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Hochspannungszündkerze mit zumindest einer Mehrstoff-
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elektrode Die Erfindung betrifft eine mit einem keramischen Isolator
ausgerüstete Hochspannungszündkerze, bei der zumindest eine Elektrode als Mehrstoffelektrode
mit angehobenem Wärmeleitvermögen ausgeführt ist.
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Silber ist bekanntlich der beste existierende Wärmeleiter und hat
den weiteren Vorteil, daß es sich im Motorbetrieb als sehr korrosionsbeständig erweist
und auch gut der erosiven Wirkung der Zündfunken widersteht.
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Diesen für Zündkerzen günstigen Eigenschaften stehen jedoch der hohe
Preis und die geringe Warmfestigkeit des Silbers entgegen.
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Die Verwendung von massiven Silberelektroden hat sich daher im wesentlichen
auf Zündkerzen beschränkt, die im Motor hohen thermischen Belastungen ausgesetzt
sind und deren große Empfindlichkeit gegen Verrußen durch Erhöhung der Wärmeleitung
ihrer Mittelelektrode und dadurch mögliche Verlängerung des Isolatorfußes gemildert
werden muß.
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Solche Vollsilbermittelelektroden sind jedoch der Gefahr des Schmelzens
ausgesetzt, wenn sie sich infolge ihrer geringen Warmfestigkeit im Motorbetrieb
verbiegen und mit dem hocherhitzten Isolatorfuß in Berührung kommen. Es ist daher
erforderlich, zumindest am zündseitigen Ende des Isolatorfußes einen genügenden
Zwischenraum zurMittelelektrode vorzusehen.
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Dieser Zwischenraum wird aus Herstellungsgründen gewöhnlich durch
eine Verjüngung des Elektrodenendes hergestellt und verringert somit die Ausnützung
des teuren Werkstoffes.
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Der hohe Preis des SIlbers hat zur Suche nach Ersatzlo- -- r sungen
in Form von Mehrstoffelektroden geführt. So ist gemäß der DT-PS 1 005 322 eine aus
drei Teilen bestehende Mittelelektrode vorgesehen, deren zündseitiges Teil aus Silber
besteht und in ein aus Nickel bestehendes Zwischenstück eingezapft ist. Diese Lösung
erfordert aber an Stelle des eingesparten Silbers einen beträchtlichen fertigungstechnischen
Aufwand und die Verzapfung ist kein absolut sicheres Verbindungs- und Wärmeübergangsmittel.
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Nach der DT-PS 1 080 374 ist an Stelle von Silber ein gut wärmeleitender
Kupferkern verwendet worden, der in eine mit einem Boden versehene und aus einer
Nickellegierung bestehende Mantelhülse eingepreßt ist. Bei dieser und einer ähnlichen
Lösung gemäß Din961 146 sind die Herstellungskosten jedoch so hoch, daß sich kein
nennenswerter Preisvorteil gegenüber Vollsilberelektroden ergibt, und solche Elektroden
konnten sich ebenfalls nicht lange auf dem Markte halten, zumal ihnen die große
Abbrandfestigkeit des Silbers fehlt.
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Gemäß dem im Jahre 1923 angemeldeten US-Patent 1,762,989 ist eine
Mehrstoffelektrode bekannt, die sowohl einen niedrigen Preis als auch ein gutes
Wärmeleitvermögen anstrebt.
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Zu diesem Zwecke ist sie aus einem Manteldraht mit einem korrosionsbeständigen
Nickelmantel und einer Kupferseele hergestellt. Dieser Manteldraht ist gut zu verarbeiten
und die Kupferseele übernimmt nicht nur die Aufgabe der Verbesserung der Wärmeleitung,
sie ist auch im Werkstoffpreis um ein Mehrfaches billiger als Nickel. Um das Temperaturniveau
am Zündende zu senken, ist die Elektrode durch den ganzen Isolator hindurchgeführt
und in einen großvolumigen Anschlußknopf aus Messing eingeschraubt.
