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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zündkerze zum Einsatz in Verbrennungsmotoren
des Typs, wie Sie im Oberbegriff von Anspruch 1 dargestellt ist. Eine Zündkerze dieses
Typs ist in A-0 243529 offenbart.
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Bei herkömmlichen Zündkerzen zum Einsatz in Verbrennungsmotoren, wie
beispielsweise Kraftfahrzeugmotoren besteht der Zündabschnitt aus einem Platin, (Pt)-
Legierungsplättchen, das am vorderen Ende einer Elektrode angeschweißt ist, um ihre
Beständigkeit gegenüber Funkenabschmelzen zu verbessern. Angesichts der hohen
Kosten für Platin ist jedoch vorgeschlagen worden, daß weniger teure Iridium (Ir) als
Plättchenmaterial einzusetzen.
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Ein Problem beim Einsatz von Ir als Material zur Herstellung des Zündabschnitts der
Zündkerze besteht darin, daß Ir in einem Hochtemperaturbereich von 900-1000ºC leicht
oxidiert und verdampft. Daher wird es, wenn es direkt im Zündabschnitt der Elektrode
eingesetzt wird, durch Oxidation und zur Verdampfung stärker abgeschmolzen als durch
den Funken. Die Zündkerze bei der Ir im Zündabschnitt einer Elektrode eingesetzt wird,
weist daher unter Niedrigtemperaturbedingungen, so beispielsweise beim Fahren im
Stadtverkehr, lange Lebensdauer auf, ihre Lebensdauer nimmt jedoch beim
kontinuierlichen Betrieb bei hoher Drehzahl erheblich ab.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Zündkerze mit einem
Zündabschnitt zu schaffen, der hauptsächlich aus Ir besteht, und der dennoch ausreichend
beständig gegenüber Abschmelzen durch Oxidation und Verdampfung des Ir-
Bestandteils bei höheren Temperaturen ist, um lange Lebensdauer nicht nur beim
Fahren im Stadtverkehr sondern auch beim kontinuierlichen Betrieb mit hoher Drehzahl zu
gewährleisten.
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Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand von Anspruch 1 erfüllt.
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Eine Zündkerze gemäß der vorliegenden Erfindung besteht aus: einer Mittelelektrode;
einen Isolator, der außerhalb der Mittelelektrode vorhanden ist, einem
Hauptmetallgehäuse, das außerhalb des Isolators vorhanden ist; eine Masseelektrode, die an einem
Ende des Hauptmetallgehäuses angebracht ist, und deren anderes Ende so angeordnet
ist, daß es der Mittelelektrode zugewandt ist, sowie einen Zündabschnitt, der wenigstens
an der Mittelelektrode oder der Masseelektrode befestigt ist, so daß ein
Funkenentladungsspalt entsteht, wobei der Zündabschnitt aus einer Legierung auf Ir-Basis besteht,
die Rh in einer Menge enthält, die zwischen 3 und 50 in Gew.-% (50 Gew.-% nicht
eingeschlossen) liegt.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung besteht der Zündabschnitt einer Elektrode, der einen
Funkenentladungsspalt bildet, aus einer Legierung, die hauptsächlich aus Ir besteht und
die eine Menge an Rh in dem dargestellten Bereich enthält. Daher wird das
Abschmelzen auf Grund der Oxidation und Verdampfung des Ir-Bestandteils bei hohen
Temperaturen wirkungsvoll verzögert und so eine Zündkerze mit langer Lebensdauer hergestellt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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In den beigefügten Zeichnung ist:
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Fig. 1 eine teilweise als Schnitt ausgeführte Vorderansicht der Zündkerze der
Erfindung;
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Fig. 2 eine Schnittansicht, die in vergrößertem Maßstab den Hauptteil dieser
Zündkerze zeigt;
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Fig. 3 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Rh-Gehalt der Legierung,
die die Zündabschnitte der Zündkerze bildet, und der Zunahme des
Funkenentladungsspaltes (in Beispiel 1 unter der Bedingung A) zeigt;
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Fig. 4 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Rh-Gehalt der Legierung,
die die Zündabschnitte der Zündkerze bildet, und der Zunahme des
Funkenentladungsspaltes (in Beispiel 1 unter der Bedingung B) zeigt;
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Fig. 5 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Rh-Gehalt der Legierung,
die die Zündabschnitte der Zündkerze bildet, und der Zunahme des
Funkenentladungsspaltes (in Beispiel 1 unter der Bedingung C) zeigt.
Ausführliche der Beschreibung der Erfindung
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Im folgenden wird die vorliegende Erfindung ausführlich beschrieben.
