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WO2008055483A1 - Zündeinrichtung, insbesondere zündkerze für eine verbrennungskraftmaschine und verfahren zur herstellung - Google Patents

Zündeinrichtung, insbesondere zündkerze für eine verbrennungskraftmaschine und verfahren zur herstellung Download PDF

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Publication number
WO2008055483A1
WO2008055483A1 PCT/DE2007/001992 DE2007001992W WO2008055483A1 WO 2008055483 A1 WO2008055483 A1 WO 2008055483A1 DE 2007001992 W DE2007001992 W DE 2007001992W WO 2008055483 A1 WO2008055483 A1 WO 2008055483A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
electrode
ignition device
ground
spark plug
noble metal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/DE2007/001992
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Werner Niessner
Christophe Houlle
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
BorgWarner Ludwigsburg GmbH
Original Assignee
Beru AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beru AG filed Critical Beru AG
Priority to DE112007003254T priority Critical patent/DE112007003254A5/de
Publication of WO2008055483A1 publication Critical patent/WO2008055483A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T13/00—Sparking plugs
    • H01T13/20—Sparking plugs characterised by features of the electrodes or insulation
    • H01T13/39—Selection of materials for electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T13/00—Sparking plugs
    • H01T13/20—Sparking plugs characterised by features of the electrodes or insulation
    • H01T13/32—Sparking plugs characterised by features of the electrodes or insulation characterised by features of the earthed electrode
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T21/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture or maintenance of spark gaps or sparking plugs
    • H01T21/02—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture or maintenance of spark gaps or sparking plugs of sparking plugs

Definitions

  • Ignition device in particular spark plug for an internal combustion engine and method of manufacture
  • the invention relates to an ignition device for igniting combustible mixtures, in particular a spark plug for generating the spark for a, in particular gas-fired internal combustion engine according to the preamble of patent claim 1 and a method for producing a spark plug.
  • a spark plug from DE 101 29 040 which comprises a region with a step-shaped cross-sectional change of the ground electrode.
  • an ignition device in particular a spark plug, with at least two ground electrodes fixed in the same bending height with respect to the tip of the center electrode is known, in which several types of discharge take place.
  • a high voltage is applied between the center electrode and the at least two ground electrodes, a first discharge is performed, the so-called air spark, at a first wide spark gap between the center electrode facing end surface of the ground electrode and the outer surface of the center electrode.
  • a second discharge takes place at a second wide spark gap, the so-called air sliding spark, between the ground electrode, the insulating member and the center electrode.
  • the invention is based on this prior art, the task of providing an ignition device for an internal combustion engine, which has a long service life in a simplified and cost-effective production, and to provide an economically optimized method for inexpensive precious metal reinforcement of a mass and / or center electrode in the ignition device ,
  • an ignition device for an internal combustion engine comprising:
  • An electrical insulation layer which is arranged centrally in the spark plug body,
  • a center electrode which is arranged centrally in the insulating element and projects from the tip of the insulating element and at least one
  • the ignition device according to the invention can be used for example in a gas-powered industrial engine with a high compression pressure.
  • the ignition device according to the invention has considerable advantages over the prior art, because spark gaps projecting far into the combustion space without thermal overheating or vibration fractures at the ground electrode can be realized by the frontal application of a noble metal tip .
  • a further significant advantage of the ignition device according to the invention is then that, in the case of the height-offset arrangement of the ground electrodes, a nearly 360 ° burnup surface can preferably be provided on the lateral surface of the center electrode.
  • mutual contact between the ground electrodes is essentially ruled out. With the enlargement of the Abbrand designs the spark exit surface is simultaneously increased and thus achieved an increased life
  • the electrode spacing between each ground electrode and the center electrode is set so that it is substantially equal.
  • the electrode spacing is preferably in the micrometer range to avoid undesirable misfire. Since the inventive ignition device requires a high discharge voltage, this small micrometer range satisfies the requirement for stable operation without misfire
  • the center electrode and the ground electrodes are formed substantially of a non-noble metal
  • the center electrode and the ground electrodes consist essentially of a nickel-based alloy, comprising elements such as Al, Si, Mn, Cr, Y, Hf.
  • nickel-based alloys comprising elements such as Al, Si, Mn, Cr, Y, Hf.
  • each end face of the ground electrode of the lateral surface of the center electrode is opposite and the electrode distance is less than the distance of the ground electrode to the isoher element.
  • the electrode spacing between each ground electrode and the center electrode is substantially equidistant. This leads to a uniform burn of the ground electrodes and the center electrode.
  • a micrometre reduced electrode spacing between the ground electrode and center electrode is possible, which can lead to a reduction in the voltage requirement increase over time.
  • the spark is formed directly as air sparks A gliding of the air spark on the toe of the insulating does not take place
  • the electrode spacing is approximately between 200 .mu.m to 600 .mu.m, preferably at 300 .mu.m.
  • the small electrode spacing in the micrometer range is of great importance in particular for ignition devices for use in gas-operated industrial engines with high compression pressures, since a particularly small electrode spacing leads to a reduction in the discharge voltage requirement
  • the electrode spacing can be readjusted by bending the ground electrodes. The advantage of this embodiment allows a readjustment to small electrode spacings, preferably 300 .mu.m, during engine operation at regular intervals of maintenance. A repeated use of these ignition devices is given.
  • each ground electrode forms an air gap with the center electrode over the electrode gap.
  • the height-offset arrangement of the ground electrode pairs preferably results in at least four air gaps ranging in size between 200 .mu.m and 600 .mu.m, preferably 300 .mu.m.
