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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zündkerze mit seitenangestellten Masseelektrode und einer Mittelelektrode mit einer Edelmetalleinlage.
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Zündkerzen sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Durch die insbesondere auf die Elektroden einwirkenden elektrischen und physikalischen Kräfte sind die Elektroden im Vergleich zu anderen Bauteilen einem erhöhten Verschleiß ausgesetzt. Um den Verschleiß zu reduzieren, werden daher häufig Pins aus Edelmetall auf die Elektroden aufgebracht. Beispielsweise aus der
DE 10 2007 042 790 A1 ist eine Zündkerze mit einer seitlich angestellten Masseelektrode bekannt. Derartige Zündkerzen mit seitlich angestellter Masseelektrode weisen gegenüber den ebenfalls bekannten Zündkerzen mit Dachelektroden die Vorteile einer besseren Entflammung und einer Reduzierung der Masseelektrodentemperatur aufgrund der kürzeren Elektrodenlänge im Vergleich mit einer Dachelektrode auf. Allerdings ist die Verwendung von Edelmetallpins an der Masse- und Mittelelektrode sehr teuer. Es wäre daher wünschenswert, eine Zündkerze mit reduziertem Edelmetalleinsatz zu haben.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Zündkerze mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine notwendige Menge von Edelmetall oder Metalllegierungen im Vergleich mit dem Stand der Technik signifikant reduziert werden kann. Hierdurch kann die erfindungsgemäße Zündkerze deutlich kostengünstiger hergestellt werden, ohne dass dadurch ihre Standzeit reduziert wird. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Zündkerze eine seitlich angestellte Masseelektrode und eine Mittelelektrode mit einer Edelmetalleinlage aufweist. Hierbei ist die Edelmetalleinlage in einer in der Mittelelektrode vorgesehenen Ausnehmung in einem Basismaterial der Mittelelektrode angeordnet. Die Edelmetalleinlage ist dabei am Außenumfang der Mittelelektrode derart angeordnet, dass die Edelmetalleinlage mit einer Oberfläche zur Masseelektrode gerichtet ist. Somit kann ein Verschleiß der Mittelelektrode durch die zur Masseelektrode gerichtete Edelmetalleinlage reduziert werden, ohne dass dabei große Mengen von Edelmetall notwendig sind. Die Edelmetalleinlage kann dabei vollständig aus Edelmetall sein oder auch eine Edelmetall enthaltende Legierung sein. Das Basismaterial ist vorzugsweise eine kostengünstige Nickellegierung. Die Edelmetalleinlage ist dabei stoffschlüssig mit dem Basismaterial verbunden und derart an der Mittelelektrode angeordnet, dass sie in Richtung zur Masseelektrode gerichtet ist, so dass ein Funkenüberschlag zwischen der Edelmetalleinlage und der Masseelektrode erfolgt. An der Masseelektrode ist vorzugsweise auch Edelmetall angeordnet, bevorzugt in Form eines Pins.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Um eine sehr hohe Dauerhaltbarkeit der Zündkerze bereitzustellen, liegt vorzugsweise eine Projektion einer zur Mittelelektrode gerichteten Endfläche der Masseelektrode vollständig auf der Edelmetalleinlage. Dies stellt sicher, dass der Funkenüberschlag an der edelmetallhaltigen Elektrodenoberfläche der Mittelelektrode auftritt.
