CN111183558A - 具有经提高的ZrSiO4相份额的火花塞电阻元件 - Google Patents

Abstract

用于制造火花塞、尤其是根据权利要求1至3所述的火花塞的方法，所述方法包括步骤：提供绝缘体；将材料混合物充填到所述绝缘体中，所述材料混合物被设立用于，构造电阻构件，其中所述材料混合物包含ZrO₂和SiO₂；将所述绝缘体（3）和处于其中的材料混合物加热（120）到至少870℃的温度T，使得在所述材料混合物中ZrO₂和SiO₂至少部分反应成为ZrSiO₄。

Description

具有经提高的ZrSiO4相份额的火花塞电阻元件

技术领域

本发明涉及根据独立权利要求所述的火花塞和用于火花塞的制造方法。

背景技术

当今的火花塞为了减小电极磨损和为了避免在火花塞中的和在内燃机中的电磁干扰（EMI）而具有电阻元件，其具有在1至14kΩ的范围内的比电阻。该电阻元件在火花塞的情况下典型地在火花塞绝缘体之内布置在连接螺栓和中心电极之间。电阻元件常常是由不同的传导颗粒和不传导颗粒、诸如碳或炭黑、ZrO₂和硼硅酸盐玻璃组成的材料混合物。用于电阻元件的比电阻尤其是由材料组成和材料分布而得出。

如在所有电阻情况下那样，电阻元件也具有最大电流强度，所述最大电流强度能够在电阻元件中发生毁坏该电阻元件的电流的击穿之前流动通过该电阻元件。所述最大电流强度尤其是用于电阻元件的电稳定性的度量并且对于火花塞的使用寿命是决定性的。

此外，该电阻元件随着时间和增大的运行持续时间而老化，其中该电阻元件的电阻值随着时间而提高。由此而需要：以更高的电压来运行火花塞，以便继续工作。随着越来越高的运行电压而增大如下危险：电压从连接螺栓或从中心电极击穿通过绝缘体到壳体内，由此毁坏绝缘体和整个火花塞。电阻元件的电阻值的长期稳定性因此也是用于电阻元件的电稳定性的度量并且对于火花塞的使用寿命是决定性的。

发明内容

本发明的任务因此是：提供一种具有经改善的电阻元件的开头提及的类型的火花塞，其中该电阻元件具有高电稳定性并且提供用于火花塞的制造方法。

所述火花塞具有壳体、在壳体中布置的绝缘体、在绝缘体中布置的中心电极、在绝缘体中布置的连接螺栓、在绝缘体中布置的电阻元件和在壳体的燃烧室侧的端面上布置的接地电极，该电阻元件在空间上布置在中心电极和连接螺栓之间并且将中心电极与连接螺栓电连接，其中电阻元件包含电阻构件（Widerstandspanat），其中该电阻构件由材料混合物组成，所述材料混合物尤其是包含ZrO₂和SiO₂，其中该接地电极与中心电极共同地构成点火缝隙，其中所述任务根据本发明在所述火花塞的情况下由此得以解决：使得所述电阻构件的材料混合物也包含ZrSiO₄。

在制造方法期间，绝缘体与在其中包含的电阻元件或电阻构件一起被加热。在该加热过程之前，电阻构件包含ZrO₂和SiO₂并且不包含ZrSiO₄。通过以例如至少870℃的温度来加热，开始从ZrO₂与SiO₂转化成ZrSiO₄。申请人的研究显示出：具有包含ZrSiO₄的电阻构件的火花塞在火花塞的运行期间具有明显更高的电阻稳定性。而在具有不含ZrSiO₄的电阻构件的火花塞的情况下，电阻在几百运行小时之后明显改变，使得为了保持火花塞功能而必须将越来越高的电压连接到火花塞上，由此又增大如下危险：电压从连接螺栓或从中心电极击穿通过绝缘体到壳体内，并且毁坏火花塞。