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Da Kupfer nur ein gut wärmeleitender aber kein oxydationsbeständiger
Werkstoff ist, ist man neben den oben bereits erwähnten Versuchen des Verschließens
des Zündendes durch einen mit dem Nickelmantel nahtlos verbundenen Boden auch dazu
übergegangen, das Zündende der Mehrstoffelektrode durch einen abbrandfesteren Stoff
zu versiegeln bzw. durch
eine in den Mantel eingesetzte Elektrodenspitze
aus festem Material zu verbessern. Gemäß DT-PS 731 904 ist ein aus Nickel und Kupfer
bestehender Manteldraht vorgesehen, auf den ein an der Funkenstrecke liegendes Teilstück
aus Wolfram oder Molybdän durch Stumpfschweißen aufgeschweißt ist, wobei sich das
Wolfram bzw. Molybdän mit dem Nickel legiert. Die US-PS 2,296,033 sieht u. a. als
Mittelelektrode einen aus einer Nickellegierung und einer Kupferseele bestehenden
Manteldraht vor, auf den stirnseitig ein Plättchen aus einer Nickellegierung oder
aus einem Edelmetall der Platingruppe mittels Impulsschweißung aufplattiert ist.
Nach der US-PS 3,119,944 wird als Mittelelektrode ein aus einem Kupferkern und einem
Nickel- oder Chromnickelmantel bestehender Stift verwendet, aus dem am zündseitigen
Ende etwas Kupfer ausgebohrt und durch eingeschmolzenes Hartlot (Nickel-Phosphor,
Schmelzpunkt 880 - 10500C je nach Zusammensetzung) versiegelt ist. Gemäß der deutschen
Gebrauchsmusterschrift 73 43 689 hat die Mittelelektrode eine Spitze aus einem Faserverbundwerkstoff
aus Nickel als Matrixmaterial und Silber als Faserwerkstoff oder aus Silber als
Matrix und Nickel als Faserwerkstoff.
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Alle diese Kombinationen haben sich in der Praxis nicht durchsetzen
können. Sie haben die Nachteile, daß sie aufwendig und für eine Massenfertigung
nicht gut geeignet sind und daß das Aufbringen der Elektrodenspitze umständlich
und problematisch ist, da stets ein Rest von Unsicherheit bezüglich einwandfreier
Versiegelung bleibt, welche der genannten Techniken auch immer angewandt wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und zu
Mehrstoffelektroden mit angehobener Wärmeleitfähigkeit und verringerter Abbrandrate
zu kommen, die sich gut für eine Massenfertigung eignen, die im Preis billiger als
Vollsilberelektroden und gegen die Gefahr des Schmelzens geschützt sind.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Mittelelektrode
der Zündkerze aus einem Manteldraht hergestellt ist, dessen Mantel aus einer korrosionsbeständigen
Legierung, vorzugsweise einer für Zündkerzen üblichen Nickellegierung und dessen
Seele aus Silber besteht, daß diese beiden Stoffkomponenten am zündseitigen Ende
der Elektrode freiliegen und daß an ihrem anderen Teil mindestens eine Kontaktfläche
für den Wärmeübergang zum Isolator vorgesehen ist.
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Da Silber und Eisen nicht miteinander legieren, ist ein Manteldraht
nach Art der Mittelelektrode für Masseelektroden weniger gut geeignet, weil die
übliche Widerstandsschweißung auf Schwierigkeiten stößt. Man wird daher die Masseelektrode
zumeist als Dach- oder Hakenelektrode aus Flachdraht und üblichen Nickellegierungen
herstellen, die sich gut auf den Kerzenstahlkörper aufschweißen lassen.
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Durch die Verwendung solcher Masseelektroden ist jedoch der Weiterentwicklung
der Zündkerzen wegen ihres geringen Wärmeleitvermögens eine Grenze gesetzt.
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Für besondere Zwecke, wo z. B. die Funkenstrecke zwecks Erreichung
einer schnelleren, klopfsichereren und verlustärmeren Verbrennung tiefer als bisher
in einen kompaktgestalteten Verbrennungsraum hineinragen soll, lohnt es sich, trotz
des größeren Aufwandes auch die Masseelektrode gemäß der Erfindung aus einem Manteldraht
mit Silberseele und einem Mantel aus einer korrosionsbeständigen Legierung, vorzugsweise
einer für Zündkerzen üblichen Nickellegierung herzustellen und die beiden Stoffkomponenten
an den Schnittflächen freiliegen zu lassen. Diese Masseelektrode wird jedoch durch
Einsetzen in eine Bohrung des Kerzenstahlkörpers und durch Verstemmen und/oder Verschweißen
des Mantels mit dem Kerzenstahlkörper befestigt.
