der eine höhere Wärmeleitfähigkeit und einen höheren Linearausdehnungskoeffizienten aufweist als ein Elektrodenbasismaterial, wobei das Elektrodenbasismaterial einen Oberflächenschichtteil der zentralen Elektrode bildet,
dadurch gekennzeichnet, dass:
ein axial gemessener Abstand zwischen einem konvexen Scheitel des konvexen Teils und einer Spitze des Isolators geringer als 0,5 mm ist; der Wärmefreisetzungsbeschleunigungs-Metallteil in einer Position vorliegt, die 1,5 mm axial rückwärts vom konvexen Scheitel liegt, während er vom Elektrodenbasismaterial umschlossen ist; und
das Elektrodenbasismaterial eine Wanddicke von nicht weniger als 0,6 mm aufweist, wie in einer Position gemessen, die 1,5 mm axial rückwärts vom konvexen Scheitel liegt.
Wie vorstehend beschrieben, weist die zentrale Elektrode den konvexen Teil auf, der derart ausgebildet ist, dass der axial gemessene Abstand zwischen dem konvexen Scheitel und der Spitzenfläche des Isolators geringer als 0,5 mm ist, wodurch der folgende Effekt erbracht wird: Funken, die entlang der Spitzenfläche des Isolators kriechen, können leicht den konvexen Scheitel erreichen, der winkelförmig ist und an dem sich ein elektrisches Feld konzentriert, wodurch eine gute Zündeigenschaft an einem Spalt zwischen der Halb-Gleitfunken-Masseelektrode und der zentralen Elektrode aufrechterhalten wird. Da Funken, die zwischen Elektroden erzeugt werden, entlang der Spitzenfläche des Isolators kriechen, erodieren die Funken beispielsweise einen Teil der zentralen Elektrode, der rückwärts vom konvexen Scheitel liegt, wie z.B. den Bereich C in 10.
Durch die Verwendung der vorstehend beschriebenen Konfiguration, in der der Wärmefreisetzungsbeschleunigungs-Metallteil in einer Position vorhanden ist, die 1,5 mm axial rückwärts vom Scheitel des konvexen Teils der zentralen Elektrode mit dem Edelmetallstückchen, das sich am Spitzenteil befindet, liegt, unterdrückt folglich der Wärmefreisetzungsbeschleunigungs-Metallteil eine Erhöhung der Elektrodentemperatur. Indem dem Elektrodenbasismaterial eine Wanddicke von nicht weniger als 0,6 mm verliehen wird, wie in einer Position gemessen, die 1,5 mm axial rückwärts vom konvexen Scheitel liegt, wird das Elektrodenbasismaterial außerdem ausreichend dick, um dem Fortschritt der Erosion, die der Funkenentladung über eine Halb-Gleitfunkenstrecke zugeordnet ist, standzuhalten, was zur Aufrechterhaltung der Zündkerzenleistung über einen langen Zeitraum beiträgt. Der Wärmefreisetzungsbeschleunigungs-Metallteil besitzt eine höhere Wärmeleitfähigkeit und einen höheren Linearausdehnungskoeffizienten als das Elektrodenbasismaterial. Eine solche Kombination des Elektrodenbasismaterials und des Wärmefreisetzungsbeschleunigungs-Metallteils, die im Material unterschiedlich sind, beinhaltet potentiell ein Berstphänomen, in dem, wenn das Elektrodenbasismaterial infolge des Fortschritts der Erosion dünn wird, die Differenz der Wärmschrumpfung verursacht, dass der Wärmebeschleunigungsmetallteil aus dem Basismetall der Elektrode platzt, bevor der Teil infolge der Erosion freigelegt wird. Das Berstphänomen kann verhindert werden, wie vorstehend erwähnt, indem einem Teil des Elektrodenbasismaterials, das potentiell erodiert wird, eine ausreichende Wanddicke verliehen wird.
Zusätzlich zur vorstehend beschriebenen Konfiguration kann der Wärmefreisetzungsbeschleunigungs-Metallteil innerhalb der zentralen Elektrode in einer Position ausgebildet sein, die weniger als 1,5 mm, wie axial von der Spitze des Elektrodenbasismaterials gemessen, die sich auf der Funkenstreckenseite befindet, liegt. Im Vergleich zum Fall der Konfiguration des Standes der Technik, die in 10 gezeigt ist, ermöglicht eine solche Vorwärtsausdehnung des Wärmefreisetzungsbeschleunigungs-Metallteils eine Erhöhung der Wanddicke des Elektrodenbasismaterials, während der Prozentsatz des Wärmefreisetzungsbeschleunigungs-Metallteils zur zentralen Elektrode unverändert gehalten wird. Der Wärmefreisetzungsbeschleunigungs-Metallteil ist auch über die ganze zentrale Elektrode angeordnet, wodurch die Wärmefreisetzung von der ganzen zentralen Elektrode effektiv verbessert wird.
Vorzugsweise verwendet die vorstehend beschriebene Zündkerze die folgenden Strukturmerkmale: ein gegen Funkenerosion beständiger Metallteil, der aus einem Metall gebildet ist, das eine höhere Funkenerosionsbeständigkeit aufweist als das Elektrodenbasismaterial, ist auf der Oberfläche der zentralen Elektrode gegenüber den Halb-Gleitfunken-Masseelektroden ausgebildet; und das axial hintere Ende des gegen Funkenerosion beständigen Metallteils ist axial vor der Position angeordnet, die 1,5 mm axial rückwärts vom konvexen Scheitel liegt.
Der gegen Funkenerosion beständige Metallteil, der an einem Teil der Oberfläche der zentralen Elektrode angeordnet ist, der der Halb-Gleitfunken-Masseelektrode zugewandt ist und durch Funken potentiell erodiert wird, unterdrückt die Funkenerosion am Oberflächenteil wirksam, wodurch die Zündkerze eine ausgezeichnete Haltbarkeit aufweist.
In diesem Fall ist vorzugsweise der gegen Funkenerosion beständige Metallteil, der aus einem Metall gebildet ist, das eine höhere Funkenerosionsbeständigkeit aufweist als das Elektrodenbasismaterial, an einem Teil der Oberfläche der zentralen Elektrode ausgebildet, der der Halb-Gleitfunken-Masseelektrode zugewandt ist und axial rückwärts vom konvexen Scheitel angeordnet ist; d.h. in einer solchen Weise angeordnet ist, dass er sich nicht über den konvexen Scheitel erstreckt.
