DE69601608T2

DE69601608T2 - Zündkerze für Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE69601608T2
Application number: DE69601608T
Authority: DE
Inventors: Kozo C/O Ngk Spark Plug Co. Ltd. Nagoya-Shi Amano; Junichi C/O Ngk Spark Plug Co. Ltd. Nagoya-Shi Kagawa; Yoshihiro C/O Ngk Spark Plug Co. Ltd. Nagoya-Shi Matsubara
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1995-09-20
Filing date: 1996-09-20
Publication date: 1999-06-24
Anticipated expiration: 2016-09-21
Also published as: DE69601608D1; EP0765017B2; EP0765017A1; US5793151A; EP0765017B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zündkerze, insbesondere eine Halbflächen-Entladungszündkerze zur Verwendung bei einem Motor mit innerer Verbrennung, wobei eine Dimensions- und eine Lagebeziehung zwischen dem vorderen Ende einer Mittelelektrode, demjenigen eines Isolators und einem Zündende einer Außenelektrode dahingehend verbessert ist, daß eine verlängerte Betriebslebensdauer erzielt wird.
Eine Halbflächen-Entladungs- oder angenäherte Halbflächen- Kriechentladungs-Zündkerze (J) gemäß einem früheren Vorschlag ist in Fig. 7 dargestellt. Die Zündkerze (J) besitzt eine zylindrische Metallhülse 100, in der ein Isolator 104 derart angeordnet ist, daß ein vorderes Ende 101 des Isolators 104 über ein Vorderende 102 der Metallhülse 100 vorsteht. Eine Mittelelektrode 105 befindet sich in einer Axialbohrung 103 des Isolators 104, wobei das Vorderende der Mittelelektrode 105 über den Isolator 104 um eine Strecke (t) von 1,2-1,5 mm vorsteht. Eine L-förmige Außenelektrode 106 ist an das Vorderende 102 der Metallhülse 100 angeschweißt, um zwischen der Mittelelektrode 105 und einem Zündende 107 der Außenelektrode 106 entlang einer vorderen Stirnfläche 108 des Isolators 104 eine Funkenentladung zu erzeugen. An das Vorderende (das Zündende) der Mittelelektrode 105 ist eine gegenüber Funkenerosion beständige Edelmetallspitze 109 angeschweißt.
Im Vergleich zu einer Luftspalt-Zündkerze ist dieser Typ von Zündkerze (J) grundsätzlich überlegen, was die Ruß- und Kohlenstoffablagerungs- Beständigkeit angeht, da die Funkenentladung, die entlang der vorderen Stirnfläche 108 verläuft, zu einem Abbrand einer Ablagerung von Kohlenstoff auf der Oberfläche des Isolators 104 führt.
Allerdings verringert eine erhöhte Distanz (t) der Mittelelektrode 105 die Wahrscheinlichkeit, daß die Funkenentladung ihren Weg entlang der vorderen Stirnfläche 108 des Isolators 104 nimmt. Gemäß einem Rußablagerungstest (basierend auf der JIS: D1616, Temperatur -10ºC), der anhand eines Vorgabemusters entsprechend einem simulierten Verkehrsstau in einer kalten Niedrigtemperatur-Zone unter Verwendung eines 6-Zylinder- Ottomotors mit einem Hubraum von 2500 cm³ durchgeführt wurde, wurde herausgefunden, daß ein Isolationswiderstand des Isolators 105 auf unterhalb von 10 MΩ abgenommen hatte, nachdem 2-4 Zyklen des Rußablagerungstests durchgeführt waren.
Die DE-C 84 66 38 und die US-A-2 899 585 offenbaren Oberflächenentladungs-Zündkerzen, bei denen die Nase des Isolators sich in den Spalt zwischen der Mittelelektrode und der Außenelektrode erstreckt, so daß es keinen direkten Weg zwischen den Elektroden gibt.
Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Halbflächen-Kriechentladungs-Zündkerze für einen Verbrennungsmotor anzugeben, die besonders hinsichtlich ihrer Widerstandsfähigkeit gegenüber Kohlenstoffablagerungen überlegen ist.
Erfindungsgemäß wird eine Halbflächen-Kriechentladungs-Zündkerze geschaffen, welche aufweist:
eine zylindrische Metallhülse;
einen in der Metallhülse derart aufgenommenen Isolator, daß sich das vordere Ende des Isolators über die Metallhülse hinaus erstreckt;
eine in einer Axialbohrung in dem Isolator aufgenommene Mittelelektrode; und
mindestens eine Außenelektrode, die an einem vorderen Ende der Metallhülse befestigt ist,