  • the distance between the air gap between the ground electrode and the center electrode corresponds essentially to the distance between the electrodes.
  • a significant advantage of the method according to the invention is that can be set by the erfi ⁇ dungssiee positioning of the ground electrode pairs predefined electrode distances in the micrometer range cost and with a minimum of process steps.
  • the small electrode spacings in conjunction with an increase in burnup area allow for an increase in the life of the igniter without the use of precious metals.
  • a further advantage of the method according to the invention is that the height-offset attachment of the laterally arranged ground electrodes makes it possible to use a large burnup area, which makes it possible to reduce the rise in the voltage requirement over the runtime.
  • the object of the invention shows the significant advantage that the electrode spacing can also be readjusted by attaching lateral ground electrodes.
  • a substantially equal electrode spacing is formed between each ground electrode and the center electrode.
  • the electrode spacing is set between 200 ⁇ m and 600 ⁇ m, preferably 300 ⁇ m, to avoid misfire. Since the ignition device according to the invention enables a low discharge voltage, the requirement for stable operation without misfire is met by means of an electrode spacing of between 200 ⁇ m and 600 ⁇ m.
  • the ground electrodes are bent in such a way that the electrode spacing is readjusted.
  • the advantage of the erfg ⁇ dungsg ⁇ mä touch method allows in motor operation, as needed, a readjustment to small micro-scale electrode distances, preferably 300 .mu.m, so that low raw emissions are possible until the end of life.
  • the ignition devices according to the invention can be used several times with the ground electrodes positioned according to the invention.
  • An advantage of this embodiment is that a uniform erosion of the ground electrodes and the center electrode takes place.
  • Figure 1 A schematic view of a spark plug device with a laterally arranged
  • Figure 2 1 A schematic representation of a cross-sectional view of a combustion chamber end of an ignition device with two laterally arranged ground electrodes
  • FIG. 3 The stepwise formation of an electrode with a noble metal tip
  • FIG. 4 reinforcement of the electrode
  • FIG. 5 Side electrode variants
  • Figure 6 an embodiment with stainless steel sleeve
  • the ignition device 10 has a cylindrical spark plug body 1 made of metal, in which a ceramic insulating element 2 is arranged centrally. From the insulating member 2, the tip of the center electrode 3 formed of a non-noble metal projects into the combustion chamber (not shown) of the internal combustion engine.
  • the ceramic insulating member 2 includes the center electrode 3 of the igniter.
  • the center electrode 3 is disposed axially in the ceramic insulating member 2 and protrudes from the toe of the insulating member 2. Through the center electrode 3, the center axis of the ignition device runs centrally.
  • a ground electrode 4 is mounted such that the leading end is fixed to the end face of the cylindrical spark plug body 1 by welding.
  • the ground electrode 4 formed of a non-noble metal, made of a nickel-based alloy, electrode wire z. B. used with dimensions of the order of 1.7mm x 2.7mm. After welding, the ground electrode 4 is bent in the direction of the center axis of the ignition device such that the ground electrode is positioned at the same bending height with respect to the tip 5 of the center electrode 3.
  • the invention is not limited only to the examples described, but other ground electrodes can z B arranged offset in height with respect to the tip of the center electrode
  • ground electrodes are arranged offset on the end face of the cylindrical spark plug body to another than 90 ° or 60 ° -W ⁇ nkel
  • electrode wires with other dimensions can be used for the ground electrodes.
  • the stamp with which the Masseeie- electrodes are punched have different diameters
  • the invention is generally applicable to igniters
  • Figure 1 shows a partial view of the spark plug according to the invention, which consists essentially of a metallic body (1), a ceramic insulator (2), a center electrode (3) and a ground electrode (4).
  • the ground electrode (4) is designed as a side electrode and forms a spark gap (EA) with the center electrode (3).
  • the center electrode (3) is centrally inserted in the insulator (2) and pressure-tightly embedded in the step-shaped insulator bore by means of an electrically conductive glass mass, not shown, and a firing pin.
  • the center electrode (3) is formed with an annular shaped tip, the so-called corona tip (9).
  • the center electrode (3) looks in the zund solution end and is provided at the end with a noble metal tip (5).
  • the noble metal tip can consist of a platinum or lithium alloy ,
  • the noble metal tip (5) is connected to the center electrode (3) by means of an alloying zone (7).
  • the alloying zone (7) is formed by laser welding.
  • the alloy zone (7) compensates for the different coefficients of linear expansion of the two metals nickel alloy from the center electrode (3) and indium or platinum alloys from the noble metal tip (5), so that during engine operation no stress cracks occur in the joint plane and therefore premature end of life is avoided.
  • the ground electrode (4) is formed from a round wire (0 1, 5 - 2,0 mm) and bent in the direction of spark plugs central axis to the noble metal tip (5) of the center electrode (3) in the form of a side electrode
  • the ground electrode (4) is zün technology verünt and
  • the precious metal tip (6) is welded onto the ground electrode (4) by means of a laser welding, so ) and the ground electrode (4) forms an alloying zone (8) for the purpose of compensating for the different coefficient of longitudinal expansion of the nickel base alloy of the ground electrode (4) and iridium or platinum alloy of the noble metal tip (6)
  • the noble metal tips (5) of the center electrode (3) and the noble metal tip (6) of the ground electrode (4) form a spark gap (EA).
  • the ground electrode (4) is above the Isolatorfußspitze (10) with the distance G, wherein the distance G is always greater than the electrode spacing (EA).
  • FIG. 2 shows a spark plug having the features of FIG.
  • the spark plug according to the invention in FIG. 2 differs essentially from the spark plug described in FIG. 1 in that it is formed with at least one additional auxiliary electrode (11).
