Zündkerze einer Brennkraftmaschine

Abstract

 Zündkerze einer Brennkraftmaschine, insbesondere für den Einsatz bei Ottogasmotoren, mit einem Isolatorkörper (1), mit mindestens einer feststehenden Masseelektrodenträgeranordnung und mit mindestens einem feststehenden Mittelelektrodenträger, wobei ein mindestens zwei Teile (3, 4) aufweisendes Zündkerzengehäuse den Isolatorkörper umgibt, wobei das Zündkerzengehäuse ein Gehäuseunterteil (4) und ein Gehäuseoberteil (3) aufweist, wobei zumindest der brennkammerseitige Teil des Isolatorkörpers (1) von dem Gehäuseunterteil (4) gemeinsam mit dem Gehäuseoberteil (3) druckfest, vorzugsweise vollständig, umfaßt ist.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zündkerze einer Brennkraftmaschine, insbesondere für den Einsatz bei Ottogasmotoren, mit einem Isolatorkörper, mit mindestens einer feststehenden Masseelektrodenträgeranordnung und mit mindestens einem feststehenden Mittelelektrodenträger, wobei ein mindestens zwei Teile aufweisendes Zündkerzengehäuse den Isolatorkörper umgibt.

[0002] Bei den derzeit verfügbaren Zündkerzen für Industriegasmotoren handelt es sich vielfach um Produkte, welche aus der Automobilindustrie abgeleitet wurden und durch entsprechende Verbesserungen für den vorzugsweisen Einsatz in Industriegasmotoren angepaßt wurden. Diese Kerzen weisen in der Regel eine feststehende zylindrische Mittelelektrode auf, welche mit einem Edelmetallpin versehen ist. Bei den feststehenden Masseelektroden werden sowohl die Hakenelektrode als auch zwei bis vier seitlich angebrachte Elektrodenfinger eingesetzt. Derartige Masseelektroden können ebenfalls mit einem Edelmetallplättchen versehen sein. Zündkerzen dieser Art sind aus der EP 0834973 A2, EP 0859436 A1, EP 1049222 A1, DE 19641856 A1 sowie aus der WO 95/25372 bekannt. Gattungsgemäße Zündkerzen mit mehrteiligen Zündkerzengehäuse sind z.B. aus der GB 156,087 A oder aus der US 6,152,095 A bekannt. Ein wesentlicher Nachteil der beim Stand der Technik bekannten Zündkerzen besteht darin, daß ihre Druckfestigkeit für einen dauerhaften Betrieb nicht ausreichend gut ausgebildet ist. So kommt es des öfteren bei Zündkerzen gemäß dem Stand der Technik zum unbeabsichtigten Auspressen des Isolatorkörpers oder der Basismittelelektrode. Passiert dies bei Betriebszuständen in denen ein hoher Innendruck im Zylinder der Brennkraftmaschine vorherrscht, so kann es zu einem explosionsartigen Ausschießen von Isolatorkörper und/oder Basismittelelektrode bei Zündkerzen nach dem Stand der Technik kommen, was unter anderem auch eine Gefährdung des anwesenden Betriebspersonals darstellen kann.

[0003] Aufgabe der Erfindung ist es somit, eine Zündkerze zu schaffen, bei der die Nachteile der Zündkerzen gemäß dem Stand der Technik beseitigt sind. Darüber hinaus soll ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Zündkerzen zur Verfügung gestellt werden.

[0004] Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß das Zündkerzengehäuse ein Gehäuseunterteil und ein Gehäuseoberteil aufweist, wobei zumindest der brennkammerseitige Teil des Isolatorkörpers von dem Gehäuseunterteil gemeinsam mit dem Gehäuseoberteil druckfest, vorzugsweise vollständig, umfaßt ist.

[0005] Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Zündkerzengehäuses mit einem Gehäuseunterteil und einem Gehäuseoberteil können die einzelnen Teile sehr druckfest gefertigt, anschließend auf den Isolatorkörper aufgeschoben und somit in der Weise zusammengefügt werden, daß eine sehr druckfeste Zündkerze entsteht.

[0006] Hierbei umfaßt der Verbund aus Gehäuseunterteil und Gehäuseoberteil den Isolatorkörper der Zündkerze in der Weise, daß ein ungewolltes Auspressen des Isolatorkörpers oder der Basismittelelektrode aus dem so aufgebauten Zündkerzengehäuse wirksam verhindert wird. Die Bezeichnungen Gehäuseunter- und -oberteil beziehen sich auf die normale Einbaulage einer Zündkerze, bei der der Gehäuseunterteil nach unten in Richtung Brennkammer und der Gehäuseoberteil nach oben in Richtung des Zündkerzensteckers zeigt.