dadurch gekennzeichnet, daß das Vordere Ende der Mittelelektrode entweder um höchstens 0,5 mm über das vordere Ende des Isolators hinausragt oder von dem vorderen Ende des Isolators um höchstens 1,0 mm zurückspringt, und daß ein erster Abschnitt der Zündstirnfläche der mindestens einen Außenelektrode der seitlichen Erhöhung eines vorderen Endabschnitts des Isolators gegenübersteht, und ein zweiter Abschnitt der Zündstirnfläche der mindestens einen Außenelektrode sich über die Höhe der vorderen Stirnfläche des Isolators hinaus erstreckt, derart, daß die vordere Stirnfläche des Isolators mit der Zündstirnfläche der mindestens einen Außenelektrode fluchtet, wobei dazwischen ein Raum vorhanden ist, damit Funkenentladung entlang der vorderen Stirnfläche des Isolators stattfinden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Innenrand eines offenen vorderen Endes des Isolators abgeschrägt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung beträgt die Anzahl der Elektroden 3 oder 4.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist an ein Ende einer Mittelelektrode eine Spitze angeschweißt, die mindestens ein Edelmetall enthält, um ein Vorderende der Mittelelektrode zu bilden, wobei ein Durchmesser der Edelmetallspitze im wesentlichen äquivalent ist zu demjenigen des vorderen Endabschnitts der Mittelelektrode.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Edelmetallspitze als scheibenförmige Ausgestaltung gebildet, die einen Durchmesser von 1,0 bis 2,5 mm und eine Dicke von 0,3 bis 1,0 mm aufweist, wobei die Edelmetallspitze innerhalb der Bohrung des Isolators eingeschweißt ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Edelmetallspitze um den vorderen Endabschnitt des Mittelelektrodenmetalls herum angeordnet.
Gemäß einem noch weiteren Aspekt der Erfindung ist an dem vorderen Ende des Mittelelektrodenmetalls eine ringförmige Edelmetallspitze vorge sehen, deren Außendurchmesser gleich oder kleiner ist als diejenige des Mittelelektrodenmetalls, wobei die ringförmige Edelmetallspitze eine Höhe von 0,3 bis 1,5 mm und eine Dicke von 0,2 bis 0,5 mm besitzt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist an den vorderen Endabschnitt der Mittelelektrode die ringförmige Edelmetallspitze über den Umfang des vorderen Endes des Mittelelektrodenmetalls mit Hilfe eines Laserstrahls angeschweißt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist an dem vorderen Ende der Mittelelektrode die ringförmige Edelmetallspitze durch einen Extrusionsprozeß angeformt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung besitzt die an die Mittelelektrode gelegte Spannung zur Funkenentladung eine negative Polarität.
Bei der Zündkerze, in der eine zylindrische Metallhülse und ein Isolator, welcher derart in der Metallhülse untergebracht ist, daß das vordere Ende des Isolators über die Metallhülse hinaus vorsteht, wobei eine Außenelektrode an einem vorderen Ende der Metallhülse derart befestigt ist, daß ein Zündende der Außenelektrode umgebogen ist, damit es einem vorderen Ende der Außenelektrode gegenübersteht, unwahrscheinlich, daß die Funkenentladung entlang dem vorderen Ende des Isolators entsprechend der Zunahme der Überstandslänge des vorderen Endes der Mittelelektrode um mehr als 0,5 mm vom Isolatorende stattfindet. Mit der Zunahme der Rücksprung-Weite (t'), um die die Versetzung gegenüber dem Vorderende des Isolators nach hinten um 0-1,0 mm erfolgt, kommt hingegen die Funkenentladung zwischen den Elektroden wahrscheinlich erfindungsgemäß entlang der vorderen Stirnfläche des Isolators zustande.
Wenn der Überstand kleiner als 0,5 mm oder der Unterstand (t') weniger als 1 mm beträgt und das Ende der Außenelektrode mit dem Vorderende des Isolators fluchtet, findet die Funkenentladung wahrscheinlich in der richtigen Weise entlang der vorderen Stirnfläche des Isolators statt, um da durch eine Selbstreinigungswirkung zu gewährleisten, die die Ansammlung der Kohlenstoffablagerung abträgt. Wenn der Unterstand 1 mm übersteigt und das Ende der Außenelektrode mit dem vorderen Ende des Isolators fluchtet, fördert die Funkenentladung mit einiger Wahrscheinlichkeit die Funkenerosion der vorderen Stirnfläche des Isolators aufgrund der Kanalbildung, wodurch wiederum die Möglichkeit des Ablösens von Splittern von dem Isolator gegeben ist.
Mit der oben angegebenen Wahl der Abmessungen zwischen dem vorderen Ende der Mittelelektrode und demjenigen des Isolators ist es möglich, die Widerstandsfähigkeit gegen Kohlenstoffablagerungen ebenso zu steigern, wie die Lebensdauer der Zündkerze. Bei einem Durchmesser des vorderen Endes der Mittelelektrode zwischen 1,0 und 2,5 mm besteht die Möglichkeit, die Zündfähigkeit der Zündkerze bei geringstmöglicher Funkenerosion zu steigern.
Wenn der innere Rand des offenen vorderen Endes des Isolators abgeschrägt oder abgefast ist, besteht die Möglichkeit, die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, mit der es zu einer Halbflächen-Kriechentladung kommt, während eine größere Dispersion der Funkenentladungswege gewährleistet ist. Vorzugsweise beträgt die Abschrägung mehr als 0,1-0,8 mm.