  • the auxiliary electrode is arranged to form a sliding air gap (GLF) with the center electrode (12).
  • the sliding air gap (GLF) consists of a sliding spark gap (GF) and a Lucasfun kenstreck ⁇ (LF).
  • the center electrode (12) is cylindrical in the region of the insulator bore (13) and tapers only outside the insulator bore (13). This geometry ensures that the sparks are formed at the appropriate engine operating state or contaminated insulator foot tips on the sliding air gap (GLF).
  • the distance between the sliding air gap section (GLF) is greater than the air gap gap (EA).
  • the air gap (LF) of the sliding air gap (GLF) is smaller than the air gap of the center electrode (12) and the ground electrode (4).
  • the distance G between the lower edge of the ground electrode (4) and the Isolatorfußspitze is greater than that of the air gap (EA) of the center electrode (12) and the ground electrode (4).
  • FIG. 3 shows the production sequence when attaching the noble metal tip (6) to the ground electrode (4).
  • the noble metal tip (6) is applied to the ground electrode (4) in such a way that the noble metal tip (6) in the form of a blank (15) is applied on the end face (14) of the ground electrode (4).
  • the ground electrode (4) has the geometric shape of a round wire instead of conventional flat wires. This allows a mechanical processing, for example by means of turning.
  • a tapered step (16) is mounted on the end face (14) a Ronde (15) is applied by means of resistance welding.
  • the step (16) which receives the blank (15) is larger in diameter than the blank (16).
  • an alloy zone (8) is produced by laser welding between the blank (15) and the step (16) of the center electrode (4), and the ground electrode (4) is formed with a noble metal tip (6).
  • the ground electrode (4) with the noble metal tip (6) can then be welded onto the body (1) and bent. Furthermore, FIG.
  • FIG. 1 shows a spark plug with a noble-metal-reinforced center electrode (3) and a noble-metal-reinforced ground electrode (4) in the form of a side electrode, wherein the noble metal reinforcement (6) is welded onto the side electrode on the front side.
  • an alloy zone (8) is formed between precious metal (6) and ground electrode (4).
  • the alloy zone (8) is formed for example by means of beam welding, preferably by laser welding.
  • the ground electrode (4) consists of a round wire.
  • the ground electrode (4) is tapered on the ignition side and provided with a step ((16).
  • the center electrode (3) is formed with a noble metal tip (5) and a Al istszo ⁇ e (7).
  • the distance G which is shown in Figures 1 and 2, is greater than the air gap (EA).
  • An additional auxiliary electrode (11) can be seen in an alternative embodiment in Figure 2.
  • the distance of the sliding air gap (GLF), as shown in FIG. 2, is greater than the air gap (EA).
  • the air gap (LF) of the sliding air gap (GLF) is smaller than the air gap (EA) between the center electrode (12) and the ground electrode (4).
  • the distance G between the lower edge of the ground electrode (4) and the Isolatorfußspitze is greater than that of the air gap (EA) of the center electrode (12) and the ground electrode (4).
  • FIG. 4 shows a further manufacturing possibility of the noble metal reinforcement on the ground electrode. This provides that on the end face of the ground electrode, a noble metal piece is welded as described below:
  • the noble metal piece in FIG. 5 can be applied to the end face in the form of a round blank, a cylindrical wire piece, a rivet form or as a ball (with subsequent flat embossing), preferably by means of resistance welding.
  • a radiation welding process preferably a laser welding process, is additionally used.
  • FIG. 6 shows a spark plug with stainless-steel-reinforced electrodes 3, 4.
  • the center electrode 3 has a tubular sleeve 5, which is friction-welded, for example.
  • Such a sleeve 5 can also be arranged on the sides and / or auxiliary electrode.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Spark Plugs (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Zündeinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine, umfassend wenigstens einen Zündkerzenkörper aus einem elektrisch leitenden Material, wenigstens ein elektrisches Isolierelement, das zentrisch im Zündkerzenkörper angeordnet ist, wenigstens eine Mittelelektrode, die zentrisch im Isolierelement angeordnet ist und von der Fußspitze des Isolierelementes vorsteht und wenigstens eine seitlich zur Mittelelektrode angestellte Masseelektroden, die mit dem Zündkerzenkörper verbunden ist, wobei die Masseelektrode und/oder die Mittelelektrode eine Edelmetallarmierung aufweist.

Description

Zündeinrichtung, insbesondere Zündkerze für eine Verbrennungskraftmaschine und Verfahren zur Herstellung
Die Erfindung betrifft eine Zündeinrichtung zur Zündung brennfähiger Gemische, insbesondere eine Zündkerze zur Erzeugung der Zündfunken für eine, insbesondere mit Gas befeuerte Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung einer Zündkerze.
Aus der DE 101 22 938 ist eine Zündkerze für einen Motor bekannt, bei der die Mittelelektrode eine Spitze aus Edelmetall aufweist.
Weiter ist eine Zündkerze aus der DE 101 29 040 bekannt, die einen Bereich mit stufenförmiger Querschnittsveränderung der Masseelektrode umfasst.
Unter anderem ist aus der GB 587437 auch als Ergebnis der Arbeiten des Dr. Llewellyn-Jones bekannt, edelstahlarmierte Elektroden in Zündkerzen, insbesondere in Flugzeugmotoren zu verwenden.
Weiter kann man dem Platinum Metals Rev., 1963, 7 (2), 58-65 einen Beitrag von Professor Llewllyn- Jones entnehmen, der die Grundlagen der Erosionsrate der Platinmetalle, insbesondere im Einsatz als Elektrode, zum Gegenstand hat.