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Die Zündkerze gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine Mittelelektrode, einen
Isolator, der außerhalb der Mittelelektrode angeordnet ist, ein Hauptmetallgehäuse, das
außerhalb des Isolators angeordnet ist, eine Masseelektrode, die an einem Ende an
dem Hauptmetallgehäuse angebracht ist, und deren anderes Ende so angeordnet ist,
daß es der Mittelelektrode zugewandt ist, sowie einen Zündabschnitt auf, der entweder
an der Mittelelektrode oder der Masseelektrode oder an beiden befestigt ist, so daß ein
Funkenentladungsspalt gebildet wird, wobei der Zündabschnitt aus einer Legierung auf
Ir-Basis besteht, die Rh in einer Menge enthält, die von 3 bis 50 Gew.-% (50 Gew.-%
nicht eingeschlossen) reicht.
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Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben nachgewiesen, daß, wenn der
Zündabschnitt einer Elektrode, die einen Funkenentladungsspalt bildet, aus einer Legierung
besteht, die hauptsächlich Ir und eine Menge an Rh in dem angegebenen Bereich
enthält, das Abschmelzen aufgrund von Oxidation und Verdampfung des Ir-Bestandteils bei
hohen Temperaturen wirkungsvoll verzögert wird, so daß eine Zündkerze mit langer
Lebensdauer entsteht.
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Um den Zündabschnitt herzustellen, kann ein aus einem Metall mit der angegebenen
Zusammensetzung bestehendes Plättchen durch Schweißen an der Masseelektrode
und/oder der Mittelelektrode angebracht werden. Der Begriff "Zündabschnitt", wie er hier
gebraucht wird, bezieht sich auf den Teil des angebrachten Plättchens, der nicht der
Auswirkung der Zusammensetzungsveränderung auf Grund des Schweißens
ausgesetzt war (z. B. der Bereich außerhalb der Zone, die beim Schweißen mit dem Material
legiert wurde, aus dem die Masse- die Mittelelektrode besteht).
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Wenn der Rh-Gehalt der Legierung geringer ist als 3%, reicht die Wirksamkeit von Rh
bei der Verzögerung der Oxidation und der Verdampfung von Ir nicht aus, um das
vorzeitige Abschmelzen des Zündabschnitts zu verhindern. Dadurch verringert sich die
Lebensdauer der Zündkerze. In diesem Fall wird der Zündabschnitt vorwiegend an der
vorderen Stirnseite des an der Mittelelektrode und/oder der Masseelektrode
angeschweißten Plättchen abgeschmolzen. Jedoch können auch die Seiten des Plättchens
abgeschmolzen werden, wenn der Rh-Gehalt verringert wird. In einer derartigen
extremen Situation verringert sich die Querschnittsfläche des Plättchens über die ein Strom
wirkt, der die Funkenentladung verursacht, und das wirkende elektrische Feld neigt
dazu, sich an der vorderen Stimseite des Plättchens zu konzentrieren, wodurch das
Abschmelzen des Zündabschnitts beschleunigt wird und die Zündkerze vorzeitig
unbrauchbar wird. Daher wird der Rh-Gehalt der Legierung vorteilhafterweise so
eingestellt, daß er in einem Bereich liegt, in dem es unwahrscheinlich ist, daß es zum
Abschmelzen des Zündabschnitts nicht nur an der vorderen Stirnseite des Plättchens,
sondern auch an seinen Seiten kommt. Wenn dahingegen der Rh-Gehalt der Legierung 50
Gew.-% oder mehr beträgt, sinkt der Schmelzpunkt der Legierung, und die Lebensdauer
der Zündkerze verringert sich entsprechend. Daher wird der Rh-Gehalt der Legierung
vorzugsweise so eingestellt, daß er im Bereich von 3 und 50 Gew.-% (50 Gew.-% nicht
eingeschlossen), vorteilhafterweise 7 bis 30 Gew.-%, noch besser 15 bis 20 Gew.-%
und am besten 18 bis 22 Gew.-% liegt.
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Ausführungen der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die
beigefügten Zeichnungen beschrieben.