Bei einer Anzahl von Außenelektroden von 3-4 ist es möglich, die Funkenentladungswege weiter zu streuen, um die Funkenerosion oder Kanalbildung des Isolators abzuschwächen und dadurch den Selbstreinigungseffekt zwecks Steigerung der Widerstandsfähigkeit gegen Kohlenstoffablagerung zu verbessern.
Durch Anschweißen der Edelmetallspitze an die Stirnseite des Mittelelektrodenmetalls mit einem Durchmesser der Edelmetallspitze, der etwa äquivalent im Durchmesser des vorderen Endabschnitts des Mittelelektrodenmetalls ist, besteht die Möglichkeit, das Ausmaß der Funkenerosion zu verringern und damit die Funkenerosionsbeständigkeit zu verbessern. Das Edel metall kann aus der Gruppe Pt, Pt-Ir, Pt-Ir-Ni, Au-Pd, Ir, Ir-Y203 und Ir- Rh ausgewählt werden.
Wenn man die Edelmetallspitze in Säulenform oder vielmehr in Scheibenform mit einem Durchmesser von 1,0 bis 2,5 mm ausbildet, besteht die Möglichkeit, die Zündfähigkeit der Zündkerze bei einem kleinstmöglichen Maß an Funkenerosion zu verbessern.
Wenn die Dicke der Edelmetallspitze eine Kürze von 0,3 mm hat, so ist sie zu dünn, um zu verhindern, daß die Spitze vorzeitig durch Funken erodiert wird. Obschon die Funkenerosionsbeständigkeit verbessert wird, wenn die Dicke der Edelmetallspitze zunimmt, ist es wünschenswert, daß die Dicke der Edelmetallspitze kleiner als 1,0 mm ist, wenn man die Kosten berücksichtigt. Man kann verhindern, daß der Schweißbereich zusätzlich durch Funkenerosion beeinträchtigt wird, wenn der Schweißbereich sich zwischen der Edelmetallspitze und dem vorderen Ende der Mittelelektrode rückwärts bezüglich dem stirnseitigen Ende des Isolators befindet, anders ausgedrückt, sich innerhalb der Bohrung des Isolators befindet.
Wird das Edelmetall über den Umfang rund um das vordere Ende des Mittelelektrodenmetalls herum angeordnet, ist es ebenfalls möglich, die Lebensdauer der Mittelelektrode bei geringstem Ausmaß an Funkenerosion zu erhöhen. Durch Ausstatten des vorderen Endabschnitts der Mittelelektrode mit einer ringförmigen Edelmetallspitze oder einem Ring, dessen Außendurchmesser gleich groß ist wie oder geringer ist als das Mittelelektrodenmetall, wobei die ringförmige Edelmetallspitze eine Höhe von 0,3 bis 1,5 mm und eine Dicke von 0,2 bis 0,5 mm aufweist, ist es möglich, das Ausmaß der Funkenerosion so abzuschwächen, daß die Lebensdauer verbessert wird.
Durch Ausstatten des vorderen Endabschnitts der Mittelelektrode mit der ringförmigen Edelmetallspitze, die mittels Laser über den Umfang des vorderen Endes des Mittelelektrodenmetalls angeschweißt ist; besteht die Möglichkeit, die Lebensdauer der Mittelelektrode bei geringstem Ausmaß an Funkenerosion weiter zu steigern.
Durch Ausstatten des vorderen Endes der Mittelelektrode mit der ringförmigen Edelmetallspitze, geschaffen mittels Extrusion des Mittelelektrodenmetalls oder durch Widerstandsschweißung, kann es möglich sein, die Mittelelektrode mit relativ geringem Kostenaufwand herzustellen.
Dadurch, daß man eine Funkenentladungsspannung an die Mittelelektrode mit negativer Polarität anlegt, besteht die Möglichkeit, in einfacher Weise eine Bombardement-Ionisierung zu stimulieren, um dadurch die Zündfähigkeit bei niedriger Entladespannung zu steigern.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1a eine perspektivische Ansicht eines Hauptteils einer Doppellücken- Zündkerze gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 1b eine Längsschnittansicht des Hauptteils der Doppellücken- Zündkerze;
Fig. 2a-2c sequentielle Ansichten, die zeigen, wie eine Mittelelektrode im Fall der dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung entsprechenden Doppellücken-Zündkerze hergestellt wird;
Fig. 3 eine graphische Darstellung, die zeigt, wie eine Verlängerungshöhe t (oder eine Rücksprung-Höhe t') den Isolationswiderstand eines Isolators einer Zündkerze beeinflußt, bis der Widerstand auf 10 MΩ abhängig von der Anzahl der Zyklen eines Kohlenstoffablagerungstests verringert wird;
Fig. 4a eine perspektivische Ansicht eines Hauptteils einer Doppellücken- Zündkerze gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 4b eine Längsschnittansicht des Hauptteils einer Doppellücken- Zündkerze gemäß der zweiten Ausführungsform;
Fig. 5a-5d sequentielle Ansichten, die zeigen, wie eine Mittelelektrode für eine erfindungsgemäße Zündkerze hergestellt wird;