Armierte Zündkerzenelektroden, insbesondere mit Metallen aus der Reihe der Platinmetalle sind bekannt aus „The growing use of platinum group metals for spark plug electrodes von P.M. Raw von der Fa. Engelhard Ltd., Iselin, New Jersey, veröffentlicht auf der Tagung vom 14.10.1992 bis 17.10.1992 in Nizza.
Gemäß der DE 195 03 223 A1 ist eine Zündeinrichtung, insbesondere eine Zündkerze, mit wenigstens zwei in Bezug auf die Spitze der Mittelelektrode in gleicher Biegehöhe befestigten Masseelektroden bekannt, bei welcher mehrere Entladungsarten stattfinden. Somit wird eine erste Entladung ausgeführt, der sog. Luftfunken, an einem ersten breiten Zündspalt zwischen der der Mittelelektrode zugewandten Endfläche der Masseelektrode und der Mantelfläche der Mittelelektrode, wenn eine Hochspannung zwischen der Mittelelektrode und der wenigstens zwei Masseelektroden angelegt wird. Gemäß der herkömmlichen Technologie findet eine zweite Entladung an einem zweiten breiten Zündspalt, der sog. Luftgleitfunken, zwischen der Masseelektrode dem Isolierelement und der Mittelelektrode statt. Damit sich ein Luftgleitfunken ausbilden kann, wird ein relativ breiter Elektrodenabstand benötigt, um das Gleiten des Luftgleitfunkens über die Oberfläche des Isolatorelements zu ermöglichen. Diese Ausgestaltung der Zündeinrichtung ist insbesondere für mit Gas befeuerte Industriemotoren mit hohen Kompressionsdrücken nicht anwendbar, da bei solchen Zündeinrichtungen ein kleiner sich im Mikrometerbereich befindlicher Elektrodenabstand zur Senkung des Spannungsbedarfsanstiegs über Laufzeit nicht darstellbar ist und somit eine Fertigung von nah an der Mittelelektrode angeordneten Masseelektroden mittels Ausstanzen, nicht umsetzbar ist. Gegenwärtig nehmen die Anforderungen an die Lebensdauer von Zündeinrichtungen für Verbrennungskraftmaschinen erheblich zu, was insbesondere für Zündeinrichtungen gilt, die in Gas befeuerten stationär betriebenen, großvolumigen und hochverdichteten Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt werden sollen. Zündeinrichtungen für diesen Einsatzzweck sollten eine lange Laufzeit in der Größenordnung von wenigstens 1 000 bis 2 000 Stunden haben. Da derartige
Verbrennungskraftmaschinen mit hohem Kompressionsdruck arbeiten, muss besonderer Wert auf einen möglichst kleinen Elektrodenabstand gelegt werden. Die gegenwärtig verfügbaren Zündeinrichtungen genügen der Forderung nach einer langen Lebensdauer nicht, was einen kostenintensiven Zündkerzenwechsel zur Folge hat.
Der Erfindung liegt ausgehend von diesem Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, eine Zündeinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine, die eine hohe Lebensdauer bei einer vereinfachten und kostengünstigen Fertigung aufweist, anzugeben sowie ein wirtschaftlich optimiertes Verfahren zur kostengünstigen Edelmetallarmierung einer Masse und/oder Mittelelektrode in der Zündeinrichtung bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird in Bezug auf die erfindungsgemäße Zündeinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst und in Bezug auf das zu schaffende Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen und der Beschreibung hervor.
Die erfindungsgemäße Lösung ist gegeben durch eine Zündeinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine umfassend:
• einen Zündkerzenkörper aus einem elektrisch leitenden Material,
• ein elektrisches Isolierβlβment, das zentrisch im Zündkerzenkörper angeordnet ist,
• eine Mitteielektrode, die zentrisch im Isolierelement angeordnet ist und von der Fußspitze des Isolierelementes vorsteht und wenigstens eine
• seitlich zur Mittelelektrode angestellte Masseelektrode, die mit dem Zündkerzenkörper verbunden ist. Die erfindungsgemäße Zündeinrichtung kann beispielsweise in einem gasbetriebenen Industriemotor mit einem hohen Kompressionsdruck Verwendung finden.