Der gegen Funkenerosion beständige Metallteil ist in einer solchen Weise angeordnet, dass er sich nicht über den konvexen Scheitel erstreckt, so dass das Elektrodenbasismaterial, das eine Komponente zum Unterdrücken einer Funkenentladungserosion des Isolators enthält, sich über den konvexen Scheitel erstreckt; d.h. so dass das Elektrodenbasismaterial den konvexen Teil bildet. Durch die Verwendung der Konfiguration wird ein Teil der zentralen Elektrode, der axial rückwärts vom konvexen Teil liegt, mittels des gegen Funkenerosion beständigen Metallteils geschützt, während in der Nähe des konvexen Teils Funken gegen das Basismaterial der zentralen Elektrode prallen, so dass das Basismaterial der zentralen Elektrode splittert. Die so gesplitterte Erosionsunterdrückungskomponente, die im Basismaterial der zentralen Elektrode enthalten ist, haftet an der Spitze des Isolators. Folglich stellt die Konfiguration insofern einen synergistischen Effekt bereit, als die Funkenerosion der Seitenumfangsfläche der zentralen Elektrode unterdrückt wird, während die Kanalbildung unterdrückt wird.
Insbesondere ist der gegen Funkenerosion beständige Metallteil beispielsweise vorzugsweise derart ausgebildet, dass dessen axial vorderes Ende axial vor einer Position angeordnet ist, die 0,5 mm axial rückwärts von der Spitze des Isolators liegt. Wenn der gegen Funkenerosion beständige Metallteil derart angeordnet ist, dass dessen axial vorderes Ende axial rückwärts von der Position liegt, weicht der gegen Funkenerosion beständige Metallteil erheblich von einer Position ab, die wahrscheinlich Funken ausgesetzt wird, was folglich nicht den Effekt der Unterdrückung der Funkenerosion der Elektrode erbringt.
In der vorstehend beschriebenen Zündkerze kann der Isolator an der Öffnungskante des zentralen Durchgangslochs an der Spitzenfläche davon abgerundet oder abgeschrägt sein. Wenn der konvexe Scheitel axial rückwärts von der Spitze des Isolators liegt, werden zum Zeitpunkt der Halb-Gleitfunkenentladung Funken zwischen der Halb-Gleitfunken-Masseelektrode und dem konvexen Scheitel über die Öffnungskante des zentralen Durchgangslochs erzeugt. Wenn die Öffnungskante nicht abgerundet oder abgeschrägt ist, verursachen Funken, die über die Öffnungskante erzeugt werden, das Auftreten von Kanalbildung. Sobald die Kanalbildung auftritt, konzentriert sich die Funkenerzeugung in einer Position, in der die Kanalbildung auftritt; folglich nimmt die Intensität der Kanalbildung gewöhnlich zu. Die Abrundung oder Abschrägung der Öffnungskante unterdrückt effektiv das Auftreten von Kanalbildung. Vorzugsweise wird die Abrundung oder Abschrägung mit einem Krümmungsradius oder mit einer Breite von 0,05 bis 0,4 mm durchgeführt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun lediglich beispielhaft mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben, in denen gilt:
1 ist eine teilweise Schnittansicht, die eine Zündkerze gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ist eine vergrößerte teilweise Schnittansicht, die Elektroden und ihre Umfangsbereiche der Zündkerze von 1. zeigt;
3 ist eine Draufsicht auf die Zündkerze von 2 von unten;
4 – konzeptionelle Ansichten, die ein senkrecht projiziertes Bild auf einer virtuellen Ebene parallel zur Achse der zentralen Elektrode zeigen;
5 zeigt Ansichten zum Erläutern der Definition einer Spitzenposition eines Elektrodenbasismaterials;
6 ist eine konzeptionelle Ansicht, die ein senkrecht projiziertes Bild auf einer virtuellen Ebene parallel zur Achse der zentralen Elektrode zeigt;
7 ist eine konzeptionelle Ansicht, die ein senkrecht projiziertes Bild auf einer virtuellen Ebene parallel zur Achse der zentralen Elektrode zeigt;
8 – Schnittansichten, die wesentliche Teile einer Zündkerze mit einem gekrümmten konvexen Teil zeigen;
9 ist eine Ansicht zum Erläutern der Definition einer Spitzenposition eines Isolators mit einer gekrümmten Spitze;
10 ist eine Ansicht, die ein Beispiel einer herkömmlichen Zündkerze zeigt; und
11 ist ein Graph, der Ergebnisse eines Auslieferungs-Verschmutzungstests zeigt.
1 ist eine teilweise Schnittansicht, die eine Zündkerze 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie gut bekannt ist, umfasst ein Isolator 1, der aus Aluminiumoxid oder dergleichen gebildet ist, Rippen 1A, die an einem Hinterendteil desselben vorgesehen sind, um einen Gleitfunkenabstand zu erhöhen; einen Schenkelteil 1B, der einer Brennkammer eines Verbrennungsmotors ausgesetzt werden soll; und ein zentrales Durchgangsloch 1C, das entlang der Mittelachse ausgebildet ist, wobei ein Öffnungsteil desselben an der Spitzenfläche abgeschrägt ist, wie durch die Bezugsziffer 1G (siehe 4, 6, 7 und 8) angegeben. Das zentrale Durchgangsloch 1C hält darin eine zentrale Elektrode 2. Wenn die zentrale Elektrode 2 ein Edelmetallstückchen verwendet, ist mindestens ein Oberflächenschichtteil der zentralen Elektrode 2 aus einem Elektrodenbasismaterial 2n gebildet, das im Massenprozentsatz aus Eisen: 6–20%; Chrom: 14–25%; Verunreinigungen: nicht mehr als 3%; Aluminium nach Bedarf: 1–2%; und Rest: einer Nickellegierung, die mindestens 58% Nickel enthält, oder einer ähnlichen Legierung besteht. Beispiele des Elektrodenbasismaterials 2n umfassen INCONEL (Handelsname) 600 oder 601. Die zentrale Elektrode 2 ist in einer solchen Weise vorgesehen, dass sie von der Spitzenfläche des Isolators 1 vorsteht.
Die zentrale Elektrode 2 ist mit einem oberen metallischen Anschlusselement 4 über einen Keramikwiderstand 3 elektrisch verbunden, der innerhalb des zentralen Durchgangslochs 1C vorgesehen ist. Ein nicht dargestelltes Hochspannungskabel ist mit dem metallischen Anschlusselement 4 verbunden, um eine hohe Spannung an das metallische Anschlusselement 4 anzulegen. Der Isolator 1 ist durch einen Metallmantel 5 eingeschlossen und durch einen Halteteil 51 und einen gequetschten Teil 5C des Metallmantels 5 abgestützt. Der Metallmantel 5 besteht aus Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt und umfasst einen Werkzeugeingriffsteil (hexagonalen Teil) 5A, der mit einem Zündkerzenschlüssel in Eingriff gebracht werden soll, und einen Außengewindeteil 5B mit einer Nenngröße von beispielsweise M14S. Der Metallmantel 5 wird mittels des gequetschten Teils 5C an den Isolator 1 gequetscht, wodurch der Metallmantel 5 und der Isolator 1 vereinigt werden. Um eine hermetische Abdichtung, die durch Quetschen bewirkt wird, zu ergänzen, werden ein plattenartiges Dichtungselement 6 und drahtartige Dichtungselemente 7 und 8 zwischen den Metallmantel 5 und den Isolator 1 eingefügt. Ein Raum, der zwischen den Dichtungselementen 7 und 8 vorgesehen ist, wird mit einem pulverförmigen Talkum 9 gefüllt. Eine Dichtung 10 ruht am Hinterende des Außengewindeteils 5B; d.h. an einem Sitz 52 des Metallmantels 5.