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Was die Bemessung des Nickelmantels und der Silberseele betrifft,
so geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, daß zur Erreichung eines guten Kompromisses
zwischen dem Preis
und den Gebrauchseigenschaften die Querschnittsfläche
der Silber seele nicht nur wegen ihres ausgezeichneten (etwa 8 - 10maul größeren)
Wärmeleitvermögens relativ klein im Verhältnis zum Flächenquerschnitt des Nickelmantels
gehalten werden kann, sondern auch die Absenkung der Elektrodentemperatur infolge
der inkorporierten Silberseele einen überverhältnismäßig günstigen Einfluß auf die
Verlängerung der Lebensdauer des Nickelmantels ausübt, weil sich der Abbrand hauptsächlich
bei höheren Temperaturen sehr stark verändert.
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Bei den erwähnten Elektroden aus einem Manteldraht mit Nickelmantel
und Kupferseele gemäß US-PS 1,762,989 ist zwar die geringe Zunderbeständigkeit des
Kupfers von Nachteil, Kupfer liegt aber in der elektrochemischen Spannungsreihe
mit + 0,35 Volt Normalpotential näher bei Nickel (- 0,25 Volt) als Silber (+ 0,81
Volt), so daß die Gefahr der Kontaktkorrosion infolge Elementenbildung geringer
ist und diese Frage unbeachtet blieb bzw. durch die starke Verzunderung des Kupfers
überdeckt wurde. Hierbei ist in Betracht zu ziehen, daß sich im Motorbetrieb aus
dem Kraftstoff und Schmierstoff resultierende Säuren und elektrolytisch wirkende
Feuchtigkeiten auf den Elektroden niederschlagen können und daß durch die Zündfunken
ebenfalls chemische Verbindungen aufgebaut werden, die zur Elementenbildung beitragen
können (z. B. Untersalpetersäure).
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Die Erfindung strebt an, Schäden durch Kontaktkorrosion zu vermeiden
oder doch so gering zu halten, daß die sonstigen Vorteile der Erfindung weitgehend
erhalten bleiben.
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Sie geht dabei von dem Gedanken aus, daß Kontaktkorrosion infolge
Elementenbildung vermieden werden kann, wenn das Normalpotential des Nickelmantels
durch Passivierung auf das Normalpotential von Silber angehoben oder an dieses angenähert
wird. Eine solche Passivierung könnte durch Eintauchen der Elektroden in ein oxydierende
Säuren enthaltendes Passivierungsbad vorgenommen werden, wobei neben
der
Badkonzentration hauptsächlich die ZusammenseQ ung der Mantellegierung, insbesondere
ein etwaiger Chromanteil, die Passivierung beeinflußt. Diese Art der Passivierung
läßt sich aber nicht anwenden, wenn die Mittelelektrode, wie üblich, zwecks Ausgleichs
von Fertigungstoleranzen erst nach dem Einbau des Isolators in den Kerzenstahlkörper
auf das Maß gebracht wird, mit welchem sie aus dem Kerzenstahlkörper herausragen
soll. Ein einfacherer Weg ist es daher, eine solche Bemessung der Silbersee le vorzusehen,
daß die höchste Betriebstemperatur der Elektroden zwar um etwa 100 - 3000C abgesenkt
wird, diese aber immer noch hoch genug bleibt, um die Bildung von aus der Mantellegierung
entstehenden elektrisch isolierenden, wasser- und säureunlöslichen und daher schützenden
und passivierend wirkenden Oxiden zu gewährleisten. Infolge der genannten Absenkung
der Betriebstemperatur sind als Legierungen für den Mantel die bekannten schwach
legierten Zündkerzen-Nickellegierungen mit ca.
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97 - 94 % Ni vorzuziehen, da sie den Vorteil haben, daß die Verminderung
ihrer Wärmeleitfähigkeit durch die Legierungszusätze nicht so groß ausfällt. Für
den vorliegenden Zweck erweisen sich Silizium, Mangan und Magnesium (entsprechend
DBP 2 042 200) als Legierungszusätze von im ganzen 3 - 6 % als günstig, z. B. 2
% Si, 2 % Mn, 0,15 - 0,35 % Mg. Zu diesen Legierungszusätzen können noch bis ca.