[0007] Bezüglich der Verbindung der einzelnen Teile des Zündkerzengehäuses ist es besonders günstig, daß diese in ihrem Kontaktbereich übereinandergeschoben und/oder verpreßt und/oder verschweißt sind. Durch diese Art der Verbindung im Kontaktbereich zwischen den einzelnen Teilen des Zündkerzengehäuses wird eine besonders druckfeste Zündkerze hergestellt.

[0008] Zur Befestigung der Zündkerze im Zylinder ist es besonders günstig, daß mindestens ein Teil des Zündkerzengehäuses ein Gewinde zum Einschrauben in einen Zylinderkopf aufweist.

[0009] Günstige Ausführungsformen sehen vor, daß die einzelnen Teile des Zündkerzengehäuses aus elektrisch leitfähigem Material gefertigt und/oder die Verbindungen der einzelnen Teile des Zündkerzengehäuses in ihrem jeweiligen Kontaktbereich leitfähig ausgebildet sind. Hierdurch kann das Zündkerzengehäuse als elektrisch leitendes Verbindungsstück zwischen mindestens einer Masseelektrode und dem Zylinder bzw. Motorblock verwendet werden.

[0010] Günstige Varianten sehen vor, daß die einzelnen Teile des Zündkerzengehäuses vorzugsweise jeweils mindestens eine Abdichtung gegen den Isolatorkörper aufweisen. Durch solche Abdichtungen wird der Austritt von Gas bzw. der Druckabfall durch die Zündkerze hindurch verhindert.

[0011] Die Druckfestigkeit der Zündkerze wird in besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen des weiteren dadurch verstärkt, daß der Isolatorkörper mindestens eine vorzugsweise sich über seinen gesamten Umfang erstreckende Wulst aufweist, die vorzugsweise in mindestens einem Kontaktbereich von mindestens zwei Gehäuseteilen, angeordnet ist.

[0012] Günstige Ausführungsvarianten des mehrteilig aufgebauten und elektrisch leitenden Zündkerzengehäuses sehen vor, daß die Masselektrodenträgeranordnung am Zündkerzengehäuse angeordnet ist und mindestens eine Masseelektrode aufweist. Die Bezeichnung Masseelektrodenträgeranordnung bezieht sich hierbei auf eine Anordnung von mindestens einem Masseelektrodenträger an welchem wiederum mindestens eine Masseelektrode angeordnet ist.

[0013] Zur Gewährleistung einer langen Lebensdauer der Zündkerze sehen einzelne bevorzugte Ausführungsbeispiele vor, daß die Masseelektrodenträgeranordnung, vorzugsweise vier senkrecht zueinander angeordnete, flächige, vorzugsweise nach innen weisende, Masseelektroden aufweist. Hierbei ist es wiederum günstig, daß mindestens eine Masseelektrode und/oder mindestens eine Masseelektrodenträgeranordnung mit mindestens einem Teil des Zündkerzengehäuses verschweißt und/oder in mindestens einen Teil des Zündkerzengehäuses integriert ist.

[0014] Bei dem als Gegenstück zu den Masseelektroden und der Masseelektrodenträgeranordnung ausgebildeten Mittelelektrodenträger ist es besonders günstig, daß mindestens eine, vorzugsweise vier, senkrecht zueinander angeordnete - flächige - vorzugsweise nach außen weisende - Mittelelektrode(n) am Mittelelektrodenträger angeordnet ist (sind). Hierbei kann der Mittelelektrodenträger wie auch die Masseelektrodenträgeranordnung einen oder mehrere Einzelelektrodenträger sowie Elektroden aufweisen. Besonders günstig ist, daß die Elektroden des Mittelelektrodenträgers und der Masseelektrodenträgeranordnung jeweils paarweise planparallel gegenüberliegend einen isolierenden Luftspalt zwischen einander aufweisend angeordnet sind. Durch eine derartige Anordnung wird eine sehr gute und zuverlässige Zündung des Brennstoff-Luftgemisches sowie auch eine lange Lebensdauer der druckfesten Zündkerze erreicht.

[0015] Eine besonders druckfeste Variante wird dadurch erreicht, daß der Mittelelektrodenträger auf dem Isolatorkörper geschultert ist und/oder die Basismittelelektrode umgibt und/oder mit der Basismittelelektrode vorzugsweise vollständig verschweißt ist. Hierdurch wird vor allem ein ungewolltes Ausdrücken der Basismittelelektrode aus der Zündkerze verhindert.