Eine parallele Masseelektrode 11 ist an eine Spitzenfläche 5D des Metallmantels 5 geschweißt. Ein Basismaterial der parallelen Masseelektrode 11 ist eine Nickellegierung und mindestens ein Oberflächenschichtteil der parallelen Masseelektrode 11 ist aus dem Basismaterial gebildet. Die parallele Masseelektrode 11 ist der Spitzenfläche der zentralen Elektrode 2 axial zugewandt, um dadurch einen Hauptluftspalt (α) dazwischen zu bilden. Die Abmessung des hexagonalen Teils 5A von Seite zu Seite ist beispielsweise 16 mm und die Länge zwischen dem Sitz 52 und der Spitzenfläche 5D des Metallmantels 5 ist auf 19 mm festgelegt. Die festgelegte Abmessung ist eine Standardabmessung einer Zündkerze mit einer kleinen Hexagongröße von 14 mm und einer Abmessung A von 19 mm, wie in JIS B 8031 (1995) vorgeschrieben. Um die Temperatur eines Spitzenteils zum Unterdrücken einer Funkenerosion zu senken, kann ein Material mit guter Wärmeleitung (z.B. Cu, reines Ni oder ein Verbundmaterial davon), das eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist als das Basismaterial, innerhalb der parallelen Masseelektrode 11 bereitgestellt werden. Die vorstehend erwähnte Konfiguration ist zu jener einer herkömmlichen Zündkerze ähnlich.
Die Zündkerze 100 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst eine Vielzahl von Halb-Gleitfunken-Masseelektroden 12 zusätzlich zur parallelen Masseelektrode 11. Jede der Halb-Gleitfunken-Masseelektroden 12 ist derart konfiguriert, dass ein Basismaterial eine Nickellegierung ist; mindestens ein Oberflächenschichtteil aus dem Basismaterial gebildet ist; ein Ende an die Spitzenfläche 5D des Metallmantels 5 geschweißt ist; und eine Stirnfläche 12C des anderen Endes entweder einer Seitenumfangsfläche 2A der zentralen Elektrode 2 oder einer Seitenumfangsfläche 1E des Schenkelteils 1B zugewandt ist. Wie in der Draufsicht von unten von 3 gezeigt, sind zwei Halb-Gleitfunken-Masseelektroden 12 auf dem Umfang um 90° von der parallele Masseelektrode 11 verschoben, während sie auf dem Umfang um im Wesentlichen 180° voneinander verschoben sind.
3 zeigt einen Zustand, in dem ein Spitzenteil des Isolators 1 von der Vorderseite entlang einer Achse 30 betrachtet ist. Die Stirnfläche 12C jeder Halb-Gleitfunken-Masseelektrode 12 weist eine Breite auf, die größer ist als der Durchmesser einer Öffnung des zentralen Durchgangslochs 1C an der Spitzenfläche des Isolators 1. Wie in 2 gezeigt, ist ein vorbestimmter Spalt β, der als Halb-Gleitfunkenstrecke (β) in 1 dient, zwischen der Stirnfläche 12C jeder Halb-Gleitfunken-Masseelektrode 12 und der Seitenumfangsfläche 2A der zentralen Elektrode 2 gebildet; und ein vorbestimmter Spalt 7, der als Halb-Gleitfunken-Isolatorspalt (γ) in 1 dient, ist zwischen der Stirnfläche 12C jeder Halb-Gleitfunken-Masseelektrode 12 und der Seitenumfangsfläche 1E des Schenkelteils 1B gebildet. Ein Spalt α, der als Hauptluftspalt (α) dient, ist auch zwischen einer Seitenfläche 11A der parallelen Masseelektrode 11, wobei die Seitenfläche 11 der zentralen Elektrode 2 zugewandt ist, und einer vorderen Spitzenfläche 2B der zentralen Elektrode 2 gebildet. Ferner ist ein Abstand H (kann nachstehend "Vorsprungmenge H" genannt werden) zwischen der Spitzenfläche 2B der zentralen Elektrode 2, wobei die Spitzenfläche 2B von der Spitze des Isolators 1 nach vorn vorsteht, und der Spitze des Isolators 1 auf einen vorbestimmten Wert gesetzt. Der axiale Abstand zwischen der Spitzenfläche des Isolators 1 und der axial hinteren Kante der Stirnfläche 12C der Halb-Gleitfunken-Masseelektrode ist auf einen vorbestimmten Abstand E mm gesetzt. Diese Werte α, β, γ, E und H können gemäß den folgenden Beziehungen festgelegt werden. Durch Verwendung der Beziehung 0,7 mm ≤ α (mm) ≤ (0,8 (β – γ) + γ) (mm) kann bewirkt werden, dass die Funkenentladung über die Halb-Gleitfunkenstrecke mit einer vorbestimmten Frequenz während des normalen Betriebs auftritt. Die Werte β, γ, E und H werden so eingestellt, dass sie die folgenden Beziehungen erfüllen: (3 (mm) ≤ 2,2 mm; 0,4 mm ≤ γ (mm) ≤ (α – 0,1) (mm); E (mm) ≤ 0,5 mm; und 1,0 mm ≤ H (mm) ≤ 4,0 mm.
Durch die Verwendung der Beziehungen β ≤ 2,2 mm und 0,4 mm ≤ γ (mm) ≤ (α – 0,1) (mm) kann, wenn die Oberfläche des Isolators in einen "Kohlenstoffverschmutzungs"-Zustand eintritt, bewirkt werden, dass die Halb-Gleitfunkenentladung zwischen der Halb-Gleitfunken-Masseelektrode und der zentralen Elektrode zuverlässiger auftritt. Wenn der Abstand β der Halb-Gleitfunkenstrecke größer ist als 2,2 mm, nimmt die Wahrscheinlichkeit zu, dass die Entladung nicht zwischen der Halb-Gleitfunken-Masseelektrode und der zentralen Elektrode stattfindet, wohingegen die Entladung zwischen der zentralen Elektrode und einem Teil des Metallmantels in der Nähe eines Isolatormontageteils entlang der Oberfläche des Schenkelteils des Isolators stattfindet; d.h. die Wahrscheinlichkeit, dass der so genannte Funkenüberschlag stattfindet. Wenn der Abstand γ des Halb-Gleitfunken-Isolatorspalts (γ) geringer ist als 0,4 mm, wird eine Kohlenstoffbrücke zwischen der Halb-Gleitfunken-Masseelektrode und dem Isolator gebildet, wodurch die Wahrscheinlichkeit, dass die Entladung gesperrt wird, zunimmt.
