BR112020005157A2

BR112020005157A2 - elemento resistor para velas de ignição com fração de fase de zrsio4 aumentada

Info

Publication number: BR112020005157A2
Application number: BR112020005157-8A
Authority: BR
Inventors: Benedikt Reinsch; Hubertus Braun; Patrick Armstrong; Stefan Nufer
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 2017-10-10
Filing date: 2018-09-26
Publication date: 2020-09-15
Also published as: CN111183558A; JP2020535620A; EP3695473B1; JP7058729B2; RU2765048C2; US11217968B2; DE102017218032A1; KR102628082B1; ES2926685T3; WO2019072565A1; EP3695473A1; CN111183558B; KR20200068664A; RU2020114877A3; US20200350747A1; RU2020114877A

Abstract

Processo para produção de uma vela de ignição, em particular de acordo com as revindicações 1 a 3, compreendendo as etapas de: - preparação de um isolador, - preenchimento de uma mistura de material, que é projetado para formar um panat resistor no isolador, sendo que a mistura de material contém ZrO2 e SiO2. Aquecimento do isolador e da mistura de material lá encontrada a uma temperatura T de pelo menos 870oC, de modo que na mistura de material ZrO2 e SiO2 reagem pelo menos parcialmente para formar ZrSiO4.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "ELEMENTO RESISTOR PARA VELAS DE IGNIÇÃO COM FRAÇÃO DE FASE DE ZrSiO4 AUMENTADA". Estado da Técnica

[001]. A invenção refere-se a uma vela de ignição e a um processo de produção para uma vela de ignição de acordo com as reivindicações independentes.

[002]. As atuais velas de ignição, para a redução do desgaste dos eletrodos e para a evitar as interferências eletromagnéticas (EMI) na vela de ignição e no motor de combustão interna, possuem um elemento resistor com uma resistência específica na faixa de 1 a 14 kΩ. O elemento resistor na vela de ignição está disposto, tipicamente, entre o pino de conexão e o eletrodo central dentro do isolador das velas de ignição. Frequentemente, o elemento resistor é uma mistura de materiais de diferentes partículas condutoras e partículas não condutoras, como por exemplo carbono ou fuligem, ZrO2 e vidro de borossilicato. A resistência elétrica específica do elemento resistor é produzida, entre outros, tipicamente a partir da composição do material e da distribuição do material.

[003]. Como em todas as resistências, o elemento resistor também possui uma corrente máxima, que pode escoar pelo elemento resistor antes que haja uma ruptura da corrente no elemento resistor, que destrua o elemento resistor. Essa corrente máxima é, entre outros, uma medida para a estabilidade elétrica do elemento resistor e decisiva para a durabilidade da vela de ignição.

[004]. Além disso, o elemento resistor envelhece com o tempo e tempo de operação crescentes, sendo que o valor de resistência do elemento resistor aumenta com o tempo. Assim, é necessário que a vela de ignição seja acionada a tensões mais elevadas, para continuar operando. Com uma tensão de operação sempre maior, aumenta o perigo de uma ruptura do valor da tensão do parafuso de conexão ou do eletrodo central pelo isolador na carcaça, com o que são destruídos o isolador e toda a vela de ignição. A estabilidade de longo prazo do valor de resistência do elemento resistor neste caso também é uma medida para a estabilidade elétrica do elemento resistor e é decisiva para a durabilidade da vela de ignição. Divulgação da Invenção

[005]. É, portanto, tarefa da presente invenção produzir uma vela de ignição do tipo mencionado no início, com um elemento resistor aperfeiçoado, que tenha uma alta estabilidade elétrica, e disponibilizar um processo para produção dessas velas de ignição.

[006]. Essa tarefa é solucionada pela vela de ignição que apresenta uma carcaça, um isolador disposto na carcaça, um eletrodo central disposto no isolador, um pino de conexão disposto no isolador, um elemento resistor disposto no isolador, que se encontra espacialmente entre o eletrodo central e o pino de conexão, e o eletrodo central está eletricamente ligado ao pino de conexão, sendo que o elemento resistor contém um panat resistor, e o panat resistor consiste em uma mistura de materiais, que entre outros contém ZrO2 e SiO2, e um eletrodo de aterramento disposto na superfície frontal de uma face lateral da câmara de combustão da carcaça, que junto com o eletrodo central forma um espaçamento entre eletrodos, de acordo com a invenção, caracterizado pelo fato de que a mistura de material do panat resistor também contém ZrSiO4.