Fig. 6 eine Längsschnittansicht eines Hauptteils einer Doppellücken- Zündkerze gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung; und
Fig. 7 eine Längsschnittansicht des Hauptteils einer Doppellücken- Zündkerze gemäß dem Stand der Technik, wobei
Fig. 8 ein mittels Zündkerzen-Proben erhaltenes Prüfmuster für Rußablagerungs-Widerstand darstellt.
Bezugnehmend auf die Fig. 1a, 1b, 2a, 2b und 2c, die eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen, besitzt eine Doppellücken- Zündkerze (A) eine zylindrische Metallhülse 1, in der ein Isolator 2 untergebracht ist. Innerhalb einer durch den Isolator 2 gebildeten Aalbohrung 21 ist eine Mittelelektrode 3 aufgenommen, an deren Spitze oder bei der nahe an der Spitze eine Edelspitze 31 angeschweißt ist. Von einem vorderen Ende 11 der Metallhülse 1 erstreckt sich ein Paar von Außenelektroden 4, 4 in der Weise, daß die Außenelektroden 4, 4 nach innen gebogen sind, damit ein Zündende 41 räumlich der Edelmetallspitze 31 gegenübersteht.
Die Metallhülse 1 besteht aus Schmiedeeisen, wobei das vordere Ende 11 an die Außenelektroden 4, 4 angeschweißt ist. Eine Außenfläche der Metallhülse 1 besitzt ein Außengewinde 12, mit dem die Zündkerze an einem Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors über eine Dichtung (beide sind nicht gezeigt) gelagert ist.
Der Isolator 2 besteht aus einer Aluminiumoxid-Keramik. Innerhalb der Metallhülse 1 tritt der Isolator 2 mit einer Schulter in Eingriff mit einer Stufe der metallischen Hülse 1 während des Zusammenbaus. Durch Ausbil den eines Sechseck-Kopfs der Metallhülse 1 wird der Isolator 2 fest an der Metallhülse 2 gelagert. Der vordere Endabschnitt 22 des Isolators 2 ist verschlankt und erstreckt sich etwas über ein vorderes offenes Ende 14 der Metallhülsel hinaus. Dabei ist die vordere Stirnfläche 23 des Isolators 2 abgeflacht, um eine kriechende Halbflächen-Funkenentladung mit ihrer abgeschrägten Innenkante (Abfasung: 0,3 mm), die sich über ihre gesamte Umfangslänge gemäß Bezugszeichen 24 erstreckt, zu erreichen.
Die Mittelelektrode 3, die einen Durchmesser (w) von 1,0 bis 2,5 mm aufweist, besteht aus einer Legierung auf Ni-Basis, beispielsweise Inconel 600, in die ein Wärmeleiterkern eingebettet ist. An ein vorderes Ende der Nihaltigen Elektrode ist die Edelmetallspitze 31 mittels Laser angeschweißt, wie unten im einzelnen ausgeführt wird. Eine Stelle 312, an der die Edelmetallspitze 31 an das Elektrodenmetall angeschweißt ist, ist um 0,3 mm oder mehr nach Innen gegenüber der vorderen Stirnfläche 23 des Isolators 2 zurückgezogen.
Die Mittelelektrode 3 ist derart angeordnet, daß ihr vorderes Ende 32, das heißt das vordere Ende der Edelmetallspitze, sich um 0-0,5 mm (t) über die vordere Stirnfläche 32 des Isolators 2 hinaus erstreckt. Alternativ kann das vordere Ende 32 (das heißt das vordere Ende der Edelmetallspitze) um 0-1,0 mm gegenüber der vorderen Stirnfläche 23 des Isolators nach Innen zurückspringen. Da ein verdünntes Ende der Mittelelektrode 3 eine Bombardement-Ionisierung anregt, wodurch eine Funkenentladung bei einer geringen Entladespannung induziert wird, wenn das verdünnte Ende negative Polarität hat, wird an die Mittelelektrode 3 eine Hochspannung gelegt, die gegenüber der Metallhülse 1 negative Polarität hat.
Die Edelmetallspitze 31 ist ein Plättchen aus einer Legierung, beispielsweise Pt-20Ir mit einem Durchmesser (w) von 1,0-2,0 mm und einer Dicke (p) von 0,3-1,0 mm, bevor sie an das vordere Ende des Mittelelektrodenmetalls geschweißt wird.
Die Außenelektroden 4, 4 sind aus einer Legierung auf Ni-Basis hergestellt, beispielsweise aus Inconel 600, geformt zu einer L-förmigen Gestalt. Ein vorderes Ende (das Zündende 41) der Außenelektroden 4, 4 ist in Richtung des vorderen Endes der Mittelelektrode 3 gebogen, um mit Abstand einer Höhenfläche des verschlangten Abschnitts 22 des Isolators 2 gegenüberzustehen. Zwischen der Seitenfläche 311 der Edelmetallspitze 31 und dem Zündende 41 der Außenelektroden 4, 4 befindet sich die vordere Stirnfläche 23 des verschlangten Abschnitts 22 des Isolators 2, wo die Oberflächen-Funkenentladung fluchtend mit dem Zündende der Außenelektrode entlangkriecht. Der Raum oder vielmehr die Lücke zwischen dem Zündende 41 der Außenelektrode und der Seitenfläche des verschlangten Abschnitts 22 des Isolators 2 beträgt etwa 0,5 mm.
Anhand der Fig. 2a-2c wird ein Verfahren zum Herstellen der Mittelelektrode 3 im folgenden erläutert:

SCHRITT 1

(i) Die Edelmetallspitze 31 wird an der vorderen Stirnfläche 301 des Mittelelektrodenmetalls 30 gemäß Fig. 2a angeordnet.

SCHRITT 2

(ii) Während das Mittelelektrodenmetall 30 mit einer vorbestimmten UPM um seine Achse gedreht wird, werden von der Seite auf einen Grenzbereich zwischen der Edelmetallspitze 31 und der vorderen Stirnfläche 301 des Mittelelektrodenmetalls 30 in regelmäßigen Intervallen gemäß Fig. 2b Laserstrahlbündel 33 intermittierend aufgebracht, um dadurch den Grenzbereich zu verschweißen.

SCHRITT 3

(iii) Durch Verfestigung der Schweißstelle zwischen der Edelmetallspitze 31 und der vorderen Stirnfläche 301 des Mittelelektrodenmetalls 30 wird die Edelmetallspitze 31 durch Verschmelzung mit der vorderen Stirnfläche 301 des Mittelelektrodenmetalls 30 vereint, um die Mittelelektrode 3 zu vervollständigen.
Fig. 3 zeigt die Relation zwischen dem Kohlenstoff oder Ruß- Ablagerungswiderstand einerseits und dem Überstand (t) oder dem Unterstand (t') der Mittelelektrode 3 gegenüber dem vorderen Endabschnitt 23 des Isolators 2 andererseits, wobei die Widerstandsfähigkeit gegen Kohlenstoffablagerung der Zündkerze nach Zyklen bestimmt wird, bis der Isolierwiderstand des Isolators 2 sich auf 10 MΩ verringert hat, entsprechend dem Rußablagerungstest der JIS D1606, wie er in Fig. 8 skizziert ist.
Bei der Durchführung des Rußablagerungs-Beständigkeitstests für Zündkerzen wurden vier Typen von Mittelelektrodenmetallen mit Edelmetallspitzen vorbereitet, deren Durchmesser (w) 1,0 mm; 1,8 mm; 2,0 mm bzw. 2,5 mm betrug, außerdem wurden vier Typen von verschlangten Abschnitten des Isolators gemäß der Durchmesserzunahme der Edelmetallspitze mit Außendurchmessern von 2,0 mm; 3,8 mm; 4,0 mm bzw. 4,5 mm vorbereitet. Es wurden 20 Zündkerzen angefertigt, in denen der Überstand (t) bzw. der Unterstand (t') 0 mm; 0,5 mm bzw. 1,0 mm betrug. Der Kohlenstoffablagerungs-Beständigkeitstest wurde mit dem vorgegebenen Muster nach der JIS (D 1606) durchgeführt, wobei die Zündkerzen abwechselnd in einem Sechszylinder-Ottomotor mit einem Hubraum von 3.500 cm³ eingeschraubt waren.
Aus dem Ruß-(Kohlenstoff-)Ablagerungs-Beständigkeitstest wurde ermittelt, daß die Ruß-Ablagerungs-Beständigkeit sich verbessert, wenn die Durchmesserabmessung des vorderen Endes des Mittelelektrodenmetalls 30 (das heißt der Edelmetallspitze 31) dünner wird, wie aus Fig. 3 ersichtlich ist. Allerdings besteht die Notwendigkeit, für den Durchmesser des Mittelelektrodenteils 30 mindestens einen Wert von 1,0 mm vorzusehen, um die Funkenerosion zu berücksichtigen.
Wenn der Durchmesser des vorderen Endes des Mittelelektrodenmetalls 30 kleiner als 2,5 mm ist, besteht die Möglichkeit, eine gute Ruß-Ablagerungs- Beständigkeit der Zündkerze bei einen Überstand (t) von mehr als 0,5 mm zu erreichen. Man muß einen Unterstand (t') von höchstens 1,0 mm vorsehen, weil eine übermäßige Unterstandslänge (t') die Kanalbildung auf der vorderen Stirnfläche 23 des Isolators 2 begünstigt und damit zu Rißbildungen oder Schäden führt.
(a) Durch Bestimmen des Überstands (t) in der Weise, daß er kleiner als 0,5 mm ist, oder des Unterstands (t') derart, daß er kleiner als 1,0 mm ist, ist es möglich, die Funkenentladung auf der vorderen Stirnfläche 23 des Isolators 2 ablaufen zu lassen, um die Ruß-Ablagerungs-Beständigkeit bei der Doppellücken-Zündkerze (A) im Vergleich zu dem bekannten Gegenstück (J) deutlich zu verbessern. Darüber hinaus ist in Verbindung mit dem weniger als 1,0 mm betragenden Unterstand (t') der abgeschrägte Abschnitt 24 an der inneren Umfangskante des vorderen offenen Endes des Isolators 2. Dies macht es möglich, daß die Funkenentladung deutlich wegspringt von der vorderen Stirnfläche 23 des Isolators 2, um die Kanalbildung wesentlich zu verzögern. Der abgeschrägte Abschnitt beträgt vorzugsweise etwa 0,2 bis 0,5 mm.
Wenn der vordere Endabschnitt des Mittelelektrodenmetalls 30 mit dem Edelmetall wesentlich verdünnt ist und einen Durchmesser im Bereich von 1,0 bis 2,0 mm aufweist, ist es möglich, die Zündfähigkeit bei geringstem Ausmaß an Funkenerosion zu steigern.
(b) Wenn die scheibenförmige Edelmetallspitze 31 eine Dicke von 0,3 bis 1,0 mm aufweist, ist es möglich, die Funkenerosion mit relativ geringem Kostenaufwand wirksam einzuschränken. Wenn man zusätzlich den abgeschrägten Abschnitt 24 in Betracht zieht, leistet dieser abgeschrägte Abschnitt 24 einen Beitrag bei der Verringerung der Funkenerosion und der Verbesserung der Ablagerungsbeständigkeit. Wenn die Schweißstelle 312 der Edelmetallspitze 31 um mindestens 0,3 mm gegenüber der vorderen Stirnfläche 23 nach hinten zurückgezogen ist, ist es möglich, zu verhindern, daß die Ni-Legierung der Mittelelektrode den Funken induziert, um dadurch die Mittelelektrode 3 vor Funkenerosion zu schützen.
(c) Wenn die Edelmetallspitze 31 mit Hilfe des Lasers am die vordere Stirnfläche 301 des Mittelelektrodenmetalls 30 geschweißt wird, um den vorderen Endabschnitt der Mittelelektrode 3 zu bilden, kann man die Funkenerosion an dem vorderen Endabschnitt signifikant reduzieren und damit die Funkenerosionsbeständigkeit der Doppellücken-Zündkerze (A) steigern.
Weiterhin auf die Fig. 4a, 4b und 5a-5d bezugnehmend, die sämtlich auf eine Doppellücken-Zündkerze (B) gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung beziehen, besitzt die Zündkerze (B) eine zylindrische Metallhülse 1, in der der Isolator 2 fest untergebracht ist. Innerhalb der Axialbohrung 21 des Isolators 2 ist die Mittelelektrode 3 fest untergebracht, wobei ihr vorderes Ende einen Abschnitt 34 aus einer Edelmetall-Legierung aufweist. Die Außenelektroden 4, 4 erstrecken sich von dem vorderen Ende 11 der Metallhülse 1 ausgehend in der Weise, daß das Zündende 41 abgebogen ist, wobei es mit der vorderen Stirnfläche 23 des Isolators 2 fluchtet, um mit Abstand einer Seitenfläche des verschlangten Abschnitts des Isolators 2 gegenüberzustehen.
Der Hauptteil der Mittelelektrode 3 ist im Durchmesser vergrößert, um seine Wärmeableitungsfähigkeit zu steigern, während der vordere Endabschnitt der Mittelelektrode 3 auf einen Durchmesser w = 1-2 mm verschlangt ist, um gute Zündfähigkeit zu garantieren. In eine Ni-Legierung 35 (Inconel 600) des Mittelelektrodenmetalls 30 ist ein wärmeleitfähiger Kupferkern 36 eingebettet.
Die Mittelelektrode 3 kann ihre vordere Stirnfläche 23 um 0-0,5 mm (t) über die vordere Stirnfläche 23 des Isolators 2 hinaus erstrecken, oder die Mittelelektrode kann - alternativ - ihr vorderes Ende 32 um 0 bis 1,0 mm (t') gegenüber der vorderen Stirnfläche 23 des Isolators 2 zurückgezogen haben, wie in Fig. 4b gezeigt ist.
Anhand der Fig. 5a bis 5d soll ein Verfahren zum Herstellen der Mittelelektrode 3 erläutert werden:

SCHRITT 1

(i) Über den Umfang verläuft bei einem im Durchmesser verringerten Endabschnitt 302 des Mittelelektrodenmetalls 30 eine im Querschnitt trapezförmige Nut 303, wie in Fig. 5a gezeigt ist. In die Nut 303 wird durch Einquetschen ein Platindraht 340 fest eingesetzt. In diesem Moment entspricht die Länge des Platindrahts 340 im wesentlichen der Umfangslänge der Nut 303.

SCHRITT 2

(ii) Es werden Laserstrahlen 37 auf den Platindraht 340 gelenkt, während das Mittelelektrodenmetall 30 gedreht wird, wie in Fig. 5b angedeutet ist, und zwar mit einer Geschwindigkeit von 5π/6 rad/s. Hierbei wird ein YAG-Laser bevorzugt, und zwar bei einer Impulsbreite, Standardenergie und Betriebszeitperiode von 2 ms, 7 Joules und 5 pps beispielsweise.

SCHRITT 3

(iii) Das Aufbringen der Laserstrahlbündel 37 schmelzt den Platindraht 340 thermisch an dem vorderen Ende des Mittelelektrodenmetalls 30, um einen Abschnitt 34 aus einer Edelmetall-Legierung zu erhalten, wie in Fig. 5c gezeigt ist.