Wenn der Abstand γ des Halb-Gleitfunken-Isolatorspalts (γ) größer wird als der Abstand α des Hauptluftspalts (α) minus 0,1 mm, nimmt selbst in einem "Kohlenstoffverschmutzungs"-Zustand die Wahrscheinlichkeit zu, dass die Entladung vielmehr über den Hauptluftspalt (α) zwischen der parallelen Masseelektrode und der zentralen Elektrode stattfindet als die Entladung über die Halb-Gleitfunkenstrecke (γ) zwischen der Halb-Gleitfunken-Masseelektrode und der zentralen Elektrode stattfindet.
Wenn E nicht größer ist als +0,5 (E ≤ +0,5; das Vorzeichen + gibt die Richtung an, in der sich die untere Kante der Stirnfläche der Halb-Gleitfunken-Masseelektrode von der Spitzenfläche des Isolators nach vorn weg bewegt), kann eine Funkenreinigungswirkung zum Reinigen der Oberfläche des Isolators mittels Funken der Halb-Gleitfunkenentladung effektiv aufrechterhalten werden. Wenn der E-Wert größer ist als 0,5 mm, haften Funken der Halb-Gleitfunkenentladung nicht an der Spitzenfläche des Isolators, wodurch der Effekt der Funkenreinigungswirkung zum Reinigen der Isolatoroberfläche verringert wird.
Wenn H nicht geringer als 1,0 mm und nicht größer als 4,0 mm (1,0 mm ≤ H ≤ 4,0 mm) ist, kann die durch die Halb-Gleitfunkenentladung verursachte Erosion der zentralen Elektrode unterdrückt werden. Ferner kann die Differenz zwischen der Zündeigenschaft, die der Funkenentladung über den Halbluftspalt (α) zwischen der parallelen Masseelektrode und der zentralen Elektrode zugeordnet ist, und jener, die der Halb-Gleitfunkenentladung zugeordnet ist, die durch die Halb-Gleitfunken-Masseelektrode induziert wird, verringert werden, wodurch Drehmomentveränderungen eines Verbrennungsmotors unterdrückt werden, die durch eine Änderung der Zündeigenschaft entstehen, die eine Änderung der Entladungselektroden begleitet. Wenn die Vorsprungmenge H der zentralen Elektrode geringer ist als 1,0 mm, nimmt die Erosion der Seitenumfangsfläche der zentralen Elektrode zu.
Wenn die Vorsprungmenge H der zentralen Elektrode größer ist als 4,0 mm, wird die Zündeigenschaft, die der Halb-Gleitfunkenentladung zugeordnet ist, im Vergleich zu jener, die dem Hauptluftspalt (α) zugeordnet ist, beeinträchtigt, was zu einer erhöhten Differenz der Zündeigenschaft dazwischen führt. Die Temperatur der zentralen Elektrode wird auch zu hoch, was eine Erhöhung der Wahrscheinlichkeit, dass eine Vorzündung entsteht, verursacht.
In 3 ist die Stirnfläche 12C der Halb-Gleitfunken-Masseelektrode 12 flach ausgebildet. Um eine im Wesentlichen gleichmäßige Halb-Gleitfunkenstrecke entlang der Seitenumfangsfläche des Isolators 2 auszubilden, kann jedoch die Stirnfläche 12C beispielsweise durch Stanzen zu einer zylindrischen Form ausgebildet werden, während die Achse 30 des Isolators 2 als Zentrum der zylindrischen Form dient.
Wie im Fall der parallelen Masseelektrode 11 kann ein Material mit guter Wärmeleitung wie z.B. Cu, reines Ni oder ein Verbundmaterial davon innerhalb der Halb-Gleitfunken-Masseelektrode 12 bereitgestellt werden. In diesem Fall umfasst die Halb-Gleitfunken-Masseelektrode 12 einen Oberflächenschichtteil, der aus einem Basismaterial gebildet ist, und einen Innenschichtteil, der aus einem Material mit guter Wärmeleitung (z.B. Cu, reinem Ni oder einem Verbundmaterial davon) mit höherer Wärmeleitfähigkeit als das Basismaterial gebildet ist.
4 zeigt den Isolator 1 und die zentrale Elektrode 2, wie senkrecht auf einer virtuellen Ebene parallel zur Achse 30 der zentralen Elektrode 2 vorstehend, um die Maß- und Positionsbeziehungen unter Strukturmerkmalen des Isolators 1 und der zentralen Elektrode 2 zu erläutern. Wie in 4 gezeigt, umfasst ein Spitzenteil der zentralen Elektrode 2 einen verjüngten Teil, der derart verjüngt ist, dass sich der Durchmesser axial nach vorn verringert; und ein konvexer Teil 2k ist in einer Zwischenposition entlang der Achse 30 des verjüngten Teils in einer solchen Weise ausgebildet, dass er radial nach außen in Bezug auf die Achse 30 vorsteht. 4(a) zeigt eine Konfiguration, in der ein Scheitel P des konvexen Teils 2k (kann nachstehend konvexer Scheitel P genannt werden) axial rückwärts von einer Isolatorspitzenfläche 1D liegt. 4(b) zeigt eine Konfiguration, in der der konvexe Scheitel P axial vor der Isolatorspitzenfläche 1D liegt. Der axial gemessene Abstand L₂ zwischen dem konvexen Scheitel P und einer Isolatorspitze (in 4(a) der Abstand zwischen dem konvexen Scheitel P und der Isolatorspitzenfläche 1D) ist auf weniger als 0,5 mm festgelegt.