[0016] Im Sinne einer langen Lebensdauer der Zündkerze sehen besonders günstige Ausführungsvarianten vor, daß die Kantenlänge der Mittelelektroden und/oder der Masseelektroden größer 4 mm, vorzugsweise größer 6 mm, ist. Eine weitere Verbesserung der Lebensdauer der Elektroden wird dadurch erreicht, daß die Elektroden des Mittelelektrodenträgeranordnung eine Beschichtung aus Edelmetall und/oder Edelmetallplättchen aufweisen.

[0017] Zur Herstellung einer solchen Zündkerze sieht ein günstiges Verfahren vor, daß die einzelnen Teile des Zündkerzengehäuses einzeln gefertigt, über einen handelsüblichen Standardisolatorkörper geschoben und/oder übereinander geschoben und/oder verpreßt und/oder verschweißt werden. Hierdurch kann ein Standardisolatorkörper zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Zündkerzen verwendet werden, was die Produktionskosten für solche Zündkerze deutlich senkt. Besonders günstig ist es darüber hinaus, daß der Mittelelektrodenträger vorab gefertigt, bündig auf eine Basismittelelektrode des Isolatorkörpers bis zum Isolatorsockel aufgeschoben und verschweißt wird.

[0018] Weitere günstige Ausführungsformen sehen vor, daß die Masseelektrodenträgeranordnung mit mindestens einem Teil des Zündkerzengehäuses verschweißt oder integriert in mindestens einem Teil des Zündkerzengehäuses gefertigt wird und daß zum Schweißen ein gepulstes und/oder kontinuierlich arbeitendes Laserschweißverfahren und/oder Elektrodenstrahlschweißverfahren und/oder Plasmaschweißverfahren und/oder Hochvakuumlötverfahren und/oder Widerstandsschweißtechnik angewendet wird.

[0019] Weitere Merkmale und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Zündkerze.

[0020] Bei der erfindungsgemäßen Zündkerze wird auf einen Standardisolatorkörper wie er handelsüblich von diversen Zündkerzenherstellern eingesetzt wird zurückgegriffen.

[0021] Dieser Isolatorkörper 1 (meist aus Keramik gefertigt) wird unter beidseitiger Beilage einer Dichtung 2 in ein Zündkerzengehäuseoberteil 3 eingeschoben. Das Zündkerzengehäuseunterteil 4 wird ebenfalls auf den Isolatorkörper 1 geschoben. In einem weiteren Fertigungsschritt werden Ober- 3 und Unterteil 4 vorzugsweise im Bereich der Isolatorwulst 15 miteinander verpresst. Im vorgespannten Zustand werden die Gehäuseteile mittels Laser miteinander verschweißt 5 .

[0022] Durch diese Bauweise kann das Obergehäuse 3 sehr druckstabil ausgelegt werden. Ein Motordruck bedingtes Ausdrücken des Isolatorkörpers 1 wird somit unterbunden. Durch den Schweißprozeß im Kontaktbereich 5 am vorgespannten Gehäuse 3 werden die Gehäusebauteile dauerhaft vorgespannt und es kommt somit zu einer Abdichtung zwischen Gehäuse 3,4 - Dichtung 2 und Isolatorkörper 1.

[0023] Als Werkstoffe für Gehäuseober- und -unterteil 3,4 können schweißbare Baustähle, Edelstähle sowie deren Legierungen aber auch Nickelbasislegierungen oder Messinglegierungen zum Einsatz kommen. Der Vorteil des Messinggehäuses liegt in der besseren Wärmeableitung.

[0024] Durch die gewählte zweischalige Form des Gehäuses kann eine sehr kompakte Hochdruckkerze mit zB M18 x 1,5 Gewinde 13 hergestellt werden.

[0025] An den Gehäuseunterteil 4 kann motorseitig eine Masseelektrodenträgeranordnung 6 aufgebracht werden. Im konkreten Fall wird aus Gründen der Temperatur und Heißkorrosionsbeständigkeit ein Masseelektrodenträgeranordnung 6 aus Inco Alloy 600 (WNr 2.4816) mittels Laser mit dem Gehäuse im Bereich 7 verschweißt. Als Alternativen können ebenfalls andere Nickelbasislegierungen oder Hochtemperaturedelstähle zum Einsatz kommen. Der Masseelektrodenträgeranordnung 6 könnten gegebenenfalls auch in einem Stück also als integrierender Bestandteil des Gehäuseunterteils 4 gefertigt werden.