SCHRITT 4

(vi) Wie in Fig. 5d gezeigt ist, wird der obere oder vorder Endabschnitt 304 des Mittelelektrodenmetalls 30 entfernt, um bündig zu sein, wie durch das Bezugszeichen 32 angedeutet ist, indem geschnitten, gefräst oder geschliffen wird, damit der Abschnitt 34 der Edelmetall-Legierung freiliegt und damit die Mittelelektrode 3 gemäß Fig. 4a fertig ist.
Bei dieser Doppellücken-Zündkerze (B) wurde der Ruß-Ablagerungs- Beständigkeitstest in der gleichen Weise wie bei der Doppellücken- Zündkerze (A) durchgeführt.
Aus dem Ruß-Ablagerungs-Beständigkeitstest wurde die Erkenntnis gewonnen, daß die Ruß-Ablagerungs-Beständigkeit verbessert wird, wenn die Abmessung des Durchmessers (w) des vorderen Endabschnitts der Mittele lektrode 3 (das heißt der Edelmetallspitze 31) dünner wird, wie in Fig. 3 zu sehen ist. Allerdings muß man garantieren, daß mindestens ein Durchmesser von 1,0 mm für das Mittelelektrodenmetall 30 vorhanden ist, wenn man die Funkenerosion in Betracht zieht.
Wenn der Durchmesser des Hauptteils der Mittelelektrode 30 kleiner als 3,5 mm ist, kann man eine gute Kohlenstoffablagerungs-Beständigkeit garantieren, wenn der Überstand (t) kleiner als 0,5 mm ist. Man muß höchstens 1,0 mm für den Unterstand (t') vorsehen, da ein übergroßer Unterstand (t') dazu führt, daß es zu einer Kanalbildung in der vorderen Stirnfläche 23 des Isolators 2 und damit zur Entstehung von Rissen oder Beschädigungen kommt.
(a) Wenn der Durchmesser des Hauptteils der Mittelelektrode 3 erhöht wird, kann man eine gute Wärmeableitung erzielen. Wenn der Durchmesser (w) des vorderen Endes der Mittelelektrode 3 im Bereich von 1,0 bis 2,5 mm liegt, kann man die Zündfähigkeit zusätzlich verbessern, wobei man berücksichtigt, daß die an die Mittelelektrode 3 angelegte Hochspannung gegenüber der Metallhülse 1 negative Polarität hat.
(b) Durch Festlegung des Überstands (t) auf weniger als 0,5 mm oder des Unterstands (t') auf 1,0 mm, ist es möglich, die Funkenentladung auf der vorderen Stirnfläche 23 des Isolators 2 ablaufen zu lassen und damit die Kohlenstoffablagerungs-Beständigkeit der Doppellücken-Zündkerze (B) im Vergleich zu ihrem bekannten Gegenstück (J) spürbar zu verbessern. Zusätzlich zu dem Unterstand (t') von weniger als 1,0 mm ist der abgeschrägte Abschnitt 24 an dem Innenrandbereich des vorderen offenen Endes des Isolators 2 vorgesehen. Dies ermöglicht eine wesentliche Verzögerung einer Ausbreitung der Kanalbildung des Isolators und eine Verbesserung der Ablagerungsbeständigkeit.
(c) Wenn der Abschnitt 34 der Edelmetall-Legierung sich über den Umfang am vorderen Endabschnitt des Mittelelektrodenmetalls 30 erstreckt, ist es möglich, die Funkenerosion zu unterbinden und damit die Lebensdauer zu steigern. Bevorzugt ist, daß die Höhe (a) des Abschnitts 34 aus der Edelmetall-Legierung 0,3 bis 1,5 mm bei einer Dicke (b) von 0,2 bis 0,5 mm beträgt, um die Funkenerosion zu unterdrücken und die Kosten durch kleinstmögliches Volumen des Edelmetalls oder der verwendeten Edelmetall-Legierung zu reduzieren.
Nach Fig. 6, die sich auf eine Doppellücken-Zündkerze (C) gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung bezieht, besitzt die Zündkerze (C) eine zylindrische Metallhülse 1, in der der Isolator 2 fest untergebracht ist. Innerhalb der Axialbohrung 21 des Isolators 2 ist die Mittelelektrode 3 fest untergebracht, wobei ihr vorderes Ende einen Edelmetallabschnitt 38 aufweist. Die Außenelektroden 4, 4 erstrecken sich von dem vorderen Ende 11 der Metallhülse 1 ausgehend und sind so umgebogen, daß sie mit Abstand dem Isolator 2 gegenüberstehen, dessen vorderes Ende 23 nahezu mit dem oberen Ende 32 des Edelmetallabschnitts 38 der Mittelelektrode fluchtet und mit dem Zündende 41 der Außenelektrode 4 ausgerichtet ist.
Anstatt der Umfangsnut 303 mit trapezförmigem Querschnitt der zweiten Ausführungsform der Erfindung ist eine Ausnehmung 30a in der vorderen Stirnfläche des Mittelelektrodenmetalls 30 ausgebildet, wie in der dritten Ausführungsform (Fig. 6) gezeigt. Innerhalb der Ausnehmung 30a ist eine scheibenähnliche Edelmetallspitze aus Pt-20Ir-Legierung aufgenommen, wobei sie an eine Innenwand der Ausnehmung 30a mittels Laser angeschweißt ist, um den Edelmetallabschnitt 38 am Ende der Mittelelektrode zu bilden. In dieser Situation ist die vordere oder vielmehr obere Stirnfläche 32 des Edelmetallabschnitts 38 im wesentlichen bündig mit der des Isolators 2, die etwa in der Höhe der Mitte der Außenelektrode 4 liegt.
In dem Fall, daß der Abschnitt 34 aus Edelmetall-Legierung sich über die gesamte Umfangslänge der Vorderseite des Mittelelektrodenmetalls 30 erstreckt, wie es in Fig. 4b der Fall ist, kann die Funkenentladung selektiv an der Ni-Legierung 35 hinter dem Abschnitt 34 der Edelmetall-Legierung ablaufen, um die Kanalbildung zu verschlimmern, wenn der Abschnitt 34 der Edelmetall-Legierung einseitig erodiert wird aufgrund der abgelenkten Funkenentladungswege. Demgegenüber kann es möglich sein, eine solche Verschlimmerung der Kanalbildung aufgrund der einseitigen Erosion zu vermeiden, wenn man die Anordnung des Edelmetallabschnitts 38 in der Mittelelektrode 35 gemäß der in Fig. 6 gezeigten dritten Ausführungsform der Erfindung vorsieht.
Im folgenden werden Beispiele von Modifikationen angegeben, die bei den oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung vorgenommen werden können.
(a) Die Anzahl der an die Metallhülse 1 angeschlossenen Außenelektroden kann drei oder vier betragen. Dies zerstreut die Funkenentladungswege und schwächt dabei die einseitige Funkenerosion der Mittelelektrode und/oder die Ausbreitung der Kanalbildung des Isolators. Bei der erhöhten Anzahl von Außenelektroden ist es möglich, die Selbstreinigungswirkung zu fördern und damit die Kohlenstoffablagerungs-Beständigkeit der Zündkerze zu verbessern.
(b) Anstatt den ringförmigen Platindraht 340 zu verwenden, der mittels Laser angeschweißt wird, kann ein anderer Edelmetalldraht um eine Innenwand der Nut 303 gelegt werden, wobei das Vorderende des Drahts provisorisch an der Innenwand der Nut 303 durch Widerstandsschweißung befestigt wird und der Draht dann auf die richtige Länge geschnitten und anschließend der Draht vollständig in der Nut 303 verschweißt wird.
(c) Nach dem Schweißen der ringförmigen Edelmetallspitze um das seitliche vordere Ende des Mittelelektrodenmetalls 30 durch Widerstandsschweißung kann das Mittelelektrodenmetall 30 durch einen Extrusionsprozeß gebildet werden. Auf diese Weise läßt sich die Mittelelektrode 3 mit relativ geringen Kosten fertigen.
(d) Die Mittelelektrode 3 und/oder die Außenelektrode 4 kann einen wärmeleitenden Kern aus Kupfer oder einer Kupferlegierung innerhalb des Nickels oder der Nickel-Legierung aufweisen.
(e) Die Mittelelektrode, die aus der Ni-Legierung gefertigt ist und einen Durchmesser von 2,0 bis 2,5 mm aufweist, kann insbesondere dann die Funkenerosionsbeständigkeit aufrecht erhalten, wenn das vordere Ende der Mittelelektrode in der in Fig. 6 gezeigten Weise konfiguriert ist.
(f) Die vordere Stirnfläche des Isolators sollte mit der Außenelektrode fluchten, man kann die Anordnung jedoch optimieren, indem man die vordere Stirnfläche in der Linie zwischen der Mitte und dem Innenrand der Außenelektrode anordnet.
Während die Erfindung unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen beschrieben wurde, versteht sich, daß die vorliegende Beschreibung nicht beschränkend zu verstehen ist, da verschiedene Modifikationen und Hinzufügungen zu den spezifischen Ausführungsbeispielen durch den Fachmann vorgenommen werden können, ohne daß vom Schutzumfang der Erfindung abgewichen wird.