Wenn sich der Begriff vorwärts auf eine axiale Richtung bezieht, die zu einem Verbrennungsmotor gerichtet ist, ist ein Wärmefreisetzungsbeschleunigungs-Metallteil 2m in einer Position vorhanden, die in einem Abstand L₃ von 1,5 mm, wie axial rückwärts vom konvexen Scheitel P gemessen, liegt, um eine Funkenerosion durch Senken der Temperatur der zentralen Elektrode 2 zu unterdrücken. Der Wärmefreisetzungsbeschleunigungs-Metallteil 2m ist derart ausgebildet, dass das Elektrodenbasismaterial 2n, das den Wärmefreisetzungsbeschleunigungs-Metallteil 2m umschließt und einen Oberflächenschichtteil der zentralen Elektrode 2 bildet, eine Wanddicke W von nicht weniger als 0,6 mm aufweist, wie in der Position gemessen, die dem Abstand L₃ von 1,5 mm entspricht. Wenn die Wanddicke W oberhalb 2D/5 mm liegt (wobei D der Außendurchmesser der zentralen Elektrode 2 ist, wie in der Position gemessen, die L₃ = 1,5 mm entspricht (siehe 4)), trifft die Zündkerze auf eine Schwierigkeit bei der Verringerung von deren Größe. Folglich ist die Wanddicke W vorzugsweise nicht größer als 2D/5 mm (W ≤ 2D/5 mm). Der Wärmefreisetzungsbeschleunigungs-Metallteil 2m kann aus einen Material mit höherer Wärmeleitfähigkeit als das Elektrodenbasismaterial 2n bestehen. Der Wärmefreisetzungsbeschleunigungs-Metallteil kann beispielsweise aus Cu oder einer Legierung, die eine überwiegende Menge an Cu enthält, bestehen.
Der Wärmefreisetzungsbeschleunigungs-Metallteil 2m ist in einer solchen Weise ausgebildet, dass er sich durch die zentrale Elektrode 2 erstreckt und die Funkens treckenseitenspitze des Elektrodenbasismaterials 2n entlang der axialen Richtung erreicht, oder derart, dass der Wärmefreisetzungsbeschleunigungs-Metallteil 2m die Funkenstreckenseitenspitze nicht erreicht, sondern eine axiale Position erreicht, die weniger als 1,5 mm von der Funkenstreckenseitenspitze liegt. Mit anderen Worten, der Abstand L₁ zwischen der axialen Spitze des Wärmefreisetzungs-Metallteils 2m und der axialen Spitze des Elektrodenbasismetalls 2n ist auf 0 mm (L₁ = 0 mm; d.h. die Spitzenpositionen stimmen miteinander überein) oder auf größer als 0 mm und nicht größer als 1,5 mm (0 mm < L₁ ≤ 1,5 mm) festgelegt. Vorzugsweise ist L₁ geringer als 1,0 mm, während es in den obigen Bereich fällt.
Das Wärmefreisetzungsbeschleunigungsmetall 2m kann derart konfiguriert sein, dass die Breite seines Umrisses, wie auf die vorstehend erwähnte virtuelle Ebene projiziert (eine Breitenrichtung ist zur Achse senkrecht), sich in Richtung einer Spitze der zentralen Elektrode verschmälert. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die vordere Spitze des Wärmefreisetzungsbeschleunigungs-Metallteils 2m spitz. Ein solches Strukturmerkmal ermöglicht, dass der Wärmefreisetzungsbeschleunigungs-Metallteil 2m selbst in einem verjüngten Spitzenteil der zentralen Elektrode 2 angeordnet wird, während die Wanddicke des Elektrodenbasismaterials 2n aufrechterhalten wird. Das vorliegende Ausführungsbeispiel ist derart konfiguriert, dass der Wärmefreisetzungsbeschleunigungs-Metallteil 2m an der axial vorderen Seite des konvexen Scheitels P vorhanden ist und sich axial rückwärts erstreckt.
In der vorliegenden Erfindung, wie in 5(a) gezeigt, ist, wenn ein Elektrodenstückchen 105, das aus Edelmetall oder dergleichen besteht, einteilig mit der Funkenstreckenseitenspitze des Elektrodenbasismaterials 2n mittels Schweißen oder eines ähnlichen Prozesses verbunden ist, die Grenze zwischen dem Elektrodenstückchen 105 und dem Elektrodenbasismaterial 2, die die Achse 30 schneidet, als Funkenstreckenseitenspitze definiert. Wie in 5(b) gezeigt, ist, wenn eine Schmelzzone 106, die sich aus dem Schweißen ergibt, zwischen dem Elektrodenbasismaterial 2n und dem Elektrodenstückchen 105 vorhanden ist, der Schnittpunkt der Achse 30 und der Spitze des Elektrodenbasismaterials 2n, das sich mit der Schmelzzone 106 kombiniert; d.h. der Schnittpunkt der Achse 30 und der Grenze zwischen der Schmelzzone 106 und dem Elektrodenbasismaterial 2n, als Position der Elektrodenbasismaterialspitze definiert. Die Spitze des Wärmefreisetzungsbeschleunigungs-Metallteils 2m ist als axial vorderste Position definiert, die der vorstehende Wärmefreisetzungsbeschleunigungs-Metallteil 2m erreicht.
6 zeigt ein Beispiel, in dem ein gegen Funkenerosion beständiger Metallteil 101 in einer Position ausgebildet ist, die axial rückwärts vom konvexen Scheitel P und an einem Oberflächenschichtteil (einschließlich der Seitenumfangsfläche 2A (2)) der zentralen Elektrode 2, der weniger als 0,5 mm axial rückwärts von der axial vorderen Spitze (der Spitzenfläche 1D in dem Beispiel von 6) des Isolators 1 liegt, ausgebildet ist. Der gegen Funkenerosion beständige Metallteil 101 umfasst den konvexen Teil 2k und erstreckt sich axial über den konvexen Scheitel P. Insbesondere liegen axiale Enden des gegen Funkenerosion beständigen Metallteils 101 auf entgegengesetzten Seiten in Bezug auf den konvexen Scheitel P. Der gegen Funkenerosion beständige Metallteil 101 ist auch derart ausgebildet, dass dessen axial hinteres Ende axial vor einer Position liegt, die 1,5 mm axial rückwärts vom konvexen Scheitel liegt. Ein Ende des gegen Funkenerosion beständigen Metallteils 101 bedeutet die folgende Grenze: wenn der gegen Funkenerosion beständige Metallteil aus einem Edelmetall oder einer Edelmetalllegierung ausgebildet ist, die Grenze zwischen einem Bereich, der die Edelmetallkomponente in einer Menge von nicht weniger als 50 Massen enthält, und einem Bereich, der die Edelmetallkomponente in einer Menge von weniger als 50 enthält; und wenn der gegen Funkenerosion beständige Metallteil aus einem Metall mit einem Ni-Gehalt von nicht weniger als 90 Massen-% ausgebildet ist, der später beschrieben wird, die Grenze zwischen einem Bereich mit einem Ni-Gehalt von nicht weniger als 90 Massen-% und einem Bereich mit einem Ni-Gehalt von weniger als 90%.