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Weiter bevorzugt ist die Ausnehmung in der Mittelelektrode eine parallel zu einer Mittelachse der Mittelelektrode verlaufende Nut. Besonders bevorzugt ist die Ausnehmung eine in die Mittelelektrode eingeprägte Nut. Weiter bevorzugt weist die Nut vor dem Schweißvorgang im Schnitt eine bogenförmige Form auf.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Mittelelektrode an einer zur Masseelektrode gerichteten Seite einen Rücksprung auf. Dabei ist die Edelmetalleinlage am Rücksprung der Mittelelektrode angeordnet. Der Rücksprung wird durch eine im Wesentlichen plane, in Richtung zur Masseelektrode gerichtete Fläche bereitgestellt, in welcher die Ausnehmung vorgesehen wird. Besonders bevorzugt ist am Rücksprung zu beiden Seiten in Umfangsrichtung der Edelmetalleinlage ein erster und zweiter Bereich aus Basismaterial vorhanden. Hierdurch kann eine Verschleißfläche der Mittelelektrode vergrößert werden, da zusätzlich zu der Oberfläche der Edelmetalleinlage auch der Basis-Elektrodenwerkstoff als Verschleißfläche herangezogen werden kann, welcher zu beiden Seiten der Edelmetalleinlage vorhanden ist. Ein weiterer Vorteil ergibt sich durch eine vergrößerte, seitliche Überdeckungstoleranz senkrecht zur Längsachse der Mittelelektrode zur Masseelektrode.
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Weiter bevorzugt ist zwischen der Edelmetalleinlage und dem Basismaterial der Mittelelektrode eine Schweißverbindung ausgebildet. Die Schweißverbindung wird vorzugsweise mittels eines Lasers hergestellt.
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Bevorzugt ist eine maximale Tiefe der Edelmetalleinlage von der Oberfläche in Richtung zur Mittelachse der Mittelelektrode kleiner oder gleich wie eine Länge einer zur Masseelektrode gerichteten, freiliegenden Oberfläche der Edelmetalleinlage in Umfangsrichtung. Dies stellt sicher, dass eine möglichst kleine Menge von Edelmetall in der Mittelelektrode verwendet wird.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Mittelelektrode einer Zündkerze mit einer seitlich angestellten Masseelektrode. Erfindungsgemäß werden dabei die Schritte des Bereitstellens einer Mittelelektrode aus einem Basismaterial mit einer Ausnehmung, des Anordnens einer Edelmetalleinlage in der Ausnehmung und des Herstellens einer stoffschlüssigen Verbindung der Edelmetalleinlage mit dem Basismaterial mittels eines Lasers ausgeführt. Die stoffschlüssige Verbindung der Edelmetalleinlage mit dem Basismaterial erfolgt dabei vorzugsweise derart, dass die Edelmetalleinlage die Ausnehmung im Basismaterial vollständig auffüllt. Vorzugsweise wird der Laser dabei stirnseitig direkt auf die Edelmetalleinlage gerichtet, um die stoffschlüssige Verbindung herzustellen. Bevorzugt wird hierbei eine Edelmetalllegierung durch Vermischung des Edelmetalls mit dem Basismaterial erzeugt. Alternativ wird der Laser rückseitig auf die der Edelmetalleinlage gegenüber liegende Rückseite an der Mittelelektrode gerichtet. Hierdurch kann ein Wärmeeintrag in einen Verbindungsbereich zwischen der Edelmetalleinlage und dem Basismaterial durch das Basismaterial hindurch erfolgen. Dadurch kann insbesondere eine Befestigung einer reinen Edelmetalleinlage an dem Basismaterial ermöglicht werden, so dass die Edelmetalleinlage eine reine Edelmetalloberfläche aufweist.
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Bevorzugt wird die Ausnehmung im Basismaterial mittels eines Prägeschritts in das Basismaterial eingebracht. Vorzugsweise wird dabei eine Nut eingeprägt. Weiter bevorzugt wird in die Ausnehmung ein zylindrischer Edelmetalldraht eingelegt, wobei der Edelmetalldraht einen Durchmesser von 0,3 bis 0,6 mm, vorzugsweise 0,45 bis 0,55 mm und besonders bevorzugt etwa 0,5 mm, aufweist.
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Die Edelmetalleinlage ist vorzugsweise aus Platin und/oder Iridium und/oder Rhodium und/oder Rhenium und/oder Legierungen dieser Elemente hergestellt.