2 % Chrom kommen, wobei das Chrom das Mangan ganz oder teilweise ersetzen kann.
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Die Mittelelektroden gemäß der Erfindung lassen sich wie Vollnickel-
oder Vollsilberelektroden sehr wirtschaftlich vom Drahtwickel herunter auf zum Abscheren
und Kopfanstauchen eingerichteten Kaltpressen herstellen. Die Verwendung von Mittelelektroden
gemäß der Erfindung anstelle von Nickelelektroden ergibt die Möglichkeit, mit maßlich
gleichen Kerzenteilen, d. h. auf sehr wirtschaftlichem Wege, den Wärmewert und das
thermoelastische Verhalten der Zündkerzen zu variieren.
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Anhand der Zeichnung werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung
näher erläutert: Es zeigen: Fig. 1 - eine übliche Hochspannungszündkerze im Längsschnitt,
bei der nur die Mittelelektrode als Mehrstoffelektrode gemäß der Erfindung ausgeführt
ist, Fig. 2 - eine Hochspannungszündkerze mit weit vorgezogener Funkenstrecke, bei
der sowohl die Mittelelektrode als auch die Masseelektrode als Mehrstoffelektroden
ausgeführt sind.
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Die Zündkerze Zk der Fig. 1 hat einen keramischen Isolator 1 mit einer
abgesetzten Bohrung 2, in der eine auf deren Schulter 3 aufsitzende Mittelelektrode
4 mittels einer schichtenweise und durch Stempeldruck eingestampften Pulverdichtung
5 und ein mit Gewinde 6 versehener Anschlußbolzen 7 mittels Kitt 8 befestigt sind.
Die Pulverdichtung 5 ist elektrisch leitend und besteht aus einem Gemenge von Specksteinpulver
und oxydationsfestem Metallpulver, z. B. Aluminiumpulver und Nickelpulver in der
untersten, auf den Kopf 9 der Mittelelektrode 4 drückenden Schicht 5 a. Der Anschlußbolzen
7 ist mit einer Spitze 10 in die Pulverdichtung 5 eingedrückt. Der keramische Isolator
1 wird mittels einer eingestampften Pulverdichtung 11 aus granuliertem Specksteinpulver
unter Zwischenlage einer Dichtungsscheibe 12 auf die Schulter 13 eines Kerzenstahlkörpers
14 gedrückt, wobei ein Bördel 15 den auf der Gegenseite durch eine Schulter 16 des
Isolators 1 begrenzten Raum der Pulverpackung 11 verschließt. Auf die Stirnfläche
17 des Kerzenstahlkörpers 14 ist eine aus Flachdraht gebildete und aus einer üblichen
Nickellegierung bestehende Dachelektrode 18 aufgeschweißt, die der Mittelelektrode
4 in einem Abstand von ca. 0,5 - 0,7 mm, welcher die Funkenstrecke 19 der Zündkerze
bildet, gegenübersteh.
Der Stahlkörper 14 hat eine Sechskantflache
20 und einen Gewindestutzen 21 zum Einschrauben der Kerze in den Zylinderkopf eines
Ottomotors. Dabei kommt die Funkenstrecke 19 bei den heutigen Zündkerzen mit Nickelmasseelektrode
und "mit vorgezogener Funkenlage" etwa 3,5 mm tief in den Verbrennungsraum der Brennkraftmaschine
zu liegen (nicht gezeichnet). Die Mittelelektrode 4 der Zündkerze ist aus einem
Manteldraht hergestellt, dessen Mantel 22 aus einer üblichen Zündkerzenlegierung
auf Nickelbasis, vorzugsweise des bereits erwähnten Typs Ni-Si-Mn-Mg-(Cr) besteht
und dessen Seele 23 aus Silber besteht. An ihrem zündseitigen Ende, d. h. an der
Funkenstrecke 19 liegen diese beiden Stoffkomponenten frei. Der Kopf 9 der Mittelelektrode
4 liegt mit einer kegeligen Fläche auf der Schulter 3 des Isolators 1 auf. Diese
kegelige Fläche dient somit (auch) als Kontaktfläche 3 a für den Wärmeübergang zum
Isolator 1 und zum Kerzenstahlkörper 14 über die Dichtungsscheibe 12. Vom Kopf 9
der Mittelelektrode fließt ferner Wärme über die Pulverdichtung 5 a zum Isolator
1. Der Mantel 22 folgt am Kopf 9 dessen Außenkontur und die Mittelelektrode 4 weist
sonst keine Verformungen auf. Die Bohrung 2 des Isolators ist am zündseitigen Ende
24 leicht aufgeweitet, um den Isolatorfuß schneller aufzuheizen und von Ruß freizubrennen.