根据本发明的火花塞并不具有该问题，因为基于在电阻构件中的ZrSiO₄而使该电阻构件的电阻明显更稳定并且在几百运行小时的情况下也仅仅轻微地改变，由此能够长时间地以正常电压来运行火花塞。针对这些研究已经在30kV的电压、250℃的温度和100Hz的脉冲频率情况下运行了根据本发明的火花塞。

其他有利的构型方案是从属权利要求的主题。

申请人的研究尤其已经显示出：当转化率q至少为40%时，则特别良好地出现有利的效应，其中

，其中w（X）是材料X在电阻构件中的以重量%计的份额，其中X是ZrSiO₄或ZrO₂。

特别有利的是，转化率q至少为50%。这些研究已经得出：转化率的饱和处在50-55%，并且通过更高的温度或者更长的加热持续时间也并不进一步提高该转化率。

可替代地或附加地规定，电阻构件的相对电阻改变在至少300运行小时之后是小于50%、优选小于35%的。理想地，相对电阻改变在至少500运行小时的情况下小于50%。

在一种扩展方案中，电阻元件是层系统，该层系统具有电阻构件和至少一个接触构件（Kontaktpanat）。在此，所述至少一个接触构件在空间上布置在连接螺栓和电阻构件之间或者在中心电极和电阻构件之间，或者如果存在两个接触构件，第一接触构件在空间上布置在连接螺栓和电阻构件之间，并且第二接触构件在空间上布置在电阻构件和中心电极之间。

本发明的另一方面涉及一种用于火花塞、例如根据本发明的火花塞的制造方法，该方法包括以下步骤：

• 提供绝缘体；

• 将材料混合物充填到绝缘体中，其中该材料混合物被设立用于构造电阻构件，其中该材料混合物包含ZrO₂和SiO₂；

• 将绝缘体和处于其中的材料混合物加热到至少870℃的温度T，使得在此在材料混合物中ZrO₂和SiO₂至少部分反应成为ZrSiO₄。

有利地规定，一直加热用于该电阻构件的材料混合物，直至已出现至少为40%的转化率q。其中由如下公式得出转化率q：

，其中w（X）是材料X在电阻构件中的以重量%计的份额，其中X是ZrSiO₄或ZrO₂。

这些研究已显示出:温度T有利地处在870℃至965℃的范围内。以比870℃更低的温度，在多于30分钟的加热持续时间情况下也不能产生ZrSiO₄。而比965℃更高的温度则不具有对该转化的附加的有利效应。在965℃的情况下，在30分钟之内就已经实现了转化率q的饱和。

在根据本发明的制造方法的扩展方案中，在至少15分钟的时间内并且在尤其是最大60分钟的时间内将电阻构件保持在至少870℃的温度T，其中温度T越高，该时间就越小。自由度由此而得出：要么在绝缘体中或绝缘体上的其他组件或火花塞不允许被过高温加热的情况下，为了该转化而将电阻构件更长时间地在低温加热并且使该转化缓慢进行；要么对该转化加速 ，其方式为，在更短时间内加热到更高的温度。

附图说明

图1示出用于火花塞的示例；

图2示出在恒定的加热时间t=30分钟内试样的根据温度T的转化率q；

图3示出以比较的方式示出针对温度T=890℃和T=950℃的根据加热时间t的转化率q；

图4示出在不同的耐久性测试时间之后的不同试样的电阻；

图5示意性地示出用于根据本发明的火花塞的制造方法。

具体实施方式

图1以半截面视图来示出火花塞1。该火花塞1包括壳体2。绝缘体3被放入到该壳体2中。该壳体2和绝缘体3分别沿着自身的纵轴X而具有钻孔。壳体2的纵轴、绝缘体3的纵轴和火花塞1的纵轴重合。中心电极4放入到该绝缘体3中。此外，连接螺栓8延伸到该绝缘体3中。在连接螺栓8上布置连接螺母9，通过该连接螺母，火花塞1与在此未示出的电压源能电接触。连接螺母9构成火花塞1的背离燃烧室的末端。