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Zeichnung
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
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1 eine schematische, teilweise geschnittene Ansicht eines Teils einer Zündkerze gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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2 eine schematische Draufsicht der Zündkerze von 1,
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3 eine schematische Darstellung eines Teils einer Zündkerze gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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4 eine schematische Draufsicht der Zündkerze von 3, und
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5, 6 schematische Darstellungen von zwei alternativen Herstellungsverfahren zur Herstellung einer Mittelelektrode mit Edelmetalleinlage.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 und 2 eine Zündkerze 1 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst die Zündkerze 1 eine seitlich angestellte Masseelektrode 2, eine zylindrische Mittelelektrode 3 und einen Isolatorkörper 4. In den Figuren sind nur die erfindungswesentlichen Teile der Zündkerze dargestellt. Die seitlich angestellte Masseelektrode 2 umfasst einen Edelmetallpin 20, welcher senkrecht zu einer Mittelachse X-X der Zündkerze auf die Mittelelektrode 3 gerichtet ist.
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Die Mittelelektrode 3 umfasst ein Basismaterial 30 und eine Edelmetalleinlage 31, welche in einer Ausnehmung 5 im Basismaterial 30 angeordnet ist. Wie insbesondere aus 2 ersichtlich ist, ist die Edelmetalleinlage 31 derart vorgesehen, dass die gesamte Ausnehmung 5 durch die Edelmetalleinlage 31 ausgefüllt ist. Ferner weist die Edelmetalleinlage 31 eine Oberfläche 33 auf, welche entsprechend einem Außenumfang der Mittelelektrode 3 gebildet ist. Dabei ist die Edelmetalleinlage 31 derart vorgesehen, dass eine Projektion einer Stirnfläche 21 der Masseelektrode 2 auf die Oberfläche 33 der Edelmetalleinlage 31 vollständig auf der Oberfläche der Edelmetalleinlage 31 liegt.
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Wie ferner aus 1 ersichtlich ist, verläuft die Edelmetalleinlage 31 ausgehend von einer Stirnseite 32 der Mittelelektrode parallel zur Mittelachse X-X.
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Somit muss bei der erfindungsgemäßen Mittelelektrode 3 nur ein geringer Teil der Mittelelektrode aus einem teuren Edelmetall oder einer Edelmetalllegierung hergestellt werden. Dabei ist ferner eine maximale Tiefe T der Edelmetalleinlage 31 kleiner als eine Umfangsbogenlänge der zur Masseelektrode freiliegenden Oberfläche 33 der Edelmetalleinlage 31. Durch die Ausnehmung 5 wird dabei sichergestellt, dass eine ausreichende Materialdicke im Bereich der kürzesten Verbindung zwischen der Mittelelektrode 3 und der Masseelektrode 2 vorhanden ist, so dass eine ausreichende Dicke der das Edelmetall enthaltenden Einlage vorhanden ist, so dass eine hohe Standzeit der Zündkerze erreicht wird.
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Eine Länge der Edelmetalleinlage 31 in Richtung der Mittelachse X-X der Mittelelektrode ist vorzugsweise gleich oder größer als ein Durchmesser einer zur Mittelelektrode gerichteten Stirnseite der Masseelektrode 2. D.h., wenn an der Masseelektrode ein Pin oder dgl. vorgesehen ist, ist eine Länge der Edelmetalleinlage größer oder gleich einem Durchmesser des Pins.
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Die Edelmetalleinlage 31 wird dabei mittels eines Lasers stoffschlüssig mit dem Basismaterial 30 der Mittelelektrode 3 verbunden. In den 5 und 6 sind dabei zwei alternative Herstellungsverfahren dargestellt. Bei beiden Herstellungsverfahren wird zuerst eine im Schnitt bogenförmige Nut hergestellt, damit sich der im Schnitt kreisförmige Edelmetalldraht 8 gut an die Nut anlegen kann, und keine Luft zwischen der Nut und dem Edelmetalldraht vorhanden ist, um einer Lunkerbildung vorzubeugen. Insbesondere wird der Edelmetalldraht in die Nut eingeprägt. Während des Schweißvorgangs verändert sich die Form der Nut.