Insbesondere kann das Edelmetall ein Metall, das mindestens irgendeines von beispielsweise Ir, Pt, Rh, Ru und Re in einer überwiegenden Menge enthält, oder ein Verbundmaterial, das eine überwiegende Menge des Metalls enthält, sein. Anstatt, dass er eine überwiegende Menge des Edelmetalls enthält, kann der gegen Funkenerosion beständige Metallteil aus einem Metall mit einem Ni-Gehalt von nicht weniger als 90 Massen-% gebildet sein. Durch die Verwendung der Metalle weist der gegen Funkenerosion beständige Metallteil 101 eine ausgezeichnete Wärmebeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit auf; folglich kann die Erosion des gegen Funkenerosion beständigen Metallteils 101 unterdrückt werden, wodurch die Haltbarkeit der Zündkerze 100 (1) verbessert wird. Es entstehen auch die folgenden Vorteile: ein Wiederanhaftungsphänomen (kann auch Perspiration genannt werden), in dem geschmolzene Spritzer von Material während der Entladung wieder an einer Zündkerze anhaften, tritt unwahrscheinlich auf; und eine Funkenentladungsstrecke leidet unwahrscheinlich unter einem Kurschlussphänomen (so genannte Überbrückung), das sich ansonsten aus einem solchen anhaftenden Material ergeben würde.
7 zeigt ein Beispiel, in dem der gegen Funkenerosion beständige Metallteil 101 in einer Position, die axial rückwärts vom konvexen Scheitel P liegt, und an einem Oberflächenschichtteil der zentralen Elektrode, der weniger als 0,5 mm axial rückwärts von der axial vorderen Spitze (die Spitzenfläche 1D in dem Beispiel von 7) des Isolators 1 liegt, ausgebildet ist. Insbesondere ist der gegen Funkenerosion beständige Metallteil 101 derart ausgebildet, dass dessen axial vorderes Ende weniger als 0,5 mm axial rückwärts von der axial vorderen Spitze (der Spitzenfläche 1D) des Isolators 1 liegt. Der gegen Funkenerosion beständige Metallteil 101 ist auch derart ausgebildet, dass dessen axial hinteres Ende axial vor einer Position liegt, die 1,5 mm axial rückwärts vom konvexen Scheitel liegt.
Wenn der gegen Funkenerosion beständige Metallteil 101 derart angeordnet ist, dass dessen axial vorderes Ende weniger als 0,5 mm axial rückwärts von der Spitze des Isolators 1 angeordnet ist, treffen Gleitfunkenentladungsfunken auf den gegen Funkenerosion beständigen Metallteil 101 effizienter auf, wodurch die Elektrodenerosion sehr effektiv unterdrückt wird. Wenn das Vorderende des gegen Funkenerosion beständigen Metallteils 101 über 0,5 mm rückwärts zurückgezogen ist, weicht der gegen Funkenerosion beständige Metallteil 101 erheblich von einer Position ab, die den Funken ausgesetzt werden soll, und trägt folglich unwahrscheinlich zur Unterdrückung der Elektrodenerosion bei.
In 7 erstreckt sich der gegen Funkenerosion beständige Metallteil 101, der an der äußeren Umfangsfläche der zentralen Elektrode 2 ausgebildet ist, nicht über den konvexen Scheitel P in der axialen Richtung der zentralen Elektrode 2. Insbesondere ist der gegen Funkenerosion beständige Metallteil 101 derart angeordnet, dass der konvexe Teil 2k – der aus einem Metallmaterial ausgebildet ist, das als Elektrodenbasismaterial 2n der zentralen Elektrode 2 dient, das Eisen und Chrom enthält, die Komponenten zum Bilden einer Erosionsunterdrückungsschicht sind – gegenüber der Spitze (der Spitzenfläche 1D) des Isolators 1 angeordnet. Bei der Erzeugung der Gleitfunkenentladungsfunken treffen die Funken folglich auf die Oberfläche des Metallmaterials (die Oberfläche des Elektrodenbasismaterials 2n) mit einer gewissen Frequenz auf. Die auftreffenden Funken verursachen das Spritzen des Metallmaterials, wodurch die Komponenten zum Bilden einer Erosionsunterdrückungsschicht geliefert werden und folglich die Bildung einer Erosionsunterdrückungsschicht beschleunigt wird. Folglich wird ein Kanalbildungsverhinderungseffekt verstärkt. Da, wie vorstehend beschrieben, der gegen Funkenerosion beständige Metallteil 101 einen Bereich schützt, an dem Funken mit großer Frequenz auftreffen, wird das Auftreffen von Funken auf den konvexen Teil 2k in einem Ausmaß ermöglicht, das der vorstehend erwähnten Lieferung des Kanalbildungsverhinderungseffekts entspricht, während die Elektrodenerosion minimiert wird.
In der Zündkerze der vorliegenden Erfindung, in der der Umriss des konvexen Teils 2k, der im senkrecht projizierten Bild von 8 gezeigt ist, sich kontinuierlich krümmt, ist der konvexe Scheitel P folgendermaßen definiert. Wie in der vergrößerten Ansicht von 8(b) gezeigt, sind die Umrisse der geradlinigen Teile S₁ und S₂, die auf entgegengesetzten Seiten des gekrümmten konvexen Teils 2k liegen, so verlängert, dass sie Verlängerungslinien A und B bilden. Der Schnittpunkt der Verlängerungslinien A und B ist als konvexer Scheitel P definiert. Der Abstand zwischen dem konvexen Scheitel P und der Isolatorspitze ist so festgelegt, dass er in den vorstehend erwähnten Bereich fällt. Wie im senkrecht projizierten Bild von 9 gezeigt, ist, wenn in der vorliegenden Erfindung der Umriss der Isolatorspitzenfläche keine gerade Linie ist, die zur Achse 30 senkrecht ist, eine axial vorderste Position auf dem Umriss des Isolators als Isolatorspitze definiert, die bei der vorstehend beschriebenen Einstellung von Bereichen verwendet wird. Die vorstehend beschriebenen Bereichseinstellungen sind ähnlich auf die Konfiguration von 4(a), in der sich der konvexe Scheitel P rückwärts von der Isolatorspitze befindet, und die Konfiguration von 4(b), in der der konvexe Scheitel P vor der Isolatorspitze liegt, anwendbar. Die Öffnungskante des zentralen Durchgangslochs an der Spitzenfläche 1D ist abgerundet, wie durch die Bezugsziffer 1J angegeben.