Die erfindungsgemäße Zündeinrichtung weist bezüglich ihrer Ausbildung und der Positionierung der Masseelektroden in der Zündeinrichtung erhebliche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik auf, weil durch die stirnseitige Aufbringung einer Edelmetallspitze auf die Masseelektrode weit in den Verbrennungsraum ragende Funkenstrecken ohne thermische Überhitzung oder Schwingungsbrüche an der Masseelektrode realisierbar sind. Ein weiterer wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Zündeinrichtung liegt dann, dass bei der hόhenversetzten Anordnung der Masseelektroden vorzugsweise eine nahezu 360° - Abbrandfläche an der Mantelfläche der Mittelelektrode zur Verfugung stehen kann Bei der erfindungsgemaßen Anordnung ist ein gegenseitiges Berühren der Masseelektroden untereinander im wesentlichen ausgeschlossen. Mit der Vergrößerung der Abbrandfläche wird gleichzeitig die Funkenaustrittsfläche vergrößert und somit eine erhöhte Lebensdauer erreicht
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Zündeinrichtung besteht darin, dass der Elektrodenabstand zwischen jeder Masseelektrode und der Mittelelektrode derart eingestellt ist dass er im wesentlichen gleich ist. Der Elektrodenabstand befindet sich vorzugsweise im Mikrometerbereich, um eine unerwünschte Fehlzündung zu vermeiden Da die erfindungsgemaße Zündeinrichtung eine hohe Entladungsspannung erfordert, wird mittels dieses kleinen Mikrometerbereichs das Erfordernis nach einem stabilen Betrieb ohne Fehlzündung erfüllt
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung sind die Mittelelektrode und die Masseelektroden im wesentlichen aus einem nichtedlen Metall ausgebildet
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemaßen Zündeinrichtung bestehen die Mittelelektrode und die Masseelektroden im wesentlichen aus einer Nickelbasislegierung, umfassend Elemente wie beispielsweise AI, Si, Mn, Cr, Y, Hf Der Vorteil einer Anwendung von Nickelbasislegierungen besteht in den reduzierten Werkstoffkosten
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung liegt jede Endfläche der Masseelektrode der Mantelfläche der Mittelelektrode gegenüber und der Elektrodenabstand ist geringer als der Abstand der Masseelektrode zum Isoherelement. Dies hat den Vorteil, dass mehrere Masseelektrodenpaare in Bezug auf die Spitze der Mittelelektrode höhenversetzt angeordnet werden können Die Abbrandfläche der Zündeinrichtung wird somit erhöht
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Elektrodenabstand zwischen jeder Masseelektrode und der Mittelelektrode im wesentlichen äquidistant. Dies fuhrt zu einem gleichmäßigen Abbrand der Masseelektroden und der Mittelelektrode. Zusätzlich wird bei jeder einzelnen Masseelektrode ein im Mikrometerbereich reduzierter Elektrodenabstand zwischen Masseelektrode und Mittelelektrode möglich, der zu einer Senkung des Spannungsbedarfsanstiegs über Laufzeit führen kann Des Weiteren wird der Zündfunken direkt als Luftfunken ausgebildet Ein Gleiten des Luftfunkens über die Fußspitze des Isolierelements findet somit nicht statt
In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung liegt der Elektrodenabstand etwa zwischen 200μm bis 600μm, vorzugsweise bei 300μm. Der kleine Elektrodenabstand im Mikrometerbereich ist insbesondere für Zündeinrichtungen für den Einsatz in gasbetriebenen Industriθmotoren mit hohen Kompressionsdrucken von großer Bedeutung, da ein besonders kleiner Elektrodenabstand zur Senkung des Entladungsspannungsbedarfs führt In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Zündeinrichtung ist der Elektrodenabstand durch Nachbiegen der Masseelektroden nachjustierbar. Der Vorteil dieser Ausgestaltung ermöglicht im Motorbetrieb in regelmäßigen Wartungsiπtervallen ein Nachjustieren auf kleine Elektrodenabstände vorzugsweise 300μm. Ein mehrmaliges Verwenden von diesen Zündeinrichtungen ist damit gegeben.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung bildet jede Masseelektrode mit der Mittelelektrode über den Elektrodenabstand eine Luftfunkenstrecke. Durch die höhenversetzte Anordnung der Masseelektrodenpaare ergeben sich vorzugsweise wenigstens vier Luftfunkenstrecken in Größenordnung zwischen 200μm und 600μm, vorzugsweise 300μm. Dabei entspricht der Abstand der Luftfunkenstrecke zwischen der Masseelektrode und der Mittelelektrode im wesentlichen dem Elektrodenabstand.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass sich durch die erfiπdungsgemäße Positionierung der Masseelektrodenpaare vordefinierte Elektrodenabstände im Mikrometerbereich kostengünstig und mit einem Minimum an Verfahrensschritten einstellen lassen. Zusätzlich ermöglichen die kleinen Elektrodenabstände in Verbindung mit einer Erhöhung der Abbrandfläche eine Zunahme der Lebensdauer der Zündeinrichtung ohne Einsatz von Edelmetallen.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass durch das höhenversetzte Anbringen der seitlich angeordneten Masseelektroden eine große Abbrandfläche genutzt werden kann, wodurch eine Reduzierung des Spannungsbedarfsanstiegs über Laufzeit ermöglicht wird.
Der Gegenstand der Erfindung zeigt den wesentlichen Vorteil, dass auch über ein Anbringen von seitlichen Masseelektroden der Elektrodenabstand nachjustiert werden kann.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zwischen jeder Masseelektrode und der Mittelelektrode ein im wesentlichen gleicher Elektrodenabstand gebildet. Der Elektrodenabstand wird zwischen 200μm und 600μm eingestellt, vorzugsweise 300μm, um eine Fehlzündung zu vermeiden. Da die erfindungsgemäße Zündeinrichtung eine niedrige Entladungsspannung ermöglicht, wird mittels einem Elektrodenabstand zwischen 200μm und 600μm das Erfordernis nach einem stabilen Betrieb ohne Fehlzündung erfüllt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein drittes Masseelektrodenpaar zu dem ersten und dem zweiten Masseelektrodenpaar im Bezug auf die Spitze der Mittelelektrode derart höhenversetzt angebracht, dass das dritte Masseelektrodenpaar tiefer als das erste Masseelektrodenpaar angeordnet wird, wodurch zusätzlich die Abbrandfläche erhöht wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Masseelektroden derart nachgebogen, dass der Elektrodenabstand nachjustiert wird. Der Vorteil des erfiπdungsgβmäßen Verfahrens ermöglicht im Motorbetrieb je nach Bedarf ein Nachjustieren auf kleine im Mikrometerbereich befindliche Elektrodenabstände, vorzugsweise 300μm, damit bis Laufzeitende niedrige Rohemissionen möglich sind. Somit können die erfindungsgemäßen Zündeinrichtungen mit den erfindungsgemäß positionierten Masseelektroden mehrmals verwendet werden.