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Fig. 1 zeigt eine Ausführung der vorliegenden Erfindung. In der Zeichnung weist
Zündkerze 100 ein röhrenförmiges Hauptmetallgehäuse 1 auf, einen Isolator
2, der so in das Metallgehäuse 1 eingepaßt ist, daß das vordere Ende 21 aus
dem Metallgehäuse 1 hervorsteht, eine Mittelelektrode 3, die in dem Isolator
2 so angeordnet ist, daß der Zündabschnitt 31, der am vorderen Ende
ausgebildet ist, von dem Isolator 2 vorsteht, sowie eine Masseelektrode 4, die an
einem Ende des Hauptmetallgehäuses 1 beispielsweise durch Schweißen
angebracht wird, und deren anderes Ende seitlich so umgebogen ist, daß
ihre seitlichen Flächen dem vorderen Ende der Mittelelektrode 3 zugewandt
sind. Die Masseelektrode 4 weist einen Zündabschnitt 32 auf, der so
ausge
bildet ist, daß er dem Zündabschnitt 31 der Mittelelektrode 3 zugewandt ist,
wobei der Zwischenraum zwischen den zwei Zündabschnitten 31 und 32
einen Funkenentladungsspalt g bildet.
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Der Isolator 2 ist ein Sinterkörper aus einem keramischen Material, wie beispielsweise
Aluminiumoxyd oder Aluminiumnitrit als Hauptbestandteil, und er weist eine axiale
Bohrung 6 auf, durch die die Mittelelektrode 3 hindurch geführt wird. Das
Hauptmetallgehäuse 1 hat zylindrische Form und besteht aus Metall, wie beispielsweise
kohlenstoffarmen Stahl und bildet eine Aufnahme für die Zündkerze 100. Der Umfang des
Metallgehäuses 1 weist einen Gewindeabschnitt 7 auf, über den sich die Zündkerze 100 an
einem Motorblock (nicht dargestellt) anbringen läßt.
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Der Hauptkörper 3a der Mittelelektrode 3 und der Hauptkörper 4a der Masseelektrode 4
bestehen beide normalerweise aus einer Ni-Legierung. Der Zündabschnitt 31 der
Mittelelektrode 3 und der gegenüberliegende Zündabschnitt 32 der Masseelektrode 4
bestehen aus einer Legierung auf Ir-Basis, die Rh in einer Menge zwischen 3 und 50 Gew.-%
(50 Gew.-% nicht eingeschlossen) enthält. Der Rh-Gehalt der Legierung wird
vorzugsweise so eingestellt, daß er in einem Bereich zwischen 7 und 30 Gew.-%,
vorteilerhafterweise 15 und 20 Gew.-% und am vorteilhaftesten zwischen 18 und 22 Gew.-% liegt.
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Der Hauptkörper 3a der Mittelelektrode 3 verjüngt sich, wie in Fig. 2 dargestellt, am
vorderen Ende und die vordere Stirnseite ist flach ausgeformt. Ein scheibenförmiges
Plättchen mit einer Legierungsformulierung für den Zündabschnitt 31 wird auf die flache
vordere Stimseite aufgelegt und Laserschweißen, Elektronenstrahlschweißen,
Widerstandsschweißen oder ein anderes geeignetes Schweißverfahren wird am Umfang der
Verbindungsflächen ausgeführt, so daß eine Schweißnaht W entsteht, mit der das
Plättchen fest an der vorderen Stirnseite der Mittelelektrode 3 befestigt ist, so daß der
Zündabschnitt 31 entsteht. Um den gegenüberliegenden Zündabschnitt 32 herzustellen, wird
ein ähnliches Plättchen an der Masseelektrode 4 auf die Position des Zündabschnitts 31
ausgerichtet angebracht, und auf gleiche Weise wird eine Schweißnacht W am Umfang
der Verbindungsflächen hergestellt, so daß das Plättchen fest an der Masseelektrode 4
angebracht ist und der Zündabschnitt 32 entsteht. Die Plättchen können aus einem
geschmolzenen Material hergestellt werden, daß entsteht, wenn die erforderlichen
Legierungsbestandteile gemischt werden, um die aufgeführte Formel zu erzielen und das
Gemisch zum Schmelzen gebracht wird, wobei als Alternative dazu die Plättchen aus
einem Sinterkörper hergestellt werden können, der entsteht, wenn ein geeignetes
Legierungspulver bzw. ein Gemisch der Pulver der elementaren Metallbestandteile in
bestimmten Verhältnissen zu einem Presskörper geformt wird und der Presskörper
gesintert wird.
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Wenn die Plättchen aus einer geschmolzenen Legierung hergestellt werden, kann ein
Ausgangsmaterial der geschmolzenen Legierung einem Bearbeitungsverfahren
unterzogen werden, zu dem wenigstens die Schritte des Walzens, Schmiedens, Ziehens,
Schneidens, Scherens und Stanzens gehören, so daß die Plättchen in eine bestimmte
Form gebracht werden. Schritte wie das Walzen, Schmieden und Schneiden können
ausgeführt werden, wenn die Legierung auf eine bestimmte Temperatur erwärmt worden
ist (um "Warm"-Bearbeitung auszuführen). Die Temperatur für diese Schritte, die je nach
Legierungszusammensetzung veränderlich sein kann, beträgt normalerweise
wenigstens 700ºC.
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Eine geschmolzene Legierung kann, um detaillierter zu werden, zu einem Blech
ausgewalzt werden, daß zu Plättchen einer bestimmten Form warmgestanzt wird, als
Alternative dazu kann die geschmolzene Legierung warmgewalzt oder -geschmiedet werden,
und zwar zu einer Draht- bzw. Stabform, die in Plättchen einer vorgegebenen Länge
geschnitten wird. Das Iridium (Ir), daß den Hauptbestandteil der Plättchen bildet, weist in
seiner elementaren Form geringe Verformbarkeit bzw. Umformbarkeit auf, beim
Vorhandensein von zugesetzten Rh jedoch wird die Bearbeitbarkeit von Ir so verbessert,
daß die entstehende Legierung zu einem Blech, einer Stange oder einem Draht gewalzt
oder geschmieden werden kann und zwar erheblich leichter als ohne den Zusatz von
Rh. Das heißt, Defekte, wie beispielsweise Rißbildung treten weniger häufig bei dem
Legierungsausgangsmaterial beim Vorgang des Walzens bzw. des Schmiedens auf,
was wiederum zu Verbesserungen der Effektivität bei der Plättchenherstellung und der
Materialausbeute beiträgt. Es ist anzumerken, daß sich die Bearbeitbarkeit des rohen
Legierungsmaterials mit zunehmendem Rh-Zusatz zunimmt.
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Wenn gewünscht kann einer der beiden einander gegenüberliegenden Zündabschnitte
31 und 32 weggelassen werden. Wenn dies der Fall ist, ist der Funkenentladungsspalt g
zwischen dem Zündabschnitt 31 (bzw. dem gegenüberliegenden Zündabschnitt 32) und
der Masseelektrode 4 (bzw. der Mittelelektrode 3) ausgebildet.
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Die Zündkerze 100 funktioniert auf folgende Weise. Die Zündkerze 100 wird mit dem
Gewindeabschnitt 7 an einem Motorblock angebracht und dient dazu ein Luft-Kraftstoff-
Gemisch zu zünden, daß dem Brennraum zugeführt wird. Der Zündabschnitt 31 und der
gegenüberliegende Zündabschnitt 32 bilden den Funkenentladungsspalt g, und da
beide Zündabschnitte aus der genannten Legierung bestehen, wird ihr Abschmelzen auf
Grund von Oxidation und Verdampfung von Ir so weit verzögert, daß gewährleistet ist,
daß der Funkenentladungsspalt g über längere Zeit nicht zunimmt, wodurch sich die
Lebensdauer der Zündkerze verlängert.
BEISPIELE
Beispiel 1
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Bestimmte Mengen an Ir und Rh wurden gemischt und zum Schmelzen gebracht, um
Legierungsmuster herzustellen, die verschiedenen Mengen an Rh im Bereich von 0 bis
60 Gew.-% enthielten, wobei der Rest im wesentlichen aus Ir bestand
(Vergleichsbeispiele: Rh = 0 und 60 Gew.-%). Die Proben wurde zu Blechen gewalzt, aus denen
scheibenförmige Plättchen mit einem Durchmesser von 0,7 mm und einer Dicke von 0,5
mm durch Elektroerosivbearbeitung geschnitten wurden. Ein aus einer geschmolzenen
Legierung, die aus 13% Ir und dem Rest Pt bestand, hergestelltes Plättchen wurde des
weiteren als Vergleichsbeispiel hergestellt. Aus den so angefertigten Plättchen wurden
der Zündabschnitt 31 der Zündkerze 100 und der gegenüberliegende Zündabschnitt 32
hergestellt (so daß ein Funkenentladungsspalt g von 1,1 mm entstand). Die einzelnen
Zündkerzen wurden Leistungsprüfungen unter den folgenden Bedingungen unterzogen:
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Bedingung A (Simulation von kontinuierlichem Betrieb bei hoher Drehzahl):
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Ein Sechs-Zylinder-Benzinmotor (Hubraum = 3000 cm³) wurde mit der zu testenden
Zündkerze versehen und kontinuierlich bei Vollgas bei einer Drehzahl von 6000 U/min
betrieben (wobei die Temperatur der Mittelelektrode auf ungefähr 900 C anstieg), und
nach dem Betrieb des Motors wurde die Zunahme des Funkenentladungsspaltes an der
Zündkerze gemessen. Das Ergebnis ist in Fig. 3 als Beziehung zwischen dem Rh-
Gehalt der Legierung und der Zunahme des Funkenentladungsspaltes dargestellt.
Bedingung B (Simulierung von Stadtverkehr):
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Ein Vier-Zylinder-Benzinmotor (Hubraum = 2000 cm³) wurde mit der zu testenden
Zündkerze versehen und 1000 Stunden lang in Zyklen betrieben, die jeweils aus einer Minute
Leerlauf, 30minütigem Lauf bei Vollgas und einer Umdrehungsgeschwindigkeit von
3500U/min und 20 Minuten Lauf bei halbem Gas und einer Drehzahl von 2000 U/min
bestanden, wobei die Temperatur der Mittelelektrode auf ungefähr 780ºC anstieg, und
nach dem Motorbetrieb wurde die Zunahme des Funkenentladungsspaltes g an der
Zündkerze gemessen. Das Ergebnis ist in Fig. 4 als Beziehung zwischen dem Rh-
Gehalt der Legierung und der Zunahme des Funkenentladungsspaltes dargestellt.
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Das Ergebnis des Versuchs und der Bedingung B zeigt, daß die Zündkerzen, bei denen
Plättchen mit Legierungsformulierungen innerhalb des Bereiches der Erfindung
eingesetzt wurden, lediglich geringe Zunahmen des Funkenentladungsspaltes g aufwiesen,
während bei den Vergleichszündkerzen (Rh = 60 Gew.-% und Pt-Ir-Legierung) der
Funkenentladungsspalt erheblich zunahm. Der Unterschied der Proben der Erfindung in
Bezug auf die Vergleichsbeispiele war unter Bedingung A mit höherer Last als unter
Bedingung B noch ausgeprägter. Aus Fig. 3 ist des weiteren ersichtlich, daß die
Zunahme des Funkenentladungsspaltes schrittweise abnahm, wenn sich der Bereich des Rh-
Gehaltes von 3 bis 50 Gew.-% auf 7 bis 30 Gew.-% und dann auf 15 bis 25 Gew.-%
veränderte, wobei insbesondere die Zündkerzen, bei denen Plättchen mit einem Rh-
Gehalt zwischen 15 und 25 Gew.-% eingesetzt wurden, eine sehr lange Lebensdauer
trotz der aggressiven Betriebsbedingungen aufwiesen.
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Es ist darüber hinaus anzumerken, daß im Vergleich zu einem Ausgangsmaterial, das
lediglich aus elementarem Ir ohne das Vorhandensein von Rh bestand, die
Ausgangslegierungsmaterialien, die 15 bis 25 Gew.-% Rh enthielten, geringere Rißbildungen
aufwiesen, wenn sie zu Blechen warmgewalzt wurden.
Beispiel 2
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Bestimmte Mengen an Ir und Rh wurden gemischt und zum Schmelzen gebracht, um
Legierungsproben herzustellen, die 15, 18, 20, 22 und 25 Gew.-% Rh enthielten, wobei
der Rest im wesentlichen aus Ir bestand. Plättchen wurden aus diesen
Legierungsproben angefertigt und zur Herstellung von Zündkerzen wie in Beispiel 1 verwendet. Die
Zündkerzen wurden einer Leistungsprüfung unter der folgenden Bedingung C
unterzogen, die aggressiver war als die Bedingung A, die in Beispiel 1 zum Einsatz kam.
Bedingung C:
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Ein Vier-Zylinder-Benzinmotor (Hubraum = 1600 cm³) wurde mit der zu testenden
Zündkerze versehen und kontinuierlich bei Vollgas 300 Stunden lang bei einer Drehzahl von
6 250 U/min betrieben, wobei die Temperatur der Mittelelektrode auf ungefähr 950ºC
anstieg, und nach dem Motorbetrieb wurde der Funkenentladungsspalt g an der
Zündkerze gemessen. Das Ergebnis ist in Fig. 5 als Beziehung zwischen dem Rh-Gehalt der
Legierung und der Zunahme des Funkenentladungsspaltes dargestellt.
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Aus Fig. 5 ist ersichtlich, daß selbst unter der Bedingung C, die aggressiver war als die
Bedingung B, die Zündkerzen, bei denen die Plättchen eingesetzt wurden, die 18 bis 22
Gew.-% Rh enthielten, geringere Zunahme des Spaltes aufwiesen und längere
Lebensdauer hatten als die Zündkerzen, bei denen Plättchen eingesetzt wurden, die Rh in
Mengen außerhalb des aufgeführten Bereiches enthielten.