[007]. Durante o processo de produção, o isolador é aquecido juntamente com o elemento resistor nele contido ou o panat resistor. Antes dessa etapa de aquecimento, o panat resistor contém ZrO2 e SiO2 e nenhum ZrSiO4. Através do aquecimento com uma temperatura por exemplo de pelo menos 870oC é iniciada uma transformação do ZrO2 juntamente com o SiO2 para formar ZrSiO4. Pesquisas do reivindicante mostraram que velas de ignição com um panat resistor, que contém ZrSiO4 apresentam uma estabilidade de resistência essencialmente mais elevada durante a operação da vela de ignição. Em velas de ignição com um panat resistor livre de ZrSiO4, a resistência modifica-se visivelmente após algumas poucas 100 horas de operação, de modo que para a manutenção da função das velas de ignição precisam ser conectadas tensões cada vez mais elevadas nas velas de ignição, com o que aumenta novamente o perigo de que a tensão do pino de conexão ou do eletrodo central atravesse através do isolador até a carcaça e destrua a vela de ignição.

[008]. A vela de ignição de acordo com a invenção não tem esse problema, já que devido ao ZrSiO4 no panat resistor a resistência do panat resistor é essencialmente mais estável e também se modifica apenas levemente em mais do que 100 horas de operação, com o que a vela de ignição pode ser operada por um longo tempo a uma tensão normal. Para as pesquisas, as velas de ignição de acordo com a invenção são operadas a uma tensão de 30 kV, uma temperatura de 250oC e uma frequência de pulso de 100 Hz.

[009]. Outros modos de realização vantajosos são objeto das reivindicações abaixo.

[0010]. As pesquisas da reivindicante mostraram mais particularmente que o efeito vantajoso é particularmente bom, quando uma taxa de transformação q é de pelo menos 40%, sendo que q = ........w(ZrSiO4)............ (w(ZrSiO4) + w(ZrO2)) onde w (X) é a fração de material X em % em peso no panat resistor, sendo que X é ZrSiO4 ou ZrO2.

[0011]. É particularmente vantajoso quando a taxa de transformação q é de pelo menos 50%. As pesquisas mostraram que a 50-55% ocorre uma saturação da taxa de transformação e que,

mesmo para uma temperatura mais elevada ou para um tempo de aquecimento mais longo, a taxa de transformação não se eleva mais.

[0012]. Alternativamente ou adicionalmente é previsto que uma variação de resistência relativa do panat resistor após pelo menos 300 horas de operação é menor do que 50%, de preferência menor do que 35%. Idealmente a variação de resistência relativa, a pelo menos 500 horas de operação, é menor do que 50%.

[0013]. Em um outro modo de realização, o elemento resistor é um sistema de camadas, que apresenta pelo menos um panat resistor e pelo menos um panat de contato. Aqui o pelo menos um panat de contato está disposto espacialmente entre o pino de conexão e o panat resistor ou entre o eletrodo central e o panat resistor, ou quando estão presentes dois panat de contato, um primeiro panat resistor está disposto espacialmente entre o pino de conexão e o panat resistor e um segundo panat de contato está disposto espacialmente entre o panat resistor e o eletrodo central.

[0014]. Um outro aspecto da invenção refere-se a um processo de produção de uma vela de ignição, que abrange as seguintes etapas:  Disponibilização de um isolador  Preenchimento de uma mistura de materiais, que é orientada para formar um panat resistor, no isolador, sendo que a mistura de materiais contém ZrO2 e SiO2,  Aquecimento do isolador e da mistura de materiais nela encontrada a uma temperatura T de pelo menos 870ºC, de modo que aqui, na mistura de materiais, ZrO2 e SiO2 reagem pelo menos parcialmente para formar ZrSiO4.

[0015]. Vantajosamente é previsto que a mistura de materiais para o panat resistor seja aquecida por tanto tempo até que seja ajustada uma taxa de transformação q, que é de pelo menos 40%. Sendo que a taxa de transformação q tem a seguinte fórmula:

q= w(ZrSiO4) (w(ZrSiO4) + w(ZrO2)) sendo que w(X) é a fração do material X em % em peso no panat resistor, onde X é ZrSiO4 ou ZrO2.