Beispiele
Um die Effekte der vorliegenden Erfindung in Bezug auf die vorstehend beschriebene Zündkerze zu bestätigen, wurden die folgenden Experimente ausgeführt. Eine in den Experimenten verwendete Zündkerze war ähnlich zur Zündkerze von 2, außer dass nur eine einzelne Halb-Gleitfunken-Masseelektrode verwendet wurde. Insbesondere war die in den Experimenten verwendete Zündkerze derart konfiguriert, dass die parallele Masseelektrode 11 und eine der zwei Halb-Gleitfunken-Masseelektroden 12 von der Zündkerze von 2 entfernt sind. In der in den Experimenten verwendeten Zündkerze wurde der Spalt γ des Halb-Gleitfunken-Isolatorspalts (γ) auf 0,5 mm gesetzt und der Spalt β (der Abstand zwischen dem konvexen Scheitel P und der Halb-Gleitfunken-Masseelektroden-Stirnfläche) der Halb-Gleitfunkenstrecke (β) wurde auf 1,5 mm gesetzt. Der Abstand L₂ zwischen dem konvexen Scheitel P und der Isolatorspitzenfläche 1D wurde auf 0,2 mm gesetzt. INCONEL 600 wurde als Elektrodenbasismaterial für die zentrale Elektrode 2 und die Masseelektrode 4 verwendet. Die so im Maß eingestellten Zündkerzen wurden derart vorbereitet, dass die Wanddicke des Elektrodenbasismaterials, wie in einer Position gemessen, die 1,5 mm axial rückwärts vom konvexen Scheitel liegt, in Intervallen von 0,1 mm über einen Bereich von 0,3 mm bis 0,7 mm verändert wurde.
Die so vorbereiteten Zündkerzen wurden einem Wärmezyklustest unterzogen, der für 200 Stunden in Zyklen ausgeführt wurde, die jeweils aus einem einminütigen Betrieb bei einer Motordrehzahl von 5000 U/min mit einer vollständig geöffneten Drossel und einminütigem Leerlauf bestanden. Die getesteten Zündkerzen wurden auf das Freilegen des Wärmefreisetzungsbeschleunigungs-Metallteils visuell geprüft. Die Testergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt. In Tabelle 1 gibt die Markierung X an, dass der Wärmefreisetzungsbeschleunigungs-Metallteil freigelegt wurde; und die Markierung O gibt an, dass der Wärmefreisetzungsbeschleunigungs-Metallteil nicht freigelegt wurde. Tabelle 1

Wanddicke (mm) 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

Testergebnisse X X X O O
Wie in Tabelle 1 gezeigt, wurde das Freilegen des Wärmefreisetzungsbeschleunigungs-Metallteils bei den Zündkerzen, bei denen die Wanddicke des Elektrodenmaterials, wie in einer Position gemessen, die 1,5 mm rückwärts liegt, nicht geringer als 0,6 mm war, nicht beobachtet, wohingegen das Freilegen des Wärmefreisetzungsbeschleunigungs-Metallteils bei den Zündkerzen, bei denen die Wanddicke geringer als 0,6 mm war, beobachtet wurde. Die Wärmezyklustestergebnisse haben aufgezeigt, dass ein hoher Erosionsbeständigkeitseffekt erbracht wird, indem dem Elektrodenbasismaterial eine Wanddicke von nicht weniger als 0,6 mm verliehen wird, wie in einer Position gemessen, die 1,5 mm axial einwärts liegt.
Als weiteres Beispiel wurde eine Zündkerze, die wie in 6 und 7 gezeigt konfiguriert ist und zwei Halb-Gleitfunken-Masseelektroden 12 aufweist, hergestellt, während sie im Maß folgendermaßen festgelegt wurde: Hauptluftspalt (α): α = 1,1 mm; jeder Halb-Gleitfunken-Isolatorspalt (γ): γ = 0,5 mm; jede Halb-Gleitfunkenstrecke (β): β = 1,5 mm; Vorsprungmenge: H = 1,5 mm; und axialer Abstand zwischen der Spitzenfläche des Isolators und der axial hinteren Kante einer Stirnfläche von jeder Halb-Gleitfunken-Masseelektrode: E = 0,2 mm. (Die Symbole α, γ, β, H und E sind ähnlich zu jenen, die in 2 erscheinen). Zündkerzen von zwei Arten wurden hergestellt; insbesondere wird in einer Zündkerze einer Art ein gegen Funkenerosion beständiges Metallelement auf der Seitenumfangsfläche der zentralen Elektrode bereitgestellt, wie in 6 gezeigt; und in einer Zündkerze der anderen Art wird das gegen Funkenerosion beständige Metallelement nicht bereitgestellt. Der Abstand des axial vorderen Endes des gegen Funkenerosion beständigen Metallelements von der Spitze des Isolators wurde auf 0,2 mm festgelegt. INCONEL 600 (Handelsname) wurde als Elektrodenbasismaterial für die mittlere Elektrode 2 und die Masseelektrode 4 verwendet; ein Metall mit einem Ni-Gehalt von nicht weniger als 90 Massen-% wurde als Material für die Halb-Gleitfunken-Masseelektrode 12 verwendet; und ein reiner Pt-Draht wurde auf die zentrale Elektrode 2 gewickelt und durch einen Laserstrahl an die Oberfläche des Elektrodenbasismaterials der zentralen Elektrode 2 geschweißt, um dadurch das gegen Funkenerosion beständige Metallelement auszubilden.
Die so im Maß eingestellten Zündkerzen wurden einem Haltbarkeitstest entsprechend 100000 km Lauf und dann einem Auslieferungsverschmutzungstest unterzogen. Die Testbedingungen waren folgendermaßen. Die Tests wurden unter Verwendung eines Autos mit einem 6-Zylinder-Verbrennungsmotor vom Direkteinspritztyp mit einem Hubraum von 3000 cm³ durchgeführt und die Zündkerzen wurden am Motor montiert. Das Auto verwendete unverbleites Benzin mit hoher Oktanzahl als Kraftstoff und wurde in einen Testraum mit niedriger Temperatur gestellt, der auf einer Temperatur von –10°C gehalten wurde. Im Testraum wurde das Auto in Zyklen betrieben, die jeweils aus einem vorbestimmten Betriebsmuster bestanden, das im Anpassungsfähigkeitstestabschnitt mit geringer Last von JIS D 1606 (1987) festgelegt ist und in dem ein Kurzzeitbetrieb mehrere Male mit niedriger Drehzahl durchgeführt wird. Im Verlauf der Testzyklen wurden Variationen im Isolationswiderstand gemessen. Der Graph von 11 zeigt die Testergebnisse. Im Graphen von 11 stellt die vertikale Achse den Isolationswiderstand (MΩ) dar und die horizontale Achse stellt die Anzahl von Zyklen dar. Im Graphen gibt die durchgezogene Linie die Testergebnisse an, die von der Zündkerze erhalten wurden, die nicht mit dem gegen Funkenerosion beständigen Metallelement versehen ist, und die gestrichelte Linie gibt Testergebnisse an, die von der Zündkerze erhalten wurden, die mit dem gegen Funkenerosion beständigen Metallelement versehen ist.