Anstelle die Bohrung des Isolators aufzuweiten, kann auch die Mittelelektiode 4
bei ihrer Herstellung in der Kaltpresse beim Eindrücken des Manteldrahtes in die
Matrize am zündseitigen Ende im Durchmesser verjüngt werden. Da sich die Silberseele
23 mit ihrer größeren Dilatation in Längsrichtung ausdehnen kann und die Warmfestigkeit
von Silber klein ist, besteht für den relativ dicken und viel warmfesteren Nickelmantel
keine ernsthafte Gefahr von Spannungskorrosion.
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Bei der Zündkerze Fig. 2 ist nicht nur die Mittelelektrode 4' sondern
auch die Masseelektrode 18' aus einem Nikkel-Silber-Manteldraht hergestellt. Das
größere Wärmeleitvermögen
der Masseelektrode ist dazu ausgenutzt,
die Funkenstrecke 19' tiefer in den (nicht gezeichneten) Verbrennungsraum hineinzuverlegen.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist auf den Kopf 9' der Mittelelektrode 4' ein Kupferstift
25 aufgeschweißt, der in eine Bohrung 26 des Anschlußbolzens 7' eingreift. Um den
Kupferstift 25 herum ist eine Pulverdichtung 5' angeordnet. Die Masseelektrode 18'
ist in eine Bohrung 27 am Gewindestutzen 21' des Kerzenstahlkörpers 14' eingesetzt.
Die Mittelelektrode 4' und die Masseelektrode 18' stehen sich an der Funkenstrekke
19' mit zur Längsachse der Zündkerze unter 450 schräg angeordneten Flächen gegenüber,
so daß die freiliegenden Stoffkomponenten beider Elektroden einander senkrecht zugekehrt
sind. Auf diese Weise wird eine gute Gemischzugängigkeit erreicht und die AbbrandfEchen
vergrößern sich um 41 %. Die Mittelelektrode 4' wird in gleicher Weise hergestellt
wie die Mittelelektrode 4 der Fig. 1; ihre schräge Fläche an der Funkenstrecke 19'
wird erst nach dem Einbau des Isolators 1' in den Kerzenstahlkörper 14' durch Abscheren,
Sägen oder Abschleifen hergestellt, wobei sich die Abschrägung nach der gleichen
Sechskantfläche 20' orientiert, die auch für die Bohrung 27 der Masseelektrode 18'
maßgeblich ist. Nach dem lagegerechten Einsetzen der Masseelektrode 18' in die Bohrung
27 des Kerzenstahlkörpers 14' wird diese bei 28 verkerbt, wie durch den Pfeil P
angedeutet ist. Diese Verkerbung 28 kann noch durch zwei zur Bohrung 27 koaxiale
und in deren unmittelbaren Nähe angeordnete Kerben ergänzt werden. Zur Verbesserung
der Befestigung und des Wärmeübergangs kann auch der Mantel der Masseelektrode 18'
am Austritt aus der Bohrung 27 mit dem Stahlkörper 14', z. B. mittels einer sehr
feinen Flamme, von durch Wasserelektrolyse hergestelltem Wasserstoff-Sauerstoffgemisch
verschweißt werden. Eine rationelle Herstellung der Masseelektrode 18' kann z. B.
in der Weise erfolgen, daß der Manteldraht zuerst in Stücken von der doppelten Länge
einer Elektrode abgehauen wird, diese Stücke dann in der Mitte schräg abgeschert
oder sonstwie getrennt werden und diese Teile dann in einer Biegestanze
gebogen
werden, wobei zum gleichzeitigen Biegen mehrerer Elektroden eine Anzahl von Teilen
nebeneinandergereiht werden können.