DE60126290T2

DE60126290T2 - Zündeinrichtung mit einer zündspitze, die aus einer yttriumstabilisierten platin/wolfram-legierung gebildet wird

Info

Publication number: DE60126290T2
Application number: DE60126290T
Authority: DE
Inventors: D. James Temperance LYKOWSKI; R. Kenneth Edgewood HEUKER
Original assignee: Federal Mogul LLC
Current assignee: Federal Mogul LLC
Priority date: 2000-07-27
Filing date: 2001-07-17
Publication date: 2007-06-21
Anticipated expiration: 2021-07-18
Also published as: WO2002011258A1; DE60126290D1; EP1312144A1; EP1312144A4; US6412465B1; EP1312144B1; AU2001276938A1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft im Allgemeinen Zündkerzen und andere Zündeinrichtungen, die in Verbrennungsmotoren verwendet werden und insbesondere eine Zündeinrichtung mit Zündungsspitzen aus Edelmetall. Wie hier verwendet, soll der Ausdruck „Zündeinrichtung" so verstanden werden, dass er Zündkerzen, Zünder und andere solche Einrichtungen umfasst, die verwendet werden, um die Verbrennung eines Gases oder Kraftstoffes auszulösen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Auf dem Gebiet der Zündkerzen besteht ein kontinuierlicher Bedarf, die Erosionsbeständigkeit zu verbessern und um die Zündspannung an der Mittelelektrode und Masseelektrode der Zündkerze zu reduzieren. In diesem Zusammenhang wurden verschiedene Designs unter Verwendung von Edelmetallelektroden vorgeschlagen, oder üblicherweise, von Zündungsspitzen aus Edelmetallen, die auf herkömmliche Metallelektroden aufgebracht wurden. Typischerweise ist die Zündungsspitze als eine Niete oder ein Block ausgebildet, welche(r) anschließend auf das Ende der Elektroden aufgeschweißt wird.
Platin- und Iridiumlegierungen sind zwei der Edelmetalle, die am häufigsten für diese Zündungsspitzen verwendet werden. Siehe zum Beispiel das U.S. Patent Nr. 4,540,910 von Kondo et al., welches die Zündungsspitze einer Mittelelektrode offenbart, die aus zwischen 70 bis 90 Gew.-% Platin und 30 bis 10 Gew.-% Iridium besteht. Wie in diesem Patent offenbart, wurden Platin-Wolfram-Legierungen auch für diese Zündungsspitzen verwendet. Solch eine Platin-Wolfram-Legierung ist auch in dem U.S. Patent Nr. 6,045,424 von Chang et al. offenbart, welches des Weiteren den Aufbau der Zündungsspitzen unter Verwendung von Platin-Rhodium-Legierungen und Platin-Iridium-Wolfram-Legierungen.
Neben diesen grundlegenden Edelmetalllegierungen wurden auch Legierungen, welche durch Oxiddispersion gehärtet wurden, vorgeschlagen, die Kombinationen der oben ge nannten Metalle mit unterschiedlichen Mengen an unterschiedlichen seltenen Erdmetalloxiden einsetzen. Siehe zum Beispiel U.S. Patent Nr. 4,081,710 von Heywood et al. In diesem Zusammenhang wurden verschiedene spezifische auf Platin und Iridium basierende Legierungen vorgeschlagen, die Yttriumoxid (Y₂O₃) einsetzen. Insbesondere offenbart das U.S. Patent Nr. 5,456,624 von Moore et al. eine Zündungsspitze, welche aus einer Platinlegierung hergestellt ist, enthaltend < 2% Yttriumoxid. Das U.S. Patent Nr. 5,990,602 von Katoh et al. offenbart eine Platin-Iridium-Legierung, enthaltend zwischen 0,01 und 2% Yttriumoxid. Das U.S. Patent Nr. 5,461,275 von Oshima offenbart eine Indiumlegierung, die zwischen 5 und 15% Yttriumoxid enthält. Während das Yttriumoxid historisch in geringen Mengen eingeführt wurde (z.B. < 2%), um die Festigkeit und/oder Stabilität der resultierenden Legierung zu verbessern, lehrt das Oshima Patent, dass die Zündspannung unter Verwendung von Yttriumoxid mit Iridium mit > 5 Vol.-% reduziert werden kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung gemäß einer Ausführungsform wird durch den Anspruch 1 definiert, welcher folgt. Im Allgemeinen beschreibt der Stand der Technik die Merkmale des Oberbegriffs des unabhängigen Anspruchs 1, wie in US-A-6,045,424 beschrieben.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass eine verringerte Erosion und verringerte Zündspannungen mit sehr viel geringeren Anteilen an Yttrium erzielt werden können, als in dem Oshima Patent offenbart, indem das Yttriumoxid in eine Legierung aus Wolfram und Platin eingeführt wird.