Gemäß den Testergebnissen fällt in dem Fall der Zündkerze, in der das gegen Funkenerosion beständige Metallelement nicht auf der Seitenumfangsfläche der zentralen Elektrode 2 vorgesehen ist, der Isolationswiderstand unter 1000 MΩ und erreicht 100 MΩ, bevor die Anzahl von Zyklen 10 erreicht. Im Fall der Zündkerze, in der das gegen Funkenerosion beständige Metallelement vorgesehen ist, wird der Isolationswiderstand sogar nach 10 Betriebszyklen bei dem Auslieferungsverschmutzungstest auf 1000 MΩ oder höher gehalten, was darauf hindeutet, dass das gegen Funkenerosion beständige Metallelement gegen Kohlenstoffverschmutzung sehr wirksam ist. Es ist denkbar, dass in der Zündkerze, in der das gegen Funkenerosion beständige Metallelement nicht vorgesehen ist, die Seitenumfangsfläche der zentralen Elektrode durch Funken erodiert wird, mit einer resultierenden Zunahme des Abstandes γ des Halb-Gleitfunken-Isolatorspalts (γ); folglich nimmt die Wahrscheinlichkeit zu, dass, wenn eine Kohlenstoffverschmutzung infolge des Forschritts von Zyklen auftritt, die Entladung über den Hauptluftspalt α zwischen der parallelen Elektrode und der zentralen Elektrode stattfindet, mit einer resultierenden Beeinträchtigung des Effekts einer Funkenreinigungswirkung. Es ist denkbar, dass in der Zündkerze, in der das gegen Funkenerosion beständige Metallelement vorgesehen ist, die Erosion der Seitenumfangsfläche der zentralen Elektrode unterdrückt wird und folglich die Form der Seitenumfangsfläche aufrechterhalten wird, wodurch die Leistung über einen langen Zeitraum intakt gehalten wird. Dies wird aus den vorstehend beschriebenen Testergebnissen bestätigt.
Bezugsziffern werden zum Identifizieren von in den Zeichnungen gezeigten Elementen wie folgt verwendet:

1: Isolator
1D: Spitzenfläche des Isolators
1E: Seitenumfangsfläche des Isolators
1G: Abschrägung
1J: Abrundung
2: Zentrale Elektrode
2k: konvexer Teil
2n: Elektrodenbasismaterial
2m: Wärmefreisetzungsbeschleunigungs-Metallteil
5: Metallmantel
11: Parallele Masseelektrode
12: Halb-Gleitfunken-Masseelektrode
30: Mittelachse
(α): Hauptluftspalt
(β): Halb-Gleitfunkenstrecke
(γ): Halb-Gleitfunken-Isolatorspalt
P: konvexer Scheitel

Claims

Zündkerze mit: einem Isolator (1) mit einem darin ausgebildeten zentralen Durchgangsloch; einer zentralen Elektrode (2), die im zentralen Durchgangsloch gehalten wird und die in einem Spitzenteil des Isolators (1) angeordnet ist und ein Edelmetallstückchen (105) aufweist, das sich an einem Spitzenteil derselben befindet; einem Metallmantel (5) zum Halten des Isolators (1) derart, dass ein Spitzenteil des Isolators (1) von einer Spitzenfläche (5D) desselben vorsteht; einer parallelen Masseelektrode (11), die derart angeordnet ist, dass ein Ende derselben mit der Spitzenfläche (5D) des Metallmantels (5) verbunden ist, während das andere Ende derselben einer Spitzenfläche (2B) der zentralen Elektrode (2) zugewandt ist, um einen Hauptluftspalt (α) zu bilden; und einer Vielzahl von Halb-Gleitfunken-Masseelektroden (12), die jeweils derart angeordnet sind, dass ein Ende derselben mit dem Metallmantel (5) verbunden ist, während das andere Ende (12C) derselben zumindest entweder einer Seitenumfangsfläche (2A) der zentralen Elektrode (2) oder einer Seitenumfangsfläche (1E) des Isolators (1) zugewandt ist, um eine Halb-Gleitfunkenstrecke (β) zu bilden, wobei: ein Spitzenteil der zentralen Elektrode (2), der senkrecht auf einer virtuellen Ebene parallel zu einer Achse (30) der zentralen Elektrode (2) vorsteht, einen verjüngten Teil umfasst, der derart verjüngt ist, dass sich dessen Durchmesser in Richtung der Spitzenfläche (2B) der zentralen Elektrode (2) in der axialen Richtung verringert; ein konvexer Teil (2k) in einer axialen Zwischenposition des verjüngten Teils derart ausgebildet ist, dass ein Umriss desselben, wie in der virtuellen Ebene betrachtet, radial nach außen in Bezug auf die Achse (30) vorsteht; und die zentrale Elektrode (2) einen Wärmefreisetzungsbeschleunigungs-Metallteil (2m) umfasst, der eine höhere Wärmeleitfähigkeit und einen höheren Linearausdehnungskoeffizienten aufweist als ein Elektrodenbasismaterial (2n), wobei das Elektrodenbasismaterial (2n) einen Oberflächenschichtteil der zentralen Elektrode (2) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass: ein axial gemessener Abstand (L₂) zwischen einem konvexen Scheitel (P) des konvexen Teils (2k) und einer Spitze (1D) des Isolators (1) geringer als 0,5 mm ist; der Wärmefreisetzungsbeschleunigungs-Metallteil (2m) in einer Position vorliegt, die 1,5 mm axial rückwärts vom konvexen Scheitel (P) liegt, während er vom Elektrodenbasismaterial (2n) umschlossen ist; und das Elektrodenbasismaterial (2n) eine Wanddicke (W) von nicht weniger als 0,6 mm aufweist, wie in einer Position gemessen, die 1,5 mm axial rückwärts vom konvexen Scheitel (P) liegt.
Zündkerze nach Anspruch 1, wobei der Wärmefreisetzungsbeschleunigungs-Metallteil (2m) innerhalb der zentralen Elektrode (2) in einer Position ausgebildet ist, die axial gemessen weniger als 1,5 mm von einer Spitze des Elektrodenbasismaterials (2n) liegt, das sich auf einer Funkenstreckenseite befindet.
Zündkerze nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein gegen Funkenerosion beständiger Metallteil (101), der aus einem Metall ausgebildet ist, das in der Funkenerosionsbeständigkeit höher ist als das Elektrodenbasismaterial (2n), auf einer Oberfläche der zentralen Elektrode (2) entgegengesetzt zu den Halb-Gleitfunken-Masseelektroden (12) ausgebildet ist; und der gegen Funkenerosion beständige Metallteil (101) derart ausgebildet ist, dass ein axial hinteres Ende desselben axial vor der Position liegt, die 1,5 mm axial rückwärts vom konvexen Scheitel (P) liegt.
Zündkerze nach Anspruch 3, wobei der gegen Funkenerosion beständige Metallteil (101) aus einem Edelmetall oder einer Legierung, die mindestens ein Edelmetall umfasst, besteht.
Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Spitzenfläche (1D) des Isolators (1) an einer Öffnungskante des zentralen Durchgangslochs abgerundet oder abgeschrägt ist.