[0026] Durch die Ausführung des Masseelektrodenträgeranordnung 6 mit 4 Elektrodenfingern ist für eine gute Gemischzugänglichkeit gesorgt.

[0027] Die Masseelektrodenträgeranordnung 6 sind mit Edelmetallplättchen (= Masseelektroden 9) versehen, diese werden mittels Laser einseitig oder beidseitig mit dem Träger 6 verschweißt. Die Schweißung ist so angebracht, daß an den Elektrodenseiten der Spalt verschlossen wird. Das heißt zwischen Edelmetallplättchen und Elektrodenträgerfingern besteht kein offener Spalt (oder Öffnung) durch welche Gas eintreten können.

[0028] Durch diese Konstruktion ist es möglich in Bezug auf die kompakte Gesamtbauteilgröße sehr lange Elektrodenabbrandkanten herzustellen. Es werden an der Masseelektrodenträgeranordnung Edelmetallplättchen 9 mit einer Kantenlänge größer 4,0 mm eingesetzt.

[0029] Im konkreten Fall beträgt die Kantenlänge der Masseelektrode 9 6,25 mm.

[0030] Bei den Masseelektroden 9 kommen Plättchen mit den Abmessungen 6,25 x 1,6 x 0,5 mm (es können auch andere Abmessungen eingesetzt werden) zum Einsatz. Als Edelmetall können z.B. Pt Rh Legierungen (90/10, 95/5, 80/20, 75/25) verwendet werden.

[0031] Als Schweißverfahren können gepulste Laser, kontinuirlich arbeitende Laser (CW-Laser) , Elektronenstrahlschweißverfahren oder Vakuum- und Hochvakuumlötverfahren sowie das Plasmaschweißen oder die Widerstandsschweißtechnik eingesetzt werden.

[0032] Die Basismittelelektrode 12 des Isolatorkörpers 1 wird mit einem Mittelelektrodenträger 10 im Bereich 11 verschweißt. Durch den Mittelelektrodenträger 10 kann in Abstimmung mit der Masseelektrodenträgeranordnung 6 die Funkenlage festgelegt werden. Der Mittelelektrodenträger 10 wird auf die Basismittelelektrode 12 aufgeschoben, bis er bündig am Isolatorsockel 14 aufliegt. In dieser Position wird er mit der Basismittelelektrode im Bereich 11 verschweißt. Durch diese Anordnung sind der Mittelelektrodenträger 10 und die Basismittelelektrode 12 hochdrucksicher. Ein Auspressen aus dem Isolatorsockel der Basismittelelektrode bedingt durch den Motordruck ist nicht möglich, da der mit der Basismittelelektrode 12 verschweißte Mittelelektrodenträger 10 am Isolatorsockel 14 geschultert 14 ist. Die Schweißverbindung 11 zwischen Elektrodenträger und Elektrode wird durch das Verschweißen mit einem gepulsten Laser hergestellt. Es kann jedoch ebenfalls ein kontinuirlich arbeitender Laser (CW-Laser), das Elektronenstrahlschweißverfahren, ein Lötverfahren oder die Widerstandsschweißtechnik eingesetzt werden.

[0033] Die Schweißung 11 kann entlang der gesamten Länge der Basismittelelektrode 12 erfolgen wobei von außen also durch den Mittelelektrodenträger 10 auf die Basismittelelektrode 12 durchgeschweißt wird. Es können ein oder mehrere Punktschweißungen sowie ein oder mehrere Nahtschweißungen welche in der Längsachse bei Bedarf mehrfach am Umfang oder radial bei Bedarf mehrfach am Umfang angeordnet sein können.

[0034] Der Mittelelektrodenträger 10 ist so ausgelegt, daß er eine gute Gemischzugänglichkeit ermöglicht. Durch die erfindungsgemäße Ausführung ist ein leichtes Nachstellen möglich. Der Mittelelektrodenträger ist so ausgelegt, daß Mittelelektroden 8 mit einer Länge von größer 4 mm aufgeschweißt werden können. Bei der konkreten Erfindung beträgt die Kantenlänge der Mittelelektrode 8 6, 25 mm. Der Mittelelektrodenträger 10 ist mit 4 gesonderten Elektrodenfingern ausgelegt, auf welchen Edelmetallelektroden als Mittelelektroden 8 aufgeschweißt sind.