Daher wird gemäß der Erfindung eine Zündeinrichtung bereitgestellt, welche sowohl eine Masse- als auch eine Mittelelektrode aufweist, wobei wenigstens eine der Elektroden eine Zündungsspitze umfasst, die aus einer Legierung gebildet ist, enthaltend Platin, Wolfram und Yttriumoxid und nicht mehr als Spurenmengen an Indium und Ruthenium. Vorzugsweise besteht die Legierung aus einer Kombination aus 91,7%–97,99% Platin, 2%–8% Wolfram und 0,01%–0,3% Yttrium, in Bezug auf das Gewicht, und in einer noch bevorzugteren Ausbildung aus 95,68%–96,12% Platin, 3,8%–4,2% Wolfram und 0,08%–0,12% Yttrium. Die Zündungsspitze kann die Form eines Kissens, einer Niete, einer Kugel, eines Drahtes oder eine andere Form aufweisen und kann an der Position auf der Elektrode eingeschweißt werden.
Zusätzlich zu einer guten Erosionsbeständigkeit und einer reduzierten Zündspannung bietet eine Zündungsspitze, welche aus dem Platin/Wolfram/Yttriumoxid hergestellt wurde, eine Anzahl von zusätzlichen Vorteilen, einschließlich guter Schweiß- und Herstellungseigenschaften, wie auch ein minimales Auftreten von Oxidation der Legierung an dem geschweißten Bereich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Eine bevorzugte beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden zusammen mit den beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei ähnliche Bezugszeichen gleiche Elemente angeben, und:
1 eine bruchstückartige Ansicht und einen teilweisen Querschnitt einer Zündkerze darstellt, welche gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung aufgebaut ist;
2 eine Seitenansicht einer Niete darstellt, die anstelle der Zündungsspitzenkissen verwendet werden kann, die in der Zündkerze in 1 eingesetzt wurden; und
3 eine Kugel darstellt, die anstelle der Zündungsspitzenkissen aus 1 eingesetzt werden können.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Bezug nehmend auf 1 ist dort das Arbeitsende einer Zündkerze 10 dargestellt, welche ein Metallgehäuse oder Gehäuse 12 umfasst, einen Isolator 14, welcher innerhalb des Gehäuses gesichert ist, eine Mittelelektrode 16, eine Masseelektrode 18, ein Paar Zündungsspitzen 20, 22, die einander gegenüberliegend an der Masse- und Mittelelektrode 16, 18 angeordnet sind. Das Gehäuse 12 kann auf eine herkömmliche Weise aufgebaut sein und kann Standardgewinde 24 umfassen und ein kreisförmiges unteres Ende 26 an welches die Masseelektrode 18 geschweißt wird oder anders befestigt wird. Ähnlich können alle anderen Bestandteile der Zündkerze 10 (einschließlich der nicht dargestellten) aufgebaut werden, unter Verwendung bekannter Verfahren und Materialien, mit Ausnahme der Masse und/oder Mittelelektroden 16, 18, welche mit einer Zündungsspitze 22 und/oder 20 aufgebaut sind, wie nachfolgend beschrieben wird.
Wie bekannt ist, definiert das kreisförmige Ende 26 des Gehäuses 12 eine Öffnung 28, durch welche sich der Isolator 14 erstreckt. Die Mittelelektrode 16 ist permanent innerhalb des Isolators 14 über eine Glasdichtung oder unter Verwendung eines anderen geeigneten Verfahrens befestigt. Sie erstreckt sich aus dem Isolator 14 durch ein freiliegendes axiales Ende 30. Die Masseelektrode 18 ist in der Form eines herkömmlichen Ellbogens mit 90° ausgebildet und ist mechanisch und elektrisch an dem Gehäuse 12 an einem Ende 32 befestigt und endet an dem anderen Ende 34 der Mittelelektrode 16 gegenüberliegend. Das freie Ende 34 umfasst ein Zündungsende der Masseelektrode 18, welche zusammen mit dem entsprechenden Zündungsende der Mittelelektrode 16 zwischen diesen eine Funkenstrecke bzw. Elektrodenabstand 36 definiert.
Die Zündungsspitzen 20, 22 sind an dem Zündungsende der jeweiligen Elektroden 16, 18 angeordnet, so dass sie Funkenbildungsflächen für die Emission und die Aufnahme von Elektronen über den Elektrodenabstand 36 bereitstellen. Diese Zündungsenden sind im Querschnitt dargestellt, um die Zündungsspitzen darzustellen, welche in dieser Ausführungsform Kissen umfassen, die auf die Zündungsspitzen geschweißt wurden. Wie dargestellt, können die Zündungsspitzen 20, 22 teilweise in Aufnahmen auf jeder Elektrode eingeschweißt werden. Gegebenenfalls kann eines oder beide der Kissen vollständig in der jeweiligen Elektrode aufgenommen werden, oder können auf eine Außenfläche der Elektrode geschweißt werden, ohne überhaupt aufgenommen zu werden.
Gemäß der Erfindung wird jede Zündungsspitze aus einer Legierung gebildet, enthaltend Platin, Wolfram und Yttriumoxid. Vorzugsweise wird die Legierung aus einer Kombination aus 91,7–97,99 Gew.-% Platin, 2–8 Gew.-% Wolfram und 0,01–0,3 Gew.-% Yttrium gebildet. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird die Legierung aus 95,68–96,12 Gew.-% Platin, 3,8–4,2 Gew.-% Wolfram und 0,08–0,12 Gew.-% Yttrium gebildet.
Die Legierung kann gebildet werden, indem die gewünschten Mengen an Platin, Wolfram und Yttrium zusammen verschmolzen werden, wobei das Yttrium als ein Ergebnis des Legierungsverfahrens zu Yttriumoxid oxidiert. In diesem Zusammenhang sollte festgehalten werden, dass die Prozentangaben des Yttriums, welche hier angegeben sind, solche des Yttriums sind, wenn dieses mit dem Platin und Wolfram vermischt wird, eher als das Yttriumoxid in der resultierenden Legierung. Demzufolge besteht die Legierung im Wesentlichen aus Platin, Wolfram und Yttriumoxid und umfasst nicht mehr als Spurenmengen an anderen Bestandteilen. Obwohl die bestimmte Korngröße des Yttrium oxids nicht wichtig ist, ist es bevorzugt, dass das Yttriumoxid fein verteilt und gleichförmig über die Legierung verteilt ist. Nach dem Verschmelzen des Platins, Wolframs und Yttriums um die Legierung zu bilden, kann diese anschließend in eine pulverförmige Form umgewandelt werden, durch ein Zerstäubungsverfahren, die Fachleuten auf dem Gebiet bekannt sind. Die pulverisierte Legierung kann anschließend isostatisch in feste Form gepresst werden, wobei sekundäre Formverfahren verwendet werden können, sofern notwendig, um die gewünschte Endform zu erzielen. Verfahren und Techniken zur Durchführung dieser Schritte sind Fachleuten auf dem Gebiet bekannt.
Obwohl die Elektroden direkt aus der Legierung hergestellt werden können, werden sie vorzugsweise separat aus einem herkömmlicheren elektrisch leitfähigen Material gebildet, wobei die Legierung zu Zündungsspitzen geformt wird, um nachfolgend an den Elektroden befestigt zu werden. Nachdem die Zündungsspitzen und die Elektroden gebildet wurden, werden die Zündungsspitzen sowohl mechanisch als auch elektrisch an den jeweiligen Elektroden durch Schweißen oder andere geeignete Mittel permanent befestigt. Dies führt dazu, dass die Elektroden jeweils eine integrale Zündungsspitze aufweisen, die eine freiliegende Funkenbildungsfläche für die Elektrode bereitstellt.
Es wird festgehalten, dass die Zündungsspitzen 20, 22 keine Kissen sein müssen, sondern auch die Form einer Niete 40 (dargestellt in 2), einer Kugel 42 (dargestellt in 3), eines Drahtes (nicht dargestellt) oder jede andere geeignete Form aufweisen können. Obwohl in 2 eine Niete mit rundem Ende dargestellt ist, kann auch eine Niete mit einem konischen oder frusto-konischen Kopf verwendet werden. Der Aufbau und die Befestigung dieser verschiedenen Arten der Zündungsspitzen ist Fachleuten auf dem Gebiet bekannt. Obwohl des Weiteren die Zündungsenden sowohl der Mittelelektrode als auch der Masseelektrode so dargestellt sind, dass sie eine Zündungsspitze aufweisen, die aus der Platin/Wolfram/Yttrium-Legierung gebildet ist, sollte festgehalten werden, dass die Legierung auch nur an einer dieser Elektroden verwendet werden kann.
Die Zugabe von Yttrium stellt eine Kornstabilisierung der Platin/Wolfram-Legierung zur Verfügung und führt zu einer Gesamtlegierung, welche es erlaubt, dass Elektroden einfacher emittiert werden, als bei vielen herkömmlich verwendeten Legierungen. Dies führt zu einer Verringerung der Spannung, die für den Funken über die Spalte 36 notwendig ist. Die Legierung stellt auch eine gute Erosionsbeständigkeit zur Verfügung, insbesondere bei erhöhten Temperaturen. Des Weiteren hat sich das Schweissen und Ausbilden der Zündungsspitzen als gleich bleibend gut herausgestellt, wohingegen die Oxidation der Legierung an der gespeisten Fläche minimal ist.
Obwohl eine obere Grenze von 0,3 Gew.-% Yttrium vorzugsweise verwendet wird, können deutlich höhere Prozentanteile verwendet werden; die resultierende Legierung zeigt eine erhöhte Härte, wodurch das Schweißen des Materials schwieriger wird.
Es wird deutlich werden, dass gemäß der vorliegenden Erfindung eine Zündeinrichtung und Herstellungsverfahren für diese bereitgestellt wurde, welche die Ziele und Vorteile erzielt, die hier genannt wurden. Es wird natürlich deutlich, dass die vorangehende Beschreibung nur bevorzugte beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung darstellt, und die Erfindung wird nicht auf die dargestellten spezifischen Ausführungsformen begrenzt. Verschiedene Änderungen und Modifikationen werden Fachleuten auf dem Gebiet deutlich. Zum Beispiel wird klar werden, obwohl eine Zündeinrichtung in der Form einer Zündkerze dargestellt wurde, dass die Erfindung auch in einen Zünder der Art eingebaut werden kann, dessen Zündung über die Oberfläche eines halbleitenden Materials erfolgt, welches zwischen der Mittelelektrode und einer kreisförmigen Masseelektrode angeordnet ist. Solche Änderungen und Modifikationen sollen in dem Umfang der vorliegenden Erfindung liegen.

Claims

Zündeinrichtung (10) für einen Verbrennungsmotor, umfassend: ein Gehäuse (12); einen Isolator (14), welcher innerhalb des Gehäuses (12) gesichert ist; eine Mittelelektrode (16), welche in dem Isolator (14) befestigt ist und sich durch ein axiales Ende (30) dieses Isolators (14) aus dem Isolator (14) erstreckt; eine Masseelektrode (18) welche in dem Gehäuse (12) befestigt ist und an einem Zündungsende endet, welches einem entsprechenden Ende der Mittelelektrode (16) gegenüberliegt; und dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Elektroden (16, 18) eine Zündungsspitze (20, 22) umfasst, welche aus einer Legierung gebildet ist, enthaltend Platin, Wolfram, Yttriumoxid und nicht mehr als Spurenmengen an Indium und Ruthenium.
Zündeinrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei beide Elektroden (16, 18) eine Zündungsspitze (20, 22) umfassen, welche im Wesentlichen aus Platin, Wolfram und Yttriumoxid besteht.
Zündeinrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei die Zündungsspitze (20, 22) aus einer Legierung hergestellt ist, welche aus einer Kombination aus 91,7–97,99 Gew.-% Platin, 2–8 Gew.-% Wolfram und 0,01–0,3 Gew.-% Yttrium besteht.
Zündeinrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei die Zündungsspitze (20, 22) aus einer Legierung hergestellt ist, welche aus einer Kombination aus 95,68–96,12 Gew.-% Platin, 3,8–4,2 Gew.-% Wolfram und 0,08–0,12 Gew.-% Yttrium besteht.
Zündeinrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei die Zündeinrichtung (10) eine Zündkerze (10) umfasst.
Zündeinrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei die Mittelelektrode (16) eine aus der Legierung gebildete Zündungsspitze (20) aufweist.
Zündeinrichtung (10) nach Anspruch 6, wobei die Legierung aus einer Kombination aus 91,7–97,99 Gew.-% Platin, 2–8 Gew.-% Wolfram und 0,01–0,3 Gew.-% Yttrium hergestellt ist.
Zündeinrichtung (10) nach Anspruch 6, wobei die Legierung aus einer Kombination aus 95,68–96,12 Gew.-% Platin, 3,8–4,2 Gew.-% Wolfram und 0,8–0,12 Gew.-% Yttrium hergestellt ist.
Zündeinrichtung (10) nach Anspruch 6, wobei das Zündungsende der Masseelektrode (18) eine Zündungsspitze (22) einschließt, die der Zündungsspitze (20) der Mittelelektrode (16) gegenüberliegend angeordnet ist.
Zündeinrichtung (10) nach Anspruch 9, wobei die Zündungsspitzen (20, 22) aus der gleichen Legierung hergestellt sind.
Zündeinrichtung (10) nach Anspruch 6, wobei die Zündungseinrichtung (10) eine Zündkerze (10) umfasst.