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Bei dem im 5 gezeigten Herstellungsverfahren wird ein Laserstrahl 6, ausgehend von einer Laserstrahlquelle 7, direkt auf einen in der Ausnehmung 5 angeordneten Edelmetalldraht 8 gerichtet. Der Laserstrahl 6 wird dabei in seitlicher Ausrichtung auf den Edelmetalldraht gerichtet, an der später die seitlich angestellte Masseelektrode 2 angeordnet ist. Hierdurch erfolgt eine schnelle und sichere stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Edelmetalldraht 8 und dem Basismaterial 30, wobei insbesondere auch eine Vermischung des Edelmetallmaterials des Edelmetalldrahts 8 mit dem Basismaterial 30 erfolgen kann, so dass in der fertig hergestellten Mittelelektrode die Edelmetalleinlage eine Edelmetalllegierung ist. Die Form der Nut nach dem frontseitigen Schweißen ist im Schnitt im Wesentlichen V-förmig.
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Bei dem in 6 gezeigten alternativen Herstellungsverfahren wird der Laserstrahl 6 von einer zur Edelmetalleinlage rückwärtigen Seite der Mittelelektrode aus auf die Mittelelektrode 3 gerichtet. Hierdurch erfolgt eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Basismaterial 30 und dem Edelmetalldraht 8 durch das Basismaterial 30 hindurch. Hierdurch kann insbesondere eine Vermischung zwischen dem Basismaterial 30 und dem Material der Edelmetallelektrode im Bereich der Oberfläche 33 der Edelmetalleinlage 31 vermieden werden. Eine Vermischung erfolgt lediglich im Bereich der Ausnehmung 5 für die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Basismaterial 30 und der Edelmetalleinlage. Somit kann je nach gewünschter Ausgestaltung der Edelmetalleinlage 31 eines der beschriebenen Verfahren verwendet werden.
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Somit kann erfindungsgemäß auch durch eine Auswahl des Verfahrens bestimmt werden, ob ein aus reinem Edelmetall hergestellter Edelmetalldraht 8 in reiner Form an der Mittelelektrode 3 fixiert werden soll (rückwärtige Laserschweißung) oder ob eine mittels des Laserschweißens hergestellte Edelmetalllegierung als Edelmetalleinlage 31 verwendet werden soll (direkte (frontseitige) Laseranschweißung).
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In den 3 und 4 ist eine Zündkerze 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail dargestellt. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel bezeichnet.
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Wie insbesondere aus 4 ersichtlich ist, weist die Mittelelektrode 3 einen Rücksprung 34 auf. Die Edelmetalleinlage 31 ist dabei am Rücksprung 34 vorgesehen. Wie ferner aus 4 ersichtlich ist, ist die Edelmetalleinlage 31 dabei mittig am Rücksprung 34 vorgesehen. Dadurch ergeben sich zu beiden Seiten der Edelmetalleinlage 31 in Umfangsrichtung ein erster Bereich 35 und ein zweiter Bereich 36 des Basismaterials 30, welche in Richtung zur Masseelektrode 2 freiliegend sind. Hierdurch ergibt sich eine Vergrößerung einer Verschleißfläche an der Mittelelektrode 3, da neben der Oberfläche 33 der Edelmetalleinlage 31 noch der erste und zweite Bereich 35, 36 des Rücksprungs 34 als Verschleißfläche zur Verfügung steht. Ein weiterer Vorteil dieses Ausführungsbeispiels liegt darin, dass eine seitliche Überdeckungstoleranz senkrecht zur Längsachse X-X der Mittelelektrode zum Pin 20 der Masseelektrode 2 vergrößert wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007042790 A1 [0002]