Ein Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass ein gleichmäßiger Abbrand der Masseelektroden und der Mittelelektrode stattfindet.
Nachfolgend werden die erfindungsgemäßen Gegenstände anhand den Ausführungsbeispielen und den Figuren 1 bis 3 näher erläutert. Hierbei gehen aus den Figuren und ihrer Beschreibung weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor. Dabei zeigen:
Figur 1 : Eine schematische Ansicht einer Zündkerzeneinrichtung mit einer seitlich angeordneten
Masseelektrode
Figur 21 Eine schematische Darstellung einer Querschnittsansicht eines brennraumseitigen Endes einer Zündeinrichtung mit zwei seitlich Angeordneten Masseelektroden
Figur 3: Das schrittweise Entstehen einer Elektrode mit Edelmetallspitze
Figur 4: Armierung der Elektrode
Figur 5: Seitenelektrodenvarianten
Figur 6: ein Ausführungsbeispiel mit Edelstahlhülse
Die Figur 1 stellt schematisch eine beispielhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zündeinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine, die als eine Zündkerze ausgestaltet ist, dar. Die Zündeinrichtung 10 weist einen zylindrischen Zündkerzenkörper 1 aus Metall auf, in dem zentrisch ein keramisches Isolierelement 2 angeordnet ist. Aus dem Isolierelement 2 ragt die Spitze der aus einem nichtedlen Metall ausgebildeten Mittelelektrode 3 in den (nicht gezeigten) Brennraum der Verbrennungskraftmaschine hinein. Das keramische Isolierelement 2 enthält die Mittelelektrode 3 der Zündeinrichtung. Die Mittelelektrode 3 ist im keramischen Isolierelement 2 axial angeordnet und steht von der Fußspitze des Isolierelementes 2 vor. Durch die Mittelelektrode 3 verläuft zentrisch die Mittelachse der Zündeinrichtung. An der Stirnfläche des zylindrischen Zündkerzenkörpers 1 ist eine Masseelektrode 4 derart angebracht, dass das führende Ende mittels Schweißen an der Stirnfläche des zylindrischen Zündkerzenkörpers 1 befestigt ist. Für die aus einem nichtedlen Metall, aus einer Nickelbasislegierung, ausgebildete Masseelektrode 4 wird Elektrodendraht z. B. mit Maßen der Größenordnung 1,7mm x 2,7mm verwendet. Nach dem Schweißen wird die Masseelektrode 4 in Richtung der Mittelachse der Zündeinrichtung derart gebogen, dass die Masseelektrode in Bezug auf die Spitze 5 der Mittelelektrode 3 auf die gleiche Biegehöhe positioniert ist. Die Erfindung ist nicht nur auf die beschriebenen Beispiele beschränkt, sondern weitere Masseelektroden können z B höhenversetzt in Bezug auf die Spitze der Mittelelektrode angeordnet werden
Eine zusätzliche Möglichkeit besteht darin, dass mögliche weitere Masseelektroden an der Stirnfläche des zylindrischen Zündkerzenkörpers auf einen anderen als 90°- oder 60°-Wιnkel versetzt angeordnet sind
Zusatzlich können für die Masseelektroden Elektrodendrähte mit anderen Maßen verwendet werden. Des Weiteren kann der Stempel, mit dem die Masseeiektroden ausgestanzt werden, verschiedene Durchmesser aufweisen
Die Erfindung lässt sich allgemein auf Zündeinrichtungen anwenden
Figur 1 zeigt eine Teilansicht der erfindungsgemäße Zündkerze, die im wesentlichen aus einem metallischen Korper (1), einem keramischen Isolator (2), einer Mittelelektrode (3) und einer Masseelektrode (4) besteht. Die Masseelektrode (4) ist als Seitenelektrode ausgeführt und bildet mit der Mittelelektrode (3) eine Funkenstrecke (EA)
Die Mittelelektrode (3) ist im Isolator (2) zentrische eingebracht und mittels einer nicht dargestellten elektrisch leitfähigen Glasmasse und einem Zundstift druckdicht in die stufenförmige Isolatorbohrung eingebettet. Die Mittelelektrode (3) ist mit einem ringförmigen ausgebildeten Spitze, der sogenannten Koronaspitze (9) ausgebildet Im zundseitigen Ende verjungt sieht die Mittelelektrode (3) und ist am Ende mit einer Edelmetalispitze (5) versehen Die Edelmetallspitze kann aus einer Platin - oder Iπdiumlegierung bestehen. Die Edelmetallspitze (5) ist mit der Mittelelektrode (3) mittels einer Legierungszone (7) verbunden Die Legierungszone (7) wird durch Laserschweißen gebildet. Die Legierungszone (7) gleicht die unterschiedlichen Langenausdehnungskoeffizienten der beiden Metalle Nickellegierung von der Mittelelektrode (3) und Indium - oder Platinlegierungen von der Edelmetallspitze (5), aus, sodass während des Motorbetriebes keine Spannungsrisse in der Fügeebene entstehen und somit vorzeitiges Lebensdauerende vermieden wird.
Die Masseelektrode (4) ist aus einem Runddraht (0 1 ,5 - 2,0 mm) ausgebildet und in Richtung Zündkerzen Mittelachse zur Edelmetallspitze (5) der Mittelelektrode (3) in Form einer Seitenelektrode gebogen Die Masseelektrode (4) ist zundseitig verjungt und mit einer Edelmetallspitze (6) versehen Die Edelmetallspitze (6) in Form einer Ronde besteht aus einer hochschmelzenden, abbrandfesten Indium - oder Platmlegierung Die Edelmetallspitze (6) wird mittels einer Laserschweißung auf die Masseelektrode (4) aufgeschweißt, sodass sich zwischen der Edelmetallspitze (6) und der Masseelektrode (4) eine Legierungszone (8) ausbildet, mit dem Zweck, dass diese die unterschiedlichen Langenausdehnungskoeffizienten der Nickelbasislegierung der Masseelektrode (4) und Iridium - oder Platmlegierung der Edelmetallspitze (6) ausgleicht Die Edelmetallspitzen (5) der Mittelelektrode (3) und die Edelmetallspitze (6) der Masseelektrode (4) bilden eine Funkenstrecke (EA). Die Masseelektrode (4) steht über der Isolatorfußspitze (10) mit dem Abstand G, wobei der Abstand G immer größer ist als der Elektrodenabstand (EA). In Figur 2 ist eine Zündkerze mit den Merkmalen der Figur 1 dargestellt.
Die erfindungsgemäße Zündkerze in Figur 2 unterscheidet sich im wesentlichen gegenüber der in Figur 1 beschriebenen Zündkerze, dass diese mit mind. eine zusätzliche Hilfselektrode (11) ausgebildet ist. Die Hilfselektrode ist so angeordnet, dass diese mit der Mittelelektrode (12) eine Gleit-Luftfunkenstrecke (GLF) bildet. Die Gleit - Luftfunkenstrecke (GLF) besteht aus einer Gleitfunkenstrecke (GF) und einer Luftfun kenstreckθ (LF).
Die Mittelelektrode (12) ist im Bereich der Isolatorbohrung (13) zylindrisch ausgebildet und verjüngt sich erst außerhalb der Isolatorbohrung (13). Diese Geometrie stellt sicher, dass sich die Funken bei entsprechenden Motorbetriebstandzustand bzw. bei verschmutzten Isolatorfußspitzen an der Gleit - Luftfunkenstrecke (GLF) ausbildet.
Für eine einwandfreie Funktion der erfindungsgemäßen Zündkerze ist der Abstand der Gleit - Luftfuπkenstrecke (GLF) größer als die Luftfunkenstrecke (EA). Die Luftfunkenstrecke (LF) der Gleit - Luftfunkenstrecke (GLF) ist kleiner als die Luftfunkenstrecke der Mitteleelektrode (12) und der Masseelektrode (4). Der Abstand G zwischen der Unterkante der Masseektrode (4) und der Isolatorfußspitze größer ist als die der Luftfunkenstrecke (EA) der Mittelelektrode (12) und der Masseelektrode (4). Figur 3 zeigt den Fertigungsablauf beim Anbringen der Edelmetallspitze (6) auf die Masseelektrode (4). Das Aufbringen der Edelmetallspitze (6) auf die Masseelektrode (4) erfolgt derart, dass auf der Stirnseite (14) der Masseeiektrode (4) die Edelmetallspitze (6) in Form einer Ronde (15) aufgebracht wird.
Die Masseelektrode (4) hat die geometrische Form eines Runddrahtes anstelle üblicher Flachdrähte. Dies erlaubt eine mechanische Bearbeitung z.B. mittels Drehen. An der Masseelektrode (4) wird eine sich verjüngende Stufe (16) angebracht, auf deren Stirnseite (14) eine Ronde (15) mittels Widerstandsschweißen aufgebracht wird. Die Stufe (16), welche die Ronde (15) aufnimmt, ist im Durchmesser größer als die Ronde (16). Anschließend wird mittels Laserschweißen zwischen der Ronde (15) und der Stufe (16) der Mittelelektrode (4) eine Legierungszone (8) erzeugt und die Masselektrode (4) ist mit einer Edelmetallspitze (6) ausgebildet. Die Masseelektrode (4) mit der Edelmetallspitze (6) kann dann auf den Körper (1) aufgeschweißt und gebogen werden. Weiter ist in Figur 1 ist ein Zündkerze mit einer edelmetallarmierten Mittelelektrode (3) und einer edelmetallarmierten Masseelektrode (4) in Form einer Seitenelektrode, wobei die Edelmetallarmierung (6) stirnseitig auf die Seitenelektrode aufgeschweißt ist, dargestellt. Zwischen Edelmetall (6) und Masseelektrode (4) wird eine Legierungszone (8) gebildet. Die Legierungszone (8) wird beispielsweise mittels Strahlenschweißen, vorzugsweise durch Laserschweißen gebildet. Die Masseelektrode (4) besteht aus einem Runddraht. Die Masseelektrode (4) ist zündseitig verjüngt und mit einer Stufe ((16) versehen. Die Mittelelektrode (3) ist mit einer Edelmetallspitze (5) und einer Legierungszoπe (7) ausgebildet. Der Abstand G, der in den Figuren 1 und 2 dargestellt ist, ist größer als die Luftfunkenstrecke (EA). Eine zusätzliche Hilfselektrode (11 ) ist in einer alternativen Ausgestaltung in Figur 2 zu sehen. Der Abstand der Gleit - Luftfunkenstrecke (GLF) wie in Figur 2 dargestellt, ist größer als die Luftfunkenstrecke (EA). Die Luftfunkenstrecke (LF) der Gleit - Luftfunkenstrecke (GLF) ist kleiner ist als die Luftfunkenstrecke (EA) zwischen der Mitteleelektrode (12) und der Masseelektrode (4). Der Abstand G zwischen der Unterkante der Masseelektrode (4) und der Isolatorfußspitze ist größer als die der Luftfunkenstrecke (EA) der Mittelelektrode (12) und der Masseelektrode (4).