在绝缘体3中，电阻元件7、也称为构件处在中心电极4和连接螺栓8之间。该电阻元件7将中心电极4与连接螺栓8导电连接。该电阻元件7例如被构造为由第一接触构件72a、电阻构件71和第二接触构件72b组成的层系统。电阻元件7的这些层以自身的材料组成和基于此而最终得出的电阻来区分。第一接触构件72a和第二接触构件72b能够具有不同的电阻或具有相同的电阻。该电阻元件7也可以具有仅一个层、即电阻构件或者具有多个不同的层，即具有不同材料组成和电阻的电阻构件。

绝缘体3以肩部平放在构造于壳体内侧上的壳体座上。为了密封在壳体内侧和绝缘体3之间的空气缝隙，在绝缘体肩部和壳体座之间布置内部密封装置10，该内部密封装置在壳体2中绝缘体3的张紧情况下塑性地变形并且由此密封空气缝隙。

在壳体2上，在自身的内燃室侧的端面上导电地布置接地电极5。该接地电极5和中心电极4这样想对彼此来布置，使得在它们之间构成点火缝隙，其中产生火花。

该壳体2具有杆部。在该杆部上构造多边形21、收缩凹槽和螺纹22。该螺纹22用于将火花塞1旋入到内燃机中。在螺纹22和多边形21之间布置外部的密封元件6。该外部的密封元件6在该实施例中被构型为折叠式密封装置。替代地，外部的密封元件6也可以是全密封装置。

在表格1中，总结这些研究的结果。每个试样在此相应于火花塞。在加热之前，所有试样的电阻构件具有相同的材料组成。也可能的是，对仅相应于电阻元件或电阻构件的、也即具有相应的材料组成的试样执行转化研究。电阻构件在初始状态、也即在加热之前并且因此在可能的转化之前包含含有ZrO₂和SiO₂的玻璃。该玻璃的其他组成部分例如是B₂O₃、CaO和Li₂O。该电阻构件的材料组成的其他组成部分例如是碳或陶瓷颗粒、例如Al₂O₃或TiO₂。

每个试样已经在确定的加热时间t内被加热到确定的温度T。接下来，已经借助XRD- Rietveld分析来确定了不同材料的、即ZrO₂或ZrSiO₄的份额。由此又已经确定了转化率q。转化率q根据以下公式来计算：

，其中w（X）是在转化之后的材料X的以重量%计的份额，在此，X是ZrSiO₄或ZrO₂。

表格1：

。

该表格的结果是针对在图2和图3中的接下来的图表的数据基础。

在图2中相对以℃计的温度T描绘以%计的转化率q。每个数据点在此代表如下试样，所述试样已经在30分钟内加热到了相应的温度T。虚线是理论上的曲线走向，所述理论上的曲线走向借助简单的拟合函数

利用炉温T、转化率的饱和值q_sat和拟合参数T₀由测量数据而得出。从该图表能看出，在30分钟的加热时间t内，对于自大约920℃起的温度，转化率q开始进入50-55%的饱和。

在图3中示出如下图表，在该图表中根据相对加热时间t地来描绘两个试样的以%计的转化率q。第一试样（圆形）已加热到了950℃。第二试样（十字形）已加热到了890℃。针对这两个试样已经在不同的时间之后如上述地确定转化率q。虚线又是理论上的曲线走向，所述理论上的曲线走向借助简单的拟合函数

利用炉温t、转化率的饱和值q_sat和拟合参数T₀由相应的测量数据而得出。从该图表中同样地获悉如下结果：转化率q在50-55%的值处开始进入饱和。附加地该图表也示出：在更高的温度情况下时间上更快速地达到饱和。

在图4中以比较的方式示出在确定的运行持续时间t之后的火花塞的电阻。所有火花塞在开始耐久性测试之前具有R（t=0）= 1.5kΩ的初始电阻（数据点为圆形）。

参考火花塞（数据点为四边形）和其电阻元件已经与表格1中的试样H1相应地被处理并且具有转化率q=0%。在超过350运行小时之后，参考火花塞具有R（350h）=13.7kΩ的电阻，这相应于813%的相对电阻改变rW。

相对电阻改变（rW）利用

来计算，其中R（t=0）是开始耐久性测试过程之前的火花塞的电阻，并且R（t）是在运行持续时间t之后的相同火花塞的电阻。

新的火花塞（数据点为三角形）和其电阻元件已经与表格1中的试样H3相应地被处理并且具有转化率q=50%。每个数据点是火花塞，针对该火花塞已经执行了测试和接下来的电阻的确定。针对所有这些新的火花塞的相对电阻改变处在小于50%。针对如下新的火花塞得出具有rW=33%的最大的相对电阻改变，其中该新的火花塞在将近450运行小时之后具有大约1kΩ的电阻。

在图5中示意性地示出用于火花塞的制造方法100，其中在此并未示出用于制造火花塞1的各个组件的各个步骤，诸如绝缘体3的制造或用于电阻元件7的材料的制造和混合。

在第一步骤103中提供火花塞的绝缘体3。在第二步骤104中将中心电极插入到绝缘体中。在第三步骤107中将用于电阻元件7的材料充填到绝缘体中。可选地，该步骤107可以由三个分步骤组成：充填接触构件1072b、充填电阻构件1071、充填第二接触构件1072a，其中在每次充填之后作为中间步骤能够进行密封。在接下来的步骤108中，连接螺栓8被插入到绝缘体中。在接下来的步骤120中，连接螺栓8和绝缘体3被相互挤压并且同时加热。该电阻元件7的材料在此被一并加热，使得在该步骤108中在电阻元件7或电阻构件71中发生：从ZrO₂和SiO₂转化成ZrSiO₄。温度至少为870℃。接下来进行其他步骤130，其中，将绝缘体与壳体插接到一起并且连接，以及使电极相对彼此对准。

Claims (7)

1.一种火花塞（1），所述火花塞具有：

壳体（2）；

在所述壳体（2）中布置的绝缘体（3）；

在所述绝缘体（3）中布置的中心电极（4）；

在所述绝缘体（3）中布置的连接螺栓（8）；

在所述绝缘体（3）中布置的电阻元件（7），其中所述电阻元件在空间上布置在所述中心电极（4）和所述连接螺栓（8）之间并且将所述中心电极（4）与所述连接螺栓（8）电连接，其中所述电阻元件（7）包含电阻构件（71），其中所述电阻构件（71）由材料混合物组成，所述材料混合物包含ZrO₂和SiO₂；和

在所述壳体（2）的燃烧室侧的端面上布置的接地电极（5），其中所述接地电极（5）与所述中心电极（4）共同地构成点火缝隙，

其特征在于，所述电阻构件（71）的所述材料混合物也包含ZrSiO₄。

2.根据权利要求1所述的火花塞（1），其特征在于，转化率q至少为40%，其中

，

其中w（X）是材料X在所述电阻构件（71）中的以重量%计的份额。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的火花塞（1），其特征在于，所述电阻构件（71）在300运行小时之后具有小于50%的相对电阻改变。

4.用于制造火花塞、尤其是根据权利要求1至3所述的火花塞的方法（100），所述方法包括如下步骤：

提供绝缘体（103）；

将材料混合物充填（107）到所述绝缘体（3）中，所述材料混合物被设立用于，构造电阻构件（71），其中所述材料混合物包含ZrO₂和SiO₂；

将所述绝缘体（3）和处于其中的所述材料混合物加热（120）到至少870℃的温度T，使得在此在所述材料混合物中ZrO₂和SiO₂至少部分反应成为ZrSiO₄。

5.根据权利要求4所述的方法（100），其特征在于，转化率q至少为40%，其中

，

其中w（X）是材料X在所述电阻构件（71）中的以重量%计的份额。

6.根据权利要求4或权利要求5所述的方法（100），其特征在于，所述温度T在870℃至965℃的范围内。

7.根据上述权利要求4至6其中任意一项所述的方法（100），其特征在于，在至少15分钟的时间内并且在尤其是最大60分钟的时间内保持所述温度T，其中所述温度T越高，所述时间就能够越小。

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