[0035] Die Mittelelektrodenanordnung 10 sind mit Edelmetallplättchen als Mittelelektroden 8 versehen, diese werden mittels Laser einseitig oder beidseitig mit dem Träger verschweißt. Die Schweißung ist so angebracht, daß an den Elektrodenseiten der Spalt verschlossen wird. Das heißt zwischen Edelmetallplättchen und Elektrodenträgerfingern besteht kein offener Spalt (oder Öffnung) durch welche Gas eintreten kann.

[0036] Als Mittelelektrodenträgerwerkstoff kommt im konkreten Fall Inco Alloy 600 (WNr. 2.4816) zum Einsatz. Als Alternativen können ebenfalls andere Nickelbasislegierungen oder Hochtemperaturedelstähle zum Einsatz kommen.

[0037] Bei den Mittelelektroden 8 kommen Plättchen mit den Abmessungen 6,25 x 2,0 x 0,5 mm (es können auch andere Abmessungen eingesetzt werden) zum Einsatz. Als Edelmetall können z.B. Pt Rh Legierungen (90/10, 95/5, 80/20, 75/25) verwendet werden.

Ansprüche

1. Zündkerze einer Brennkraftmaschine, insbesondere für den Einsatz bei Ottogasmotoren, mit einem Isolatorkörper, mit mindestens einer feststehenden Masseelektrodenträgeranordnung und mit mindestens einem feststehenden Mittelelektrodenträger, wobei ein mindestens zwei Teile aufweisendes Zündkerzengehäuse den Isolatorkörper umgibt, dadurch gekennzeichnet, daß das Zündkerzengehäuse ein Gehäuseunterteil (4) und ein Gehäuseoberteil (3) aufweist, wobei zumindest der brennkammerseitige Teil des Isolatorkörpers (1) von dem Gehäuseunterteil (4) gemeinsam mit dem Gehäuseoberteil (3) druckfest, vorzugsweise vollständig, umfaßt ist.

2. Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Teile (3,4) des Zündkerzengehäuses in ihrem Kontaktbereich (5) übereinandergeschoben und/oder verpreßt und/oder verschweißt sind.

3. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil des Zündkerzengehäuses ein Gewinde (13) zum Einschrauben in einen Zylinderkopf aufweist.

4. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Teile (3,4) des Zündkerzengehäuses aus elektrisch leitfähigem Material gefertigt und/oder die Verbindungen der einzelnen Teile (3,4) des Zündkerzengehäuses in ihrem jeweiligen Kontaktbereich (5) leitfähig ausgebildet sind.

5. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Teile (3,4) des Zündkerzengehäuses vorzugsweise jeweils mindestens eine Abdichtung (2) gegen den Isolatorkörper (1) aufweisen.

6. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolatorkörper (1) mindestens eine vorzugsweise sich über seinen gesamten Umfang erstreckende Wulst (15) aufweist, die vorzugsweise in mindestens einem Kontaktbereich (5) von mindestens zwei Gehäuseteilen (3,4), angeordnet ist.

7. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Masselektrodenträgeranordnung (6) am Zündkerzengehäuse angeordnet ist und mindestens eine Masseelektrode (9) aufweist.

8. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Masseelektrodenträgeranordnung (6), vorzugsweise vier senkrecht zueinander angeordnete, flächige, vorzugsweise nach innen weisende, Masseelektroden (9) aufweist.

9. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Masseelektrode (9) und/oder mindestens eine Masseelektrodenträgeranordnung (6) mit mindestens einem Teil (4) des Zündkerzengehäuses verschweißt und/oder in mindestens einen Teil des Zündkerzengehäuses integriert ist.

10. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine, vorzugsweise vier, senkrecht zueinander angeordnete - flächige - vorzugsweise nach außen weisende - Mittelelektroden (8) am Mittelelektrodenträger (10) angeordnet ist (sind).

11. Verfahren zur Herstellung einer Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Teile (3,4) des Zündkerzengehäuses einzeln gefertigt, über einen handelsüblichen Standardisolatorkörper (1) geschoben und/oder übereinander geschoben und/oder verpreßt und/oder verschweißt werden.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelelektrodenträger (10) vorab gefertigt bündig auf eine Basismittelelektrode (12) des Isolatorkörpers (1) bis zum Isolatorsockel (14) aufgeschoben und verschweißt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Masseelektrodenträgeranordnung (6) mit mindestens einem Teil (4) des Zündkerzengehäuses verschweißt oder integriert in mindestens einem Teil (4) des Zündkerzengehäuses gefertigt wird.

Zeichnung