Claims

1. Halbflächen-Kriechentladungs-Zündkerze, umfassend:

eine zylindrische Metallhülse (1);

einen in der Metallhülse (1) derart aufgenommenen Isolator (2), daß sich das vordere Ende (22) des Isolators (2) über die Metallhülse (1) hinaus erstreckt;

eine in einer Axialbohrung (21) in dem Isolator (2) aufgenommene Mittelelektrode (3); und

mindestens eine Außenelektrode (4), die an einem vorderen Ende (11) der Metallhülse (1) befestigt ist,

dadurch gekennzeichnet, daß das vordere Ende (32) der Mittelelektrode (3) entweder um höchstens 0,5 mm über das vordere Ende (23) des Isolators (2) hinausragt oder von dem vorderen Ende (23) des Isolators (2) um höchstens 1,0 mm zurückspringt, und daß ein erster Abschnitt der Zündstirnfläche (41) der mindestens einen Außenelektrode (4) der seitlichen Erhöhung eines vorderen Endabschnitts (22) des Isolators (2) gegenübersteht, und ein zweiter Abschnitt der Zündstirnfläche (41) der mindestens einen Außenelektrode (4) sich über die Höhe der vorderen Stirnfläche (23) des Isolators hinaus erstreckt, derart, daß die vordere Stirnfläche (23) des Isolators (2) mit der Zündstirnfläche (41) der mindestens einen Außenelektrode (4) fluchtet, wobei dazwischen ein Raum vorhanden ist, damit Funkenentladungen entlang der vorderen Stirnfläche (23) des Isolators (2) stattfinden.

2. Zündkerze nach Anspruch 1, bei der das vordere Ende (32) der Mittelelektrode (3) mit dem vorderen Ende (23) des Isolators (2) fluchtet.

3. Zündkerze nach Anspruch 1 oder 2, bei der ein Innenrand (24) eines offenen vorderen Endes des Isolators (2) abgeschrägt ist.

4. Zündkerze nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei der die Anzahl von Außenelektroden (4) 3 oder 4 beträgt.

5. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der eine mindestens ein Edelmetall enthaltende Spitze (31; 34) an das Mittelelektrodenmetall (30) geschweißt ist, um das vordere Ende (32) der Mittelelektrode (3) zu bilden.

6. Zündkerze nach Anspruch 5, bei der die Edelmetallspitze (31) eine scheibenförmige Gestalt hat, die einen Durchmesser von 1,0 bis 2,5 mm und eine Dicke von 0,3 bis 1,0 mm aufweist, wobei ein Abschnitt (312), an dem die Edelmetallspitze (31) an die Mittelelektrode (3) angeschweißt ist, sich innerhalb der Axialbohrung (21) des Isolators (2) befindet.

7. Zündkerze nach Anspruch 5, bei der die Edelmetallspitze (34) über den Umfang des vorderen Endabschnitts des Mittelelektrodenmetalls (30) herum angeordnet ist.

8. Zündkerze nach Anspruch 5 oder 7, bei der der vordere Endabschnitt des Mittelelektrodenmetalls eine ringförmige Edelmetallspitze (34) aufweist, deren Außendurchmesser kleiner oder gleich dem Außendurchmesser der Mittelelektrode (3) ist, wobei die ringförmige Edelmetallspitze (34) eine Höhe von 0,3-1,5 mm und eine Dicke von 0,2 bis 0,5 mm aufweist.

9. Zündkerze nach einem der Ansprüche 5 bis 8, bei der die Edelmetallspitze (31; 34) über den Umfang am vorderen Endabschnitt des Mittel elektrodenmetalls herum am vorderen Ende der Mittelelektrode angeschweißt ist, indem ein Laserstrahl (33; 37) auf einen Grenzbereich zwischen der Edelmetallspitze und der Mittelelektrode gelenkt wurde.

10. Zündkerze nach einem der Ansprüche 5 bis 9, bei der das vordere Ende der Mittelelektrode mit der Edelmetallspitze durch Widerstandsschweißung verbunden ist.

11. Verfahren zum Verwenden einer Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem eine an die Mittelelektrode (3) angelegte Funkenentladungs-Hochspannung eine negative Polarität aufweist.