[0016]. As pesquisas mostraram que a temperatura T se situa vantajosamente na faixa de 870ºC a 965ºC. A temperaturas mais baixas do que 870ºC, mesmo para tempos de aquecimento mais longos do que 30 minutos, não foi gerado nenhum ZrSiO4. Temperaturas mais elevadas do que 965 ºC não apresentam nenhum efeito vantajoso sobre a transformação. A 965 ºC, já foi atingida em 30 minutos uma saturação da taxa de transformação q.

[0017]. Em um outro modo de realização do processo de produção de acordo com a invenção, o panat resistor é mantido na temperatura T de pelo menos 870ºC por um tempo de pelo menos 15 minutos e em particular no máximo 60 minutos, sendo que quanto mais elevada é a temperatura T, menor pode ser o tempo. Disso resulta a liberdade, tanto de aquecer o panat resistor por mais tempo a uma temperatura mais baixa para a transformação e deixar a transformação se desenrolar mais lentamente, caso outros componentes no ou ao isolador ou a vela de ignição não possam ainda ser demasiadamente aquecidos, quanto de acelerar a transformação, ao se aquecer por um tempo mais curto a uma temperatura mais elevada. Desenho

[0018]. A Figura 1 mostra um exemplo de vela de ignição

[0019]. A Figura 2 mostra a taxa de transformação q em função da temperatura T da amostra para um tempo de aquecimento constante t = 30 minutos.

[0020]. A Figura 3 mostra a taxa de transformação q em função do tempo de aquecimento t para as temperaturas T = 890ºC e T = 950ºC em comparação

[0021]. A Figura 4 mostra a resistência de diferentes amostras após diversos tempos de teste de operação contínua.

[0022]. A Figura 5 mostra esquematicamente o processo de produção para a vela de ignição de acordo com a invenção. Descrição do exemplo de realização

[0023]. A Figura 1 mostra em uma vista de meio-corte uma vela de ignição 1. A vela de ignição 1 compreende uma carcaça 2. Na carcaça 2 é usado um isolador 3. A carcaça 2 e o isolador 3 apresentam respectivamente ao longo de seus eixos longitudinais X uma perfuração. O eixo longitudinal da carcaça 2, o eixo longitudinal do isolador 3 e o eixo longitudinal da vela de ignição 1 coincidem. No isolador 3 é utilizado um eletrodo central 4. Além disso, no isolador 3 estende-se um pino de conexão 8. No pino de conexão 8 está disposta uma porca de conexão 9, sobre a qual a vela de ignição 1 é eletricamente contactável com uma fonte de tensão não mostrada aqui. A porca de conexão 9 forma a extremidade afastada do espaço de queima da vela de ignição 1.

[0024]. Entre o eletrodo central 4 e o pino de conexão 8 encontra- se, no isolador 3, um elemento resistor 7 também denominado panat. O elemento resistor 7 liga o eletrodo central 4 eletricamente condutor com o pino de conexão 8. O elemento resistor 7 é por exemplo construído como sistema de camadas a partir de um primeiro panat de contato 72a, um panat resistor 71 e um segundo panat de contato 72b. As camadas do elemento resistor 7 diferenciam-se por sua composição de materiais e pela resistência elétrica daí resultante. O primeiro panat de contato 72a e o segundo panat de contato 72b podem apresentar uma resistência elétrica diferente ou uma mesma resistência elétrica. O elemento resistor 7 também pode apresentar apenas uma camada de panat resistor ou várias diferentes camadas de panat com diferentes composições de material e resistências.

[0025]. O isolador 3 tem projetado no lado interior da carcaça um ressalto que repousa sobre um assento da carcaça. Para vedar a folga de ar entre o interior da carcaça e o isolador 3, entre o ressalto do isolador e o assento da carcaça está disposta uma vedação interna 10, que dado um tensionamento do isolador 3 na carcaça 2 é plasticamente moldado e, com isso a fenda de ar é vedada.

[0026]. Na carcaça 2, um eletrodo de aterramento 5 eletricamente condutor está disposto na face lateral da câmara de combustão. O eletrodo de aterramento 5 e o eletrodo central 4 estão dispostos de tal forma, um em relação ao outro, que entre eles se forma uma fenda de ignição na qual é produzida a centelha de ignição.

[0027]. A carcaça 2 apresenta um eixo. Nesse eixo se encontram um polígono 21, um recesso e uma rosca 22. A rosca 22 serve para aparafusar a vela de ignição 1 em um motor de combustão interna. Entre a rosca 22 e o polígono 21 existe um elemento de vedação externo 6. O elemento de vedação externo 6 neste exemplo de execução, é projetado como selo de vedação. Alternativamente o elemento de vedação 6 também pode ser uma vedação total.

[0028]. Na Tabela 1 estão resumidos os resultados das pesquisas. Cada amostra corresponde assim a uma vela de ignição. Antes do aquecimento os panat resistores de todas as amostras têm a mesma composição de material. Também seria possível realizar as pesquisas de transformação em amostras que correspondessem apenas ao elemento resistor ou ao panat resistor correspondente, isto é, que tivessem a composição material correspondente. O panat resistor contém, no estado de partida, isto é, antes do aquecimento e, portanto, antes de uma possível transformação, vidro contendo ZrO2 e SiO2. Outros constituintes do vidro são por exemplo B2O3, CaO e Li2O. Outros componentes da composição de material do panat resistor são, por exemplo, carbono ou partículas de cerâmica como Al2O3 ou TiO2.

[0029]. Cada amostra foi aquecida durante uma determinada temperatura T,por um tempo de aquecimento especificado t. Em seguida determinou-se pela análise Rietveld de XRD as proporções dos diferentes materiais ZrO2 e ZrSiO4. A partir disto determinou-se, por sua vez, a taxa de transformação q. A taxa de transformação q é calculada segundo a seguinte fórmula: onde w(X) é a fração do material X em % em peso após a transformação, assim X é ZrSiO4 ou ZrO2. Tabela 1:

[0030]. Os resultados dessa tabela são a base de dados para os seguintes diagramas na Figura 2 e Figura 3.

[0031]. Na Figura 2 a taxa de transformação q em % é mostrada em função da temperatura T em oC. Cada dado representa assim uma amostra, que foi aquecida por 30 minutos à temperatura T correspondente. A linha pontilhada é um curso de curva teórico, que ocorre a partir dos dados medidos por meio de uma função ajustada q(T) = qsat * (e(-T+To))-1, com a temperatura do forno T, o valor de saturação da taxa de transformação qsat , e um parâmetro de ajuste (fit) To. Nesse diagrama pode ser constatado que, para um tempo de aquecimento t de 30 minutos, a taxa de transformação q para uma temperatura a partir de cerca de 920 oC, sofre com uma saturação em um valor de 50-55%.

[0032]. Na Figura 3 é mostrado um diagrama, no qual é aplicada a taxa de transformação q em % para duas amostras em função do tempo de aquecimento t. A primeira amostra (círculos) foi aquecida a 950oC. A segunda amostra (cruzes) foi aquecida a 890 oC. Para ambas as amostras, a taxa de transformação q após diferentes tempos foi determinada conforme acima descrito. As linhas pontilhadas são novamente curvas teóricas, que são produzidas a partir dos dados de medição correspondentes por meio de uma função de ajuste simples (-t+to) -1 q(t) = qsat * (e ) , com o tempo de aquecimento t, o valor de saturação da taxa de transformação qsat e um parâmetro de ajuste t0. Desse diagrama pode ser igualmente inferido o resultado de que a taxa de transformação q atinge um valor de saturação de 50-55%. Adicionalmente o diagrama também mostra que essa saturação é alcançada mais rapidamente no tempo a temperaturas mais altas.

[0033]. Na Figura 4 é mostrada comparativamente a resistência das velas de ignição após um tempo de operação t. Todas as velas de ignição tinham, antes do início do teste de duração uma resistência inicial (pontos de dados em círculos) de R(t=0) = 1,5 kΩ.

[0034]. As velas de ignição de referência (pontos de dados em quadrados) e seu elemento resistor foram tratados a partir da tabela 1 correspondentemente à amostra H1 e têm uma taxa de transformação q = 0%. Após acima de 350 horas de operação, as velas de ignição de referência tinham uma resistência de R(350h) = 13,7 kΩ, isto corresponde a uma modificação da resistência relativa rW de 813%.

[0035]. A modificação da resistência relativa (rW) é calculada com: rW = lR(t)-R(t=0), R(t=0) sendo que R(t=0) é a resistência das velas de ignição antes do início do decurso do teste e R(t) é a resistência das mesmas velas de ignição após o tempo de operação t.