Figur 4 zeigt eine weitere fertigungstechnische Möglichkeit der Edelmetallarmierung an der Masseelektrode. Diese sieht vor, dass auf der Stirnfläche der Masseelektrode ein Edelmetallstück wie im nachfolgenden beschrieben aufgeschweißt wird:
a. Widerstandsschweißen Masseelektrode, vorzugsweise Runddraht, auf Körper b. Biegen der Masseelektrode c. Schneiden der Masseelektrode d. Widerstandsschweißen Edelmetallstück (5) e. Laserschweißen Edelmetallstück f. Montage Körper und Isolator vollständig
Das Edelmetallstück in Figur 5 kann in Form einer Ronde, eines zylindrischen Drahtstückes, einer Nietform oder als Kugel (mit anschließenden Flachprägen), vorzugsweise mittels Widerstandsschweißen auf die Stirnfläche aufgebracht werden. Zur Erzeugung einer dicken Legierungsschicht wird zusätzlich ein Strahlungsschweißverfahren, vorzugsweise Laserschweißverfahren, verwendet.
Figur 6 zeigt eine Zündkerze mit edelstahlarmierten Elektroden 3,4. Die Mittelelektrode 3 weist eine rohrförmige Hülse 5 auf, die z.B. reibgeschweißt wird. Eine derartige Hülse 5 kann auch auf der Seiten und/oder Hilfselektrode angeordnet sein.
Bezugszeichenliste
1 Köper
2 Isolator
3 Mittelelektrode
4 Seitenelektrode
5 Edelmetallspitze
6 Edelmetallronde
7 Legierungszone
8 Legierungszone
9 Koronaspitze
10 Isolatorfußspitze
11 Hilfselektrode
12 Mittelelektrode
13 Isolatorbohrung
14 Stirnseite Masseelektrode
15 Ronde
16 Stufe
G Abstand Isolatorfußspitze/Masseelektrode
EA Elektrodenabstand
LF Luftfunkenstrecke
GF Gleitfunkenstrecke
GLF G leit-Luftf un kenstrecke
G Abstand Seitenelektrode/Isolatorfuß

Claims

Patentansprüche
1. Zündeinrichtung, insbesondere Zündkerze für eine Verbrennungskraftmaschine, umfassend wenigstens einen Ziindkerzenkörper aus einem elektrisch leitenden Material, wenigstens ein elektrisches Isolierelement, das zentrisch im Zündkerzenkörper angeordnet ist, wenigstens eine Mittelelektrode, die zentrisch im Isolierelement angeordnet ist und von der Fußspitze des Isolierelementes vorsteht und wenigstens eine seitlich zur Mittelelektrode angestellte Masseelektroden, die mit dem Zündkerzenkörper verbunden ist, wobei die Masseelektrode und/oder die Mittelelektrode eine Edelmetallarmierung aufweist.
2. Zündeinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Edelmetallarmierung stirnseitig auf der Masseelektrode angeordnet ist.
3. Zündeinrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Edelmetallarmierung stirnseitig auf der Mittelelektrode angeordnet ist.
4. Zündeinrichtung nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Edelstahlarmierung im wesentlichen rohrförmig ausgestaltet ist.
5. Zündeinrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Edelmetallarmierung aus einer Platinlegierung besteht.
6. Zündeinrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Edelmetallarmierung aus einer Iridiumlegierung besteht.
7. Zündrichtung nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Edelstahlarmierung bis zu 90 Gewichtsprozent einer Iridium-Rhodiumlegierung aufweist.
8. Zündeinrichtung nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Iridiumlegierung einen Rhodiumanteil von etwa 30 - 60 Gewichtsprozent und/oder einen Rhodiumanteil von etwa 1 bis 3 Gewichtsprozent aufweist.
9. Zündeinrichtung nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelelektrode (3) und die Masseelektroden im Wesentlichen aus einer Nickelbasislegierung ausgebildet sind.
10. Zündeinrichtung nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Masse- und/oder Mittelelektrode zur Zündseite hin verjüngt ausgeführt ist.
11. Zündeinrichtung nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Masse- und/oder Mittelelektrode einen im wesentlichen runden Querschnitt aufweist.
12. Zündeinrichtung nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel- und/oder Masseelektrode eine Edelmetallspitze und eine daran anschließende Legierungszone (7) aufweist.
13. Verfahren zur Herstellung einer Verbindung zwischen einer Mittel- und/oder Masseelektrode einer Zündkerze und einer Edelmetallspitze, das die folgenden Schritte umfasst: temporäres Anordnen der Edelmetallspitze an der Stirnseite eines im wesentlichen runden Elektrodendrahtes mit anschließendem Erzeugen einer Fügeverbindung zwischen Elektrodendraht und Edelmetallspitze, insbesondere mittels Laserschweißen.
14. Verfahren zur Herstellung einer Mittel- und/oder Masseelektrode, das die folgenden Schritte umfasst:
Erzeugen einer Verjüngung an einem im wesentlichen runden Draht, temporäre Aufbringung einer Edelmetallspitze, insbesondere in Form einer Ronde und/oder eines insbesondere aufzusteckendes Rohres an und/oder um und/oder über der Stirnseite der Verjüngung des runden Drahtes, anschließendes Erzeugen einer Fügeverbindung zwischen Edelmetallspitze und der Stirnseite des verjüngten Drahtes.
15. Verfahren zur Herstellung einer Zündeinrichtung, insbesondere einer Zündkerze, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Masse- und/oder Mittelelektrode nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche verwendet wird.
16. Verbrennungskraftmaschine mit einer Zündeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
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