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Die Erfindung geht aus von einer Hochfrequenz-Zündeinrichtung mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Eine derartige HF-Zündeinrichtung ist aus der
EP 1 515 594 A2 bekannt.
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Zum Zünden eines brennbaren Gasgemisches in einem Motor wird die Zündelektrode einer solchen HF-Zündeinrichtung mit einer geeigneten Schaltung, beispielsweise einem HF-Schwingkreis, angeregt. Die Zündektrode strahlt dann hochfrequente elektromagnetische Wellen in den Brennraum des Motors ab, so dass dort ein Plasma erzeugt wird, das eine Zündung bewirkt.
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HF-Zündeinrichtungen sind eine Alternative zu herkömmlichen Zündkerzen, die eine Zündung mittels einer Bogenentladung bewirken und durch Elektrodenabbrand einem erheblichen Verschleiß unterliegen. HF-Zündeinrichtungen haben das Potential einer längeren Lebensdauer, konnten dieses aber bisher nicht erfüllen.
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Eine herkömmliche Zündkerze ist aus der
DE 10 2007 027 319 A1 bekannt. Diese Zündkerze hat einen keramischen Isolator, der einen keramischen Innenleiter umgibt und durch Koextrusion hergestellt ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es deshalb einen Weg aufzuzeigen, wie die Lebensdauer einer HF-Zündeinrichtung verbessert werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch eine HF-Zündeinrichtung mit den im Anspruch 1 angegebnen Merkmalen sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Um die Zündelektrode zur Abstrahlung hochfrequenter elektromagnetischer Wellen anzuregen, enthält eine HF-Zündeinrichtung eine Schaltung, in der Regel einen Schwingkreis oder beispielsweise einen piezoelektrischen HF-Generator. Ein Element dieser Schaltung ist ein Kondensator, dessen Dielektrikum von einem Isolator, der einen zu der Zündelektrode führenden Innenleiter umgibt, gebildet wird.
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Bei Frequenzen von typischerweise mindestens einem MHz und Spannungen von einigen kV hat sich die Spannungsfestigkeit im Betrieb als problematisch herausgestellt. Spannungsüberschläge und Teilentladungen führen häufig zu einem vorzeitigen Ausfall einer HF-Zündeinrichtung.
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Überraschenderweise lässt sich die Spannungsfestigkeit deutlich verbessern, indem der Isolator Teil eines Keramikkörpers ist, der einen von dem Isolator umgebenen inneren Bereich aus einer elektrisch leitfähigen Keramik und einen den Isolator umgebenden äußeren Bereich aus einer elektrisch leitfähigen Keramik aufweist.
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Bei einer erfindungsgemäßen HF-Zündeinrichtung wird der Kondensator also von einem Keramikkörper gebildet, der zwischen einem inneren Bereich aus einer elektrisch leitfähigen Keramik und einer äußeren Schicht aus elektrisch leitfähiger Keramik einen keramischen Isolator als Dielektrikum aufweist. Bei einem derartigen Keramikkörper lassen sich Hohlräume zwischen den beiden elektrischen Leitern und dem Dielektrikum des Kondensators vermeiden und deshalb eine höhere Spannungsfestigkeit realisieren.
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Bei den Kondensatoren herkömmlicher HF-Zündeinrichtungen stellen gasgefüllte Hohlräume zwischen den elektrischen Leitern und dem Dielektrikum des Kondensators, beispielsweise Luftspalte, Lunker, Poren oder Risse, ein hartnäckiges Problem dar, das Nebelschlüsse sowie elektrische Teilentladungen begünstigt, welche eine häufige Ursache für Funktionsstörungen und vorzeitigen Ausfall sind. Durch die Vermeidung von Hohlräumen zwischen dem Dielektrikum und den beiden Leitern des Kondensators lässt sich bei einer erfindungsgemäßen HF-Zündeinrichtung eine größere Lebensdauer erreichen.
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Der Keramikkörper einer erfindungsgemäßen HF-Zündeinrichtung kann durch Koextrusion hergestellt werden. Bevorzugt werden dabei für das von dem Isolator umgebene leitfähige Material und für das den Isolator umgebende leitfähige Material dasselbe Keramikmaterial verwendet. Vorteilhaft werden für die Koextrusion dann nur zwei Materialien benötigt, nämlich eine isolierende und eine elektrisch leitfähige Keramik.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer HF-Zündeinrichtung wird zunächst durch Koextrusion ein Grünkörper hergestellt, der einen Kern aus einem leitfähigen Keramikmaterial, einen den Kern umgebenden Bereich aus einem elektrisch isolierenden Keramikmaterial und einen Mantel aus elektrisch leitfähigem Keramikmaterial aufweist. Durch Sintern, bevorzugt durch Drucksintern, eines solchen Grünkörpers wird ein Keramikkörper hergestellt, der als Kondensator verwendet werden kann. An den Keramikkörper wird dann eine Zündelektrode in elektrisch leitender Verbindung mit dem leitfähigen Kern befestigt.
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Der Grünkörper kann vor dem Sintern weiterbearbeitet werden. Beispielsweise kann in einem Endabschnitt der Mantel aus elektrisch leitfähigem Keramikmaterial entfernt werden. Eine weitere Möglichkeit zur Bearbeitung des Grünkörpers ist es, darin einen Kanal zu bohren oder einen bestehenden Kanal zu verbreitern. Nach dem Sintern kann in einen solchen Kanal ein Metallstift gesteckt werden, der dann zusammen mit elektrisch leitfähigem Keramikmaterial den Innenleiter bildet. Bevorzugt weist der Innenleiter zusätzlich eine Glaseinschmelzung auf, die den durch den Keramikkörper führenden Kanal druckdicht verstopft. Für die Glaseinschmelzung kann Glasmaterial auf Basis von Siliziumoxid verwendet werden, das beispielsweise durch Beimischung von Metall- oder Kohlenstoffpartikeln elektrisch leitfähig gemacht wurde.
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Der Innenleiter einer erfindungsgemäßen HF-Zündeinrichtung kann von dem elektrisch leitenden Keramikmaterial alleine gebildet werden, indem der Keramikkörper massiv, d. h. ohne Kanal, ausgebildet wird oder nur ein Sackloch aufweist, in dem die Zündelektrode oder ein sie tragender Metallstift stecken. Bevorzugt hat der Keramikkörper aber einen durchgehenden Kanal, in welchem ein metallischer Leiter angeordnet ist. Der Innenleiter wird dann von einer durch den Kanal hindurch geführten Leitung und dem elektrisch leitfähigem Keramikmaterial, das von dem Isolator umgeben ist, gebildet.
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Für den Isolator einer erfindungsgemäßen HF-Zündeinrichtung können beispielsweise Silicide, Karbide, Boride, Nitride und Oxide verwendet werden. Besonders geeignet sind insbesondere Aluminiumoxid oder Siliciumnitrid. Durch Zugabe von elektrisch leitfähigem Material, bevorzugt leitfähigem Keramikmaterial wie beispielsweise Titannitrid, Lanthanchromoxid oder Molybdänsilizid, zu einem isolierenden Keramikmaterial kann ein elektrisch leitfähiges Keramikmaterial für den inneren und/oder äußeren Bereich des Keramikkörpers geschaffen werden. Zu Aluminiumoxid können insbesondere Titannitrid oder Lanthanchromoxid beigemischt werden. Keramikmaterial auf Basis von Siliciumnitrid kann besonders vorteilhaft durch Beimischung von Molybdänsilizid leitfähig gemacht werden.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Es zeigen:
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1 einen Grünkörper für die Herstellung einer Zündeinrichtung;
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2 einen aus dem Grünkörper hergestellten Keramikkörper;
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3 eine HF-Zündeinrichtung mit dem in 2 dargestellten Keramikkörper.
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Zur Herstellung einer HF-Zündeinrichtung wird zunächst durch Koextrusion ein in 1 dargestellter Grünkörper hergestellt, der einen Kern aus einem elektrisch leitenden Keramikmaterial 3, eine den Kern umgebende Schicht aus einem elektrisch isolierenden Keramikmaterial 1 und eine Außenschicht aus elektrisch leitfähigem Keramikmaterial 2 aufweist. Ein solcher Grünkörper kann als massiver Zylinder hergestellt werden, in den anschließend der in 1 dargestellte Kanal 4 gebohrt wird. Prinzipiell ist es auch möglich, den Grünkörper bereits mit dem Kanal 4 zu extrudieren.
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Die elektrisch isolierende Schicht 1 besteht bevorzugt aus Aluminiumoxid oder Siliziumnitrid. Das elektrisch leitende Keramikmaterial 2, 3, zwischen dem die elektrisch isolierende Schicht 1 eingeschlossen ist, kann auf Basis desselben isolierenden Keramikmaterials hergestellt werden, das durch Zugabe elektrisch leitender Zusätze, beispielsweise Mangansilizid oder Lanthanchromoxid, elektrisch leitend gemacht wird.
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In einem weiteren Bearbeitungsschritt wird die elektrisch leitfähige Außenschicht 2 in einem Endbereich des Grünkörpers entfernt, beispielsweise durch Abdrehen. Bevorzugt ist dabei, dass sich der Grünkörper in diesem vorderen Bereich, der von der elektrisch leitenden Keramik unbedeckt ist, konisch verjüngt, wie dies in 2 dargestellt ist. Bei dem Ausführungsbeispiel wird in den Grünkörper ferner eine Stufenbohrung 4a eingebracht, die den durchgehenden Kanal 4 erweitert. Die Stufenbohrung 4a ist dabei so bemessen, dass auch in dem aufgebohrten Bereich die Innenseite des Grünkörpers aus elektrisch leitfähigem Keramikmaterial 3 besteht.
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Der Grünkörper wird anschließend unter Druck gesintert und aus dem so erzeugten Keramikkörper 5 die in 3 schematisch dargestellte HF-Zündeinrichtung zusammengebaut.
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Wie 3 zeigt, ist in den Keramikkörper 5 als Teil des Innenleiters ein Metallstift 12 eingesetzt. Der Metallstift 12 ragt bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus dem brennraumseitigen Ende des Keramikkörpers heraus und bildet dort die Zündelektrode 12b. Der durch den Keramikkörper 5 hindurchführende Kanal ist mit einer Glaseinschmelzung 16 abgedichtet, die den Metallstift 12 umgibt. Alternativ oder zusätzlich kann der Metallstift 12 auch in den Keramikkörper 5 eingelötet sein, insbesondere mit Aktivlot.
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Der Metallstift 12 hat bevorzugt einen Abschnitt 12a mit verbreitertem Durchmesser, der an einer Schulter des durch den Keramikkörper 5 verlaufenden Kanals 4 anliegt. Der Abschnitt 12a und die Schulter des Kanals 4 können mit konischen Ringflächen aneinander anliegen. Ein brennraumferner Endabschnitt des Metallstifts 12 ist elektrisch leitend an einen Kontaktstift 13 angeschlossen. Bevorzugt sind der Kontaktstift 13 und der Metallstift 12 ineinander gesteckt. Ein elektrischer Kontakt zwischen dem Kontaktstift 13 und dem Metallstift 12 kann aber beispielsweise auch erreicht werden, in dem diese mit ihren Endflächen aneinanderstoßen oder über eine elektrisch leitfähige Füllmasse, beispielsweise Glas, Lot oder leitfähiger Kleber verbunden sind.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der den Innenleiter bildende Metallstift 12 an eine Spule 10 angeschlossen, die Teil einer Schaltung zur HF-Anregung der Zündelektrode ist. Anstelle einer Spule kann beispielsweise auch ein piezoelektrischer HF-Generator verwendet werden. Ein weiteres Teil der Schaltung zur HF-Anregung der Zündelektrode 12b ist der von dem Keramikkörper 5 gebildete Kondensator, dessen Dielektrikum das elektrisch isolierende Keramikmaterial 1 ist.
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In 3 ist das brennraumferne Ende der HF-Zündeinrichtung nicht dargestellt. Zu sehen ist jedoch der Beginn der an der Innenleiter angeschlossenen Spule 10 sowie der dazugehörende Spulenkörper 9.
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Der Keramikkörper 5 ist in ein metallisches Gehäuseteil 6 eingesetzt, das bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein Außengewinde aufweist. Für eine Montage an dem Zylinder eines Verbrennungsmotors kann anstelle eines Außengewindes beispielsweise auch eine Stecklösung mit einer Spannpratze verwendet werden.
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Der Keramikkörper 5 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit dem Gehäuseteil 6 über eine oder mehrere Metallhülsen 14a, 14b verbunden, um ein Einpressen des Keramikkörpers in das Gehäuseteil 6 zu ermöglichen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei Metallhülsen vorhanden, die so kurz sind, dass diese auch als Ringe bezeichnet werden können. Die Metallhülsen 14a, 14b sind auf die elektrisch leitfähige Außenschicht 2 des Keramikkörpers 5 aufgelötet oder mit einem leitfähigen Kleber aufgeklebt. Der Keramikkörper 5 kann an sich aber auch direkt mit dem Gehäuseteil 6 verbunden werden, beispielsweise durch Löten.
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Der brennraumseitige Teil des Gehäuses, nämlich das Gehäuseteil 6 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit einem weiteren Gehäuseteil, nämlich einem Rohr 11 verbunden, beispielsweise durch Schweißen. Der von dem Gehäuse umgebene Innenraum ist mit einer elektrisch isolierenden Vergussmasse 8 aufgefüllt, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Spule 10 umgibt.
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Die beiden Gehäuseteile 6, 11 sind bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel miteinander verschweißt. In 3 ist eine Dichtung 15 dargestellt, die auf dem brennraumseitigen Gehäuseteil 6 aufliegt.
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Der Innenleiter einer HF-Zündeinrichtung wird häufig auch als Mittelelektrode bezeichnet. Die Mittelelektrode kann wie bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel in die Zündspitze übergehen, deren Form frei wählbar ist. Möglich ist es auch, die Zündspitze als ein zusätzliches Teil auszubilden, das beispielsweise aus einer abbrandfesten Metallegierung hergestellt sein kann. Der Metallstift 12 kann homogen ausgeführt sein oder zur Verbesserung der Leitfähigkeit einen Kupferkern aufweisen, der von einem hochschmelzenden Metall umgeben ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektrisch isolierendes Keramikmaterial
- 2
- elektrisch leitfähiges Keramikmaterial
- 3
- elektrisch leitendes Keramikmaterial
- 4
- Kanal
- 4a
- Stufenbohrung
- 5
- Keramikkörper
- 6
- Gehäuseteil
- 8
- Vergussmasse
- 9
- Spulenkörper
- 10
- Spule
- 11
- Gehäuseteil
- 12
- Metallstift
- 12a
- Abschnitt
- 12b
- Zündelektrode
- 13
- Kontaktstift
- 14a
- Metallhülse
- 14b
- Metallhülse
- 15
- Dichtung
- 16
- Glaseinschmelzung