[0036]. As novas velas de ignição (pontos de dados em triângulos) e seus elementos resistores foram tratados de acordo com a amostra H3 da Tabela 1 e têm uma taxa de transformação q = 50%. Cada ponto de dados é uma vela de ignição, para as quais foram realizados o teste e uma determinação subsequente da resistência. A modificação relativa da resistência para essas novas velas de ignição situa-se a menos de 50%. A maior modificação relativa da resistência com rW = 33% se dá para as novas velas de ignição que, após quase 450 horas de operação, têm uma resistência de cerca de 1 kΩ.

[0037]. Na Figura 5 é apresentado esquematicamente o processo de produção 100 para uma vela de ignição, sendo que as etapas individuais para produção dos componentes individuais da vela de ignição 1, como por exemplo a produção do isolador 3 ou produção e misturação do material para o elemento resistor 7, não são apresentadas aqui.

[0038]. Em uma primeira etapa 103 é produzido o isolador 3 das velas de ignição. Em uma segunda etapa 104 o eletrodo central é colocado no isolador. Na terceira etapa 107 o material para o elemento resistor 7 é introduzido no isolador. Opcionalmente, essa etapa 107 pode consistir em três etapas parciais: preenchimento do panat de contato 1072b, preenchimento do panat resistor 1071, preenchimento do segundo panat de contato 1072a, sendo que após cada preenchimento pode ocorrer uma compactação como segunda etapa. Em uma etapa subsequente 108, os pinos de conexão 8 são introduzidos no isolador. Em uma etapa 120 subsequente os pinos de conexão 8 e o isolador 3 são comprimidos entre si e aquecidos ao mesmo tempo. O material do elemento resistor 7 neste caso é aquecido, de modo que nessa etapa 108 a transformação de ZrO2 e SiO2 para ZrSiO4 ocorre no elemento resistor 7 ou no panat resistor

71. A temperatura é de pelo menos 870oC. Em seguida ocorrem outras etapas 130 nas quais o isolador é colocado em uma carcaça e ligado, assim como os eletrodos são alinhados um com o outro.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Vela de ignição (1), que apresenta  uma carcaça (2),  um isolador (3) disposto na carcaça (2),  um eletrodo central (4) disposto no isolador (3),  um pino de conexão (8) disposto no isolador (3),  um elemento resistor (7) disposto no isolador (3), que está disposto espacialmente entre o eletrodo central (4) e o pino de conexão (8) e que une eletricamente o eletrodo central (4) com o pino de conexão (8), sendo que o elemento resistor (7) contém um panat resistor (71), sendo que o panat resistor (71) consiste em uma mistura de material, que contém ZrO2 e SiO2, e  um eletrodo de aterramento (5) disposto em uma superfície da carcaça (2) na face frontal da câmara de combustão, que forma juntamente com o eletrodo central (4) uma fenda de ignição, caracterizada pelo fato de que a mistura de materiais do panat resistor (71) também contém ZrSiO4.

2. Vela de ignição (1) de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que uma taxa de transformação q é de pelo menos 40%, sendo que sendo que w(X) é a fração do material X em % em peso no panat resistor (71).

3. Vela de ignição (1) de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que o panat resistor (71), após 300 horas de operação, sofre uma modificação relativa da resistência menor do que 50%.

4. Processo para preparação (100) de uma vela de ignição, em particular como definida nas reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de compreender as etapas:  Disponibilização de um isolador (103)  Preenchimento de uma mistura de material (107), que está configurado para formar no isolador (3), um panat resistor (71), sendo que a mistura de material contém ZrO2 e SiO2,  aquecimento (120) do isolador (3) e da mistura de material que lá se encontra a uma temperatura T de pelo menos 870oC, de modo que com isso, na mistura de material, ZrO2 e SiO2 reajam pelo menos parcialmente para formar ZrSiO4.

5. Processo (100) de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que uma taxa de transformação q é de pelo menos 40%, sendo que sendo que w(X) é a fração de material X está em % em peso no panat resistor (71).

6. Processo (100) de acordo com a reivindicação 4 ou 5, caracterizado pelo fato de que a temperatura T situa-se na faixa de 870oC até 965oC.

7. Processo (100) de acordo com qualquer uma das reivindicações 4 a 6 anteriores, caracterizado pelo fato de que a temperatura T é mantida por um tempo de pelo menos 15 min, e em particular no máximo 60 minutos, sendo que quanto maior for a temperatura T menor pode ser o tempo.