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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zündkerze mit einem verbesserten Abbrandwiderstand sowie ein Verfahren zur Herstellung einer verbesserten Zündkerze.
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Zündkerzen sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Ein Problemkreis bei zukünftigen Zündkerzen betrifft dabei ein Ansteigen eines Zündspannungsbedarfs in Verbindung mit modernen Brennkraftmaschinen. Hierdurch können verstärkt Störwirkungen durch die Zündkerze auftreten. Ebenfalls werden in modernen Fahrzeugsystemen verstärkt digitale Kommunikationssysteme verwendet, bei denen ebenfalls keine Störung durch Verwendung der Zündkerze vorkommen darf. Neben der Vermeidung von Störwirkungen müssen auch die Anforderungen durch die erhöhten Belastungen, insbesondere hinsichtlich des Abbrandwiderstands der Zündkerze, erfüllt werden. Üblicherweise besteht der Abbrandwiderstand aus einer Glaseinschmelzung mit einem Netzwerk aus elektrisch leitfähigen Schichten. Aufgrund des ansteigenden Zündspannungsbedarfs treten jedoch bei derartigen Zündkerzen verstärkt Beschädigungen des Abbrandwiderstandes auf. Da Glas ein schlechter Wärmeleiter ist, wird vermutet, dass aufgrund von Verlustwärme lokal hohe Temperaturen auftreten, welche zu Schädigungen des Abbrandwiderstands und somit zu einem Ausfall der Zündkerze führen können.
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Aus der
DE 10042424 A1 ist ferner eine Zündkerze mit einem Drahtwiderstand bekannt, welcher um einen Widerstandsträger gewickelt wird und mittels zweier metallischer Endkappen anschlussseitig und zündseitig elektrisch kontaktiert wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Zündkerze mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass ein verbesserter Abbrandwiderstand der Zündkerze bereitgestellt wird, wodurch eine Beschädigung im Betrieb aufgrund von erhöhten lokalen Temperaturen vermieden werden kann. Ferner kann der erfindungsgemäße Abbrandwiderstand sehr einfach und kostengünstig bereitgestellt werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Zündkerze eine elektrische Verbindungsanordnung zum Verbinden eines elektrischen Anschlusses der Zündkerze mit einer Mittelelektrode aufweist, welche einen Leitungsbereich aus einem gesinterten Material umfasst. Durch die Verwendung eines Leitungsbereichs aus einem gesinterten Material kann ein Leiterbahnabschnitt bereitgestellt werden, welcher mit reduzierten Fertigungstoleranzen schnell und kostengünstig herstellbar ist. Hierbei kann als sinterbares Material eine elektrisch leitfähige Keramik verwendet werden, welche hochtemperaturbeständig ist und im Gegensatz zu dem heute verwendeten Kohlenstoff nicht mit der Zeit ausbrennt.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Vorzugsweise ist der Leitungsbereich in Form einer Spirale, insbesondere einer zylindrischen Spirale, angeordnet. Hierdurch kann ein ohmscher Widerstand und eine Induktivität durch Verwendung der Spiralgeometrie erhöht werden. Somit kann insbesondere eine verbesserte Entstörwirkung an der Zündkerze erreicht werden. Vorzugsweise umgibt der spiralförmige Leitungsbereich eine Glaseinschmelzung mit einem weichmagnetischen Füllstoff. Durch die Spiralform des Leitungsbereichs und des weichmagnetischen Füllstoffs entsteht zusätzlich eine Induktivität, welche einen Strom in einer Durchbruchsphase stärker begrenzt als in einer Glimmphase der Zündkerze. Hierdurch kann insgesamt ein ohmscher Wert des Abbrandwiderstands reduziert werden, wodurch sich der Strom und damit eine Entflammfähigkeit in der Glimmphase erhöht.
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Um eine besonders gute elektrische Kontaktierung zu ermöglichen, weist der spiralförmige Leitungsbereich an einem ersten, anschlussseitigen Ende der Spirale einen ersten kreisförmigen Abschluss auf und an einem zweiten, zur Mittelelektrode gerichteten Ende der Spirale einen zweiten kreisförmigen Abschluss auf. Hierdurch ist eine kreisförmige Kontaktierung der Spirale an beiden Enden möglich.
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Weiter bevorzugt umfasst die Zündkerze einen Isolator, wobei der Leitungsbereich zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, in den Isolator integriert ist. Durch den direkten Kontakt zwischen dem Leitungsbereich und dem Isolator kann eine sehr gute Auskopplung von Verlustwärme erreicht werden. Besonders bevorzugt weist der Isolator eine Durchgangsöffnung auf und der Leitungsbereich ist an einem inneren Umfang des Isolators angeordnet. Somit liegt der spiralförmige Leitungsbereich teilweise am inneren Umfang des Isolators frei und kann insbesondere an den Endbereichen sicher kontaktiert werden. Besonders bevorzugt sind der Leitungsbereich aus gesintertem Material und der Isolator als ein einteiliges Sinterbauteil vorgesehen. Hierdurch können insbesondere große Vorteile bei der Fertigung hinsichtlich Kosten und Fertigungsaufwand sowie Fertigungsgenauigkeit erhalten werden. Somit ist ein Teil der elektrischen Verbindungsanordnung, welche den elektrischen Anschluss mit der Mittelelektrode der Zündkerze verbindet, im Isolator geführt. Hierdurch ergeben sich insbesondere bei der Wahl des Widerstandselements zusätzliche Freiheitsgrade.
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Weiter bevorzugt umfasst die elektrische Verbindungsanordnung eine erste und eine zweite leitfähige Glaseinschmelzung sowie eine elektrisch isolierende Glaseinschmelzung, welche in Axialrichtung der Zündkerze zwischen der ersten und zweiten leitfähigen Glaseinschmelzung angeordnet ist. Dabei befindet sich die erste leitfähige Glaseinschmelzung mit dem ersten, anschlussseitigen Ende der Spirale in elektrischem Kontakt und die zweite leitfähige Glaseinschmelzung befindet sich mit dem zweiten, zur Mittelelektrode gerichteten Ende der Spirale in Kontakt.
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Um die elektromagnetische Verträglichkeit der Zündkerze weiter zu verbessern, umfasst die Zündkerze vorzugsweise ein metallisches Gehäuse, welche den Leitungsbereich aus gesintertem Material in axialer Richtung der Zündkerze zur Außenseite vollständig überdeckt.
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Weiter bevorzugt ist der spiralförmige Leitungsbereich derart ausgestaltet, dass eine Dicke des Leitungsbereichs mindestens um den Faktor 10 kleiner ist als eine Breite des Leitungsbereichs. Hierdurch wird ein relativ dünner und flacher Leitungsbereich sichergestellt. Weiter bevorzugt weist die Spirale eine konstante Steigung auf. Vorzugsweise umfasst die Spirale wenigstens 10 Windungen, weiter bevorzugt höchstens 20 Windungen. Ferner ist vorzugsweise ein Abstand zwischen zwei benachbarten Leitungsbahnen der Spirale kleiner als eine Breite der Leitungsbahnen. Vorzugsweise ist die Geometrie der Spirale dabei derart gewählt, dass eine Induktivität des Abbrandwiderstands in einem Bereich von 0,05 µH bis 50 µH liegt. Bevorzugt ist die Spirale zylindrisch.
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Vorzugsweise weist das gesinterte Material für den Leitungsbereich eine Leitfähigkeit von ≥ 10 S/cm auf. Weiter bevorzugt wird als gesintertes Material ein Material verwendet, welches einen Wärmeausdehnungskoeffizienten in einem Bereich von 10 ppm/K bis 14 ppm/K und besonders bevorzugt 12 ppm/K aufweist. Für den Isolator wird vorzugsweise ein Material verwendet, welches einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 8 ppm/K aufweist. Damit das Material des Isolators und das Material des Leitungsbereichs ungefähr den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, wird dem Leitungsbereich vorzugsweise Mullit (Wärmeausdehnungskoeffizient: ca. 5 ppm/K) beigemischt. Hierbei kann eine Beimischung von bis zu 60 Vol.-% Mullit zum Material des Leitungsbereichs erfolgen.
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Das sinterbare Material des Leitungsbereichs ist besonders bevorzugt La(Ca,Cr)O3, (La,Sr)(Ni,Fe)O3, (La,Sr)FeO3, La(Ni,Fe)O3, LaBaCo2O5, YBaCo2O5 oder (La,Sr)2NiO4.
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Weiter bevorzugt ist zwischen dem gesinterten Material des Leitungsbereichs und dem Material des Isolators eine Zwischenschicht vorgesehen, welche einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, welcher zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Leitungsbereichs und des Isolators liegt. Besonders bevorzugt ist die Zwischenschicht Mullit oder ZrSiO4.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Zündkerze mit einem Isolator, wobei in einem ersten Schritt ein Leitungsbereich aus einem sinterbaren Material auf eine Folie aufgebracht wird. Der Leitungsbereich wird vorzugsweise mittels Aufrollen oder Siebdruck aufgebracht. In einem nächsten Schritt wird diese Folie dann in eine Spritzgussform zur Herstellung des Isolators eingelegt. Anschließend wird ein sinterfähiges keramisches Material für den Isolator in die Spritzgussform eingespritzt, um einen Grünling herzustellen. Das Material für den Isolator wird dabei auf der Seite der Folie aufgespritzt, auf welcher der Leitungsbereich aufgebracht wurde und kommt somit in direkten Kontakt mit dem Leitungsbereich. Im letzten Schritt wird der Grünling gesintert, wobei die Folie während des Sintervorgangs verbrennt. Somit wird durch den Sintervorgang ein einstückiges Bauteil, umfassend den Isolator und den Leitungsbereich, hergestellt. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dabei durch eine sehr hohe Genauigkeit aus. Ferner kann durch erfindungsgemäße Verfahren ein reduