DE1941979A1 - Zuendkerze - Google Patents

Description

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F.rn.pr.cher: S 09 30 39 6012

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Zündkerze

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Zündkerzen und richtet sich insbesondere auf Zündkerzen mit Edelmetalldraht-Spitzenelektrode zum Einbau in Brennkraftmaschinen hoher leistung.

Es ist wünschenswert, die Mittelelektroden von Zündkerzen, die unter stark korrosiven Bedingungen arbeiten, aus einem Material mit einem hohen Ausmaß an Korrosionsbeständigkeit herzustellen. Zündkerzen aus teueren korrosionsbeständigen Materialien verwenden gewöhnlich kleine Elektroden, und man bezeichnet sie häufig auch als "Peindraht"-Zündkerzen. Die Mittelelektrode einer typischen "Feindraht" Zündkerze endet an ihrem Zündende in einer Spitze aus einem hochkorrosionsbeständigen Material. Für diese Zwecke verwendete man bisher Platin und seine Legierungen. Diese Materialien können kalt verarbeitet werden und bei Stand

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der Technik weisen lie Elektroden eine Tlatin- oder Ilatinlepieruiigsspitze auf, wobei ein Kopf- oder Schult erteil auf einer Ilateinstar.ge durch Kaltstauchen hergestellt wird.

Es hat sich gezeigt, daß andere Ziemente, beispielsweise Iridium, .'olfram, luolybdän, Ruthenium, Rhodium und Legierungen davon häufig Platin zur Verwendung in Zündkerzenelektroden überlegen sind, welche einer "Bogenbildung in Korrosiver Atmosphäre von Brennkraftmaschinen ausgesetzt sind. Jedoch sind diese Ziemente sehr viel schwieriger zu verarbeiten als Platin, weil sie eine Faserstruktur aufweisen, die sie sehr brüchig macht. Ss ist im allgemeinen unmöglich, Köpfe auf Stangen aus Iridium oder dergleichen durch Kaltstauchen auszubilden.

Ein Teil der !'ittelelektrode unmittelbar oberhalb der Spitzenelektrode besteht gewöhnlich aus einem leiter, wie Silber. Verwendet man Platinspitzen, dann läßt sich eine chemische Oberflächenbindung zwischen der Platinspitze und dem Silberkcrper herstellen. Dies gilt "jedoch nicht beispielsweise bei der Verwendung einer Iridiumspitze. Da es keine merklichen chemischen oder metallurgischen Eindungen gibt, hat eine Iridiumspitze die ITeigung, sich auf ihrem Sitz zu bewegen oder zu drehen.

Man hat auch bereits versucht, einen Kugelkopf auf einer Iridtunstange aufzusetzen, der dann in den Silberteil der Mittel elektrode eingebettet wird. '.Vird .jedoch die Iridiumstange bis zum Schmelzpunkt erhitzt und dann in die gewünschte Gestalt verformt, tritt eine Hekristallisierung auf. Rekristallisierte, faserige Metalle sind außerordentlich brüchig und unterliegen Druck- und Vibrationsfehlera. Sine Lösung für dieses Problem ist beispielsweise in der USA-Patentschrift 3 315 113 beschrieben, wo ein Verfahren

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zur Herstellung· einer Schulter auf feinen Teilen von Iridiumstangen offenbart .viri.

Verwendet man eine mit Schulter versehene .Jpitse, dann wird die Elektrode normalerweise durch einsetzen der "ritze in eine korrosionsbeständige Hülse hergestellt, bis die Schulter auf einen Flansch am Snde dieser Hülse trifft. Dann wird ein ,7ilberKern in die hohle Hülse eingegossen, um die ipitse an ihrem Platz zu halten und eine gute "ärmeleitung längs der Elektrode vorzusehen. Da ,jedoch keine chemische Verbindung zwischen dem Cilberkern und der Iridiumspitze auftritt, kann sich die Spitze noch bewegen oder drehen. 3ine solche Bewegung kann Zündkerrenfehler hervorrufen, wenn sich die Spitze lockert und aus der Hülse herausfällt. Selbst wenn eine chemische Bindung gebildet wird, beispielsweise zwischen Silber und Platin, unterliegt das Silber der Korrosion und die Spitze kann ebenfalls aus der Hülse herausfallen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung besteht die r.'.itteleleKtrode einer Zündkerze aus einem Körperteil mit einem wärmeleitenden Kern und einer "Feindraht"-Zündspitze. Die Drahtspitze wird an dem mit Kern versehenen Körperteil durch Ausbilden eines Kopfes an einem Drahtende, Einsetzen des Kopfendes in eine Kappe derart, daß das andere Ende durch die Kappe vorsteht, und anschließendes Anschweißen der Kappe an ein abgedichtetes Ende des mit-Kern versehenen Körperteiles befestigt.

Der mit Kern versehene Körperteil der Elektrode enthält im allgemeinen eine zylindrische Hülse aus Nickel, einer Nickellegierung oder einer anderen Legierung mit ähnlichen Korrosionsfestigkeitseigenschaften. Durch die zylindrische Hülse wird teilweise eine Axialbohrung gebohrt, so daß eine dünne

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Wandung verbleibt, die das eine Ende der Hülse abschließt. Die Bohrung wird mit einer wärmeleitenden Masse aus Kupfer oder Silber gefüllt.

Die Spitze wird aus einem kurzen Stück Iridiumdraht oder einem anderen geeigneten korrosionsfesten Draht hergestellt. Ein Ende des Drahtes, das Zündende, wird in eine Aussparung in einem Gesenk eingesetzt. Am anderen Ende wird ein Kopf ausgeformt, welcher von dem Gesenk vorsteht, indem man ein zweites Gesenk gegen das vorstehende Ende drückt und gfeichzeitig einen elektrischen Strom zwischen die beiden Gesenke legt. Der Strom muß ausreichen, um den Draht auf eine Temperatur zu erhitzen, bei welcher er heiß zum Kopf gestaucht werden kann, darf jedoch nur extrem kurze Zeit anliegen, so daß nur eine geringe Rekristallisation auftritt.

Zur Befestigung der Spitze am Hauptteil der Elektrode findet eine kleine Kappe Verwendung. Die Kappe muß aus einem korrosionsfesten Material bestehen, das leicht auf das geschlossene Ende der Hülse aufgeschweißt werden kann. Vorzugsweise besteht sie aus dem Hülsenmaterial. Die Kappe ist mit einer kleinen Bohrung versehen, durch welche das Zündende der Zündspitze greift, nicht jedoch der Kopfteil dieser Spitze. Beim Zusammenbau wird das Zündende der Spitze durch das Loch in der Kappe derart eingesteckt, daß das Kopfende der Spitze innerhalb der Kappe zu liegen kommt. Dann wird die Kappe an das verschlossene Ende des Kernkcrperteil3 der Elektrode angeschweißt und der Rest der Zündkerze zusammengebaut.

Bei der verbesserten Elektrodenkonstruktion kann das Kopfende der Feindrahtspitze unregelmäßig sein, und es können kleine Luft zwischenräume zwischen der Kappe und dem benachbarten Ende des mit Kern versehenen Körperteils vorhanden sein. Es

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können korrosive Gase von der Verbrennungskammer in diese kleinen Lufträume eintreten, jedoch können die Gase nicht den wärmeleitenden Kern aus weich korrodierendem Kupfer oder Silber der Elektrode angreifen, wie es bei den bekannten Elektroden der Fall ist.

Hauptziel der vorliegenden Erfindung ist somit die Schaffung einer neuen und verbesserten "Peindraht"-Elektrodenkonstruktion für Zündkerzen.

Außerdem erstrebt die Erfindung die Schaffung einer Zündkerze mit einer verbesserten Iridium-Elektrodenspitzenkonstruktion.

Die erfindungsgemäße verbesserte Zündkerzenelektrode soll ferner einen wärmeleitenden Kern und eine Feindrahtspitze aufweisen und so konstruiert sein, daß die korrosiven Verbrennungsgase den leicht korrodierenden, wärmeleitenden Kern nicht angreifen können.

Die Erfindung soll im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert werden.

Die Zeichnungen zeigen in

Fig. 1 einen Vertikalteilschnitt durch eine Zündkerze gemäß der Erfindung;

Fig. 2 ekle Bodenansicht einer Zündkerze gemäß der Erfindung;

Fig. 3 eine auseinandergezogene Ansicht einer mit Kopf versehenen Feindrahtspitze und einer Kappe gemäß der Erfindung;

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Fig. 4 einen Teilschnitt durch den Boden des mit Kern versehenen Körperteiles der Elektrode, der Spitze und der Kappe vor dem Anschweißen der Kappe am Bodenende des Körperteils;

Fig. 5 einen Teilschnitt ähnlich der Fig. 4 zur Viedergabe eines Teiles einer zusammengebauten Zündkerzenelektrode gemäß der vorliegenden Erfindung; und in

fe Fig. 6 eine schematische Ansicht zur 7/iedergabe einer Vorrichtung zur Herstellung eines Kopfes an einer Feindrahteleketrodenspitze.

In den Figuren 1 und 2 ist eine erfindungsgemäße Zündkerze allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet. Bei der Zündkerze 10 handelt es sich um eine sog. "Feindraht"-Zündkerze, wie sie in Fremdkraftmaschinen mit hoher Leistung, beispielsweise Flugzeugmotoren, Verwendung finden soll, wo extrem hohe Korrosionsbedingungen vorliegen. Die Zündkerze 10 enthält allgemein einen ringförmigen Isolator 11 mit einer axialgestuften Bohrung 12. Eine Mittelelektrode 13 ist in der gestuften Bohrung 12 untergebracht. Den Isolator 11 umgibt eine Metallhülse W 14 und eine äußere metallische Hülse 15. Am untersten Ende der metallischen Hülse 15 erstrecken sich Massenelektroden nach innen.

Der untere Teil der Mittelelektrode 13 enthält ein keramisches Abdichtmaterial 18, welches mit dem oberen Ende 19 einer ringförmigen Metallhülse 20 in Berührung steht. Die Hülse 20 besteht aus einem korrosionsbeständigen Material, beispielsweise Nickel oder einer Nickellegierung, und west einen vergrößerten Flansch

21 am oberen Ende auf. Der Flansch 21 sitzt auf einer Schulter

22 innerhalb der gestuften Bohrung 12 des Isolators 11. Das obere Ende 19 der Metallhülse 20 weist eine Öffnung 23 auf,

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welche mit einer t.littelöffnung 24 in der !.!e tall hülse 20 in Verbindung steht. Sine Elektrode 25 r»gt nach oben vom "i.ittelteil 24 durch die Öffnung 23 und das Abdichtmaterial vor. Der untere Teil der Elektrode 25 steht in elektrischer Verbindung mit einem Kern 26, welcher den Kittelteil 24 der föetallhülse 20 ausfüllt. Der Kern 26 kann aus Silber, Kupfer oder einem anderen geeigneten Material mit hoher Tärmeleitfähigkeit bestehen.

Der Mittelteil 24 der Metallhülse 20 erstreckt sich nicht vollständig durch die Metallhülse 20. 3s verbleibt eine Yandung 27, die das untere Ende der Hülse 20 abdichtet oder verschließt. Die korrosionsbeständige 'Vandung 27 schützt den Silber- öder Kupferkern 26 gegenüber stark korrosiven Gasen, die in der Verbrennungskammer von Brennkraftmaschinen vorhanden sind. Jedoch sollte die ".'andung 27 ausreichend dünn sein, so daß ein guter "Värmeübergang von einer befestigten Zündspitze 28 durch die .Vandung 27 auf den Kern 26 nöglich ist.

Die Zündspitze 28 besteht gemäß der vorliegenden Erfindung aus einem kurzen Drahtstück, das koaxial mit dem unteren Ende der Metallhülse ausgerichtet und dort befestigt ist. Diese Befestigung erfolgt mittels einer Kappe 29. Der obere Teil der Mittelelektrtbde 13 enthält eine leitende Abdichtung 30 in elektrischer Verbindung mit der Elektrode 25, einen Yiderstand 31, eine Feder 32 und einen Anschlußstift 33, welcher mit Gewindeeingriff in den Isolator 11 greift.

In den Figuren 3 bis 5 ist die Zündspitze 28 und die Abschlußkappe 29 im einzelnen wiedergegeben. Die Spitze 28 ist aus einem kurzen zylindrischen Drahtstück hergestellt und weist einen Schaftteil 34, ein Zündende 35 "und einen verbreiterten Kopf 36 auf. Bei dieser Konstruktion kann die Sündspitze 28 aus extrem teuerem Metall hergestellt werden, beispielsweise Iridium, wobei man nur kleine Mengen dieses Metalls verwendet

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- 8 und vernachlässigbaren Metallverlust hat.

Die Kappe 29 besteht aus einem kurzen zylindrisch geformten Metallstück mit einer gestuften Axialbohrung 37. Die Kappe besteht aus dem gleichen Material wie die ringförmige Jfetallhülse 20 ader einem anderen korrosionsbeständigen Metall, auf das man die Kappe 29 leicht aufschweißen kann. Die gestufte Bohrung 37 enthält einen vergrößerten Teil 38 zur Aufnahme des Kopfendes 36 der Spitze und einen reduzhierten Teil 39 mit einem Durchmesser, der gerade groß genug zur Aufnahme des Schaftteiles 34 der Spitze 28 ist. Die Konstruktion des unteren Teiles der Mittelelektrode 13 wird vervollständigt durch Einsetzen des Zündendes 35 der Spitze 28 in die gestufte Bohrung 37 in der Kappe 29 derart, daß das Kopfende 36 der Spitze 28 im vergrößerten Bohrungsteil 38 liegt-und das Zündende 35 aus der Kappe 29 vorsteht. Die Kappe ist bei 40 am unteren Ende der Hülse 20 über dem Stopfen 27 angeschweißt. Die Mittelelektrode 13 wird dann in die axial gestufte Bohrung 12 eingesetzt, die sich durch den Isolator 11 erstreckt.

Besteht die Zündspitze 28 aus einem Metall, wie Iridium, ',Yolfram, Molybdän, Ruthenium, Rhodium und legierungen davon, dann ergeben sich Schwierigkeiten bei der Herstellung des Kopfendes 36. Diese Metalle sind unstreckbar und können nicht heiß verarbeitet werden. Wenn andererseits solche Metalle erhitzt werden, kann eine Rekristallisation auftreten, was dazu führt, daß diese Metalle brüchig-werden. Die Temperatur, bei der eines aus der Gruppe dieser Metalle rekristallisiert, ändert sich mit dem Zeiträum, während dem das Metall auf erhöhter Temperatur verbleibt. Die Rekristallisationstemperatur nimmt mit zunehmender Zeit ab. Infolgedessen ist es möglich, die Temperatur von beispielsweise Iridium auf annähernd 1093° C (2000° F) ohne wesentliche Rekristallisation

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zu steigern, wenn die Zeit der erhöhten Temperatur in der Größenordnung von Bruchteilen einer Sekunde liegt, obwohl Iridium bei langzeitiger Erhitzung normalerweise bei 982° C (1800° P) rekristallisiert.

Es hat sich gezeigt, daß die Feindrahtspitze 28 mit einem Kopf versehen werden kann, wenn man das Prinzip nach der USA-Patentschrift 3 315 113 näherungsweise verwendet. Sine Vorrjßhtu-ng zur Durchführung dieses Verfahrens ist in Fig. wiedergegeben. Die Vorrichtung besteht allgemein aus einer Presse 41 mit einer beweglichen Platte 42 und einem festen Bett 43. Die.bewegliche Platte 42 läßt sich auf das feste Eett 43 zu und von ihm weg mit Hilfe einer Verbindungsstange 44 und eines nicht gezeichneten üblichen hydraulischen Zylinders bewegen. An der beweglichen Platte 42 ist ein oberes Gesenk

45 befestigt, während das feste Bett 43 ein unteres Gesenk

46 trägt. Das untere Gesenk 46 besitzt eine zylindrische Ausnehmung 47 zur Aufnahme und Halterung des Schaftteiles 34 und des Zündendes 35 der Spitze 28. Ein Abwärtstransformator 48 führt zu dem oberen und unteren Gesenk 45 bzw. 46 über die Drähte 49 und 50 stromzu..

Zwischen dem oberen Gesenk 45 und dem unteren Gesenk 46 wird über einen spitzen Rohling 51 ein elektrischer Stromkreis geschlossen. Der Strom wird dem Transformator 48 zugeführt, um den Teil des spitzen Rohlings 5.1 zu erhitzen, der sich zwischen dem oberen Gesenk 45 und dem unteren Gesenk 46 erstreckt. Anschließend wird die Platte 42 nach unten bewegt und formt den Kopf 36 der Zündspitze 28 aus. Der Zeitraum, während dessen der Strom dem Transformator 48 zugeführt wird, ist so ausreichend kurz, daß im Kopfteil 36 nur eine geringfügige Rekristallisation auftritt. Das untere Gesenk 46 wirkt als Wärmesenke und hält den Schaftteil 34 und das Zündende 35

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der Spitze 28 unterhalb der Eristallisationstemperatur.

Selbst wenn die Rekristallisation kein Problem darstellt, wie beispielsweise bei Fiatin oder rlatinlegierungen, kann · das obenbesehriebene Verfahren zur Herstellung von Kopfenden an Feindrahtzündker:.:o.-j£ktrodenspitzen Verwendung finden.

Patentansprüche:

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Claims (7)

Patentansprüche

1. JZündkerse mit einem Isolator mit durchgehender Axialbohrung, in welcher eine Mittelelektrode sitzt, die eine am unteren Ende mit einem wärmeleitenden Ketallkern versehene, rohrförmige Metallhülse aufweist, dadurch gekennzeichnet , daß die Mittelelektrode (13) eine am unteren Ende der rohrförmigen Ketallhülse (20) befestigte Metallkappe (29) mit einer Aufnahmeöffnung (38) und mit einer koaxialen Schaftöffnung (39)und einem korrosionsbeständigen Xetallzündstift (28) mit einem zylindrischen Schaftteil (34) und einem Kopfende (36) aufweist, das eng in der Aufnahmeöfefnung (38) der Kappe (29) sitzt, während sich der Schaftteil (34) durch die Schaftöffnung (39) der Kappe (29) erstreckt und über diese nach vorne vorsteht.

2. Zündkerze mit einem Isolator mit durchgehender Mittelbohrung, in welcher eine Mittelelektrode montiert ist, dadurch gekennzeichnet , daß die tflttelelektrode (13) eine einen aus wärmeleitendem Metall bestehenden Kern (26) umschließende Metallhülse (20) am unteren Ende des Isolators (11) aufweist, die Metallhülse (20) eine rohrförmige Seitenwandung und einen damit einstückigen Bodenteil (27) besitzt -und ein korrosionsfester Metallzündstift (28) mit einem Schaftteil (34) "und einem verdickten Kopfende (36) vorgesehen ist, das am Bodenteil (27) der Metallhülse (20) fixiert ist.

3. Zündkerze nach Anspruch 2, dadurch gekennz eichn e t , daß das Kopfende (36) des Zündstifts (28) von einer Kappe (29) gehalten ist, die eine gestufte Axialbohrung (38, 39) aufweist, in deren weiterem Teil (38)

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das Kopfende sitzt, während der Schaftteil (34) durch den engeren Teil (39) aus der Kappe (29) vorsteht.

4. Zündkerze nach Anspruch 3» dadurch gekennz eichn e t , da2 die Kappe (29) am Hülsenboden (27) angeschweißt ist.

5. Zündkerze nach Anspruch 4, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die Spitze aus einem Metall der Gruppe Iridium, Platin, Volfram, Γ/iolybdän, Ruthenium,

P Rhodium und Legierungen davon besteht.

6. Zündkerze nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Spitze aus Iridium besteht.

7. Zündkerze mit einem isolierenden Kern mit einer axialen Bohrung, einer in dieser bohrung montierten Mittelelektrode, einer den isolierenden Kern umgebenden Außenhülse und wenigstens eire~ ^assenelektrode in elektrischer Verbindung mit der Au2enhülse, gekennzeichnet durch eine verbesserte TCittelelektrode mit einem wärme-

^ leitenden I.Ietallkern, einer wenigstens ein Ende dieses

™ Kerns umgebenden korrosionsbeständigen Ketallhülse,'einer korrosionsbeständigen, an der Ketallhülse angeschraubten Ketallkappe, die mit der Hülse eine Kammer bildet, einem korrosionsbeständigen Zündstift mit einem Schaftteil und einem Kopfteil, der in der Kammer sitzt, während der

Schaftteil der Spitze sich durch die Kappe erstreckt und mit den liasseelektroden den Zündspalt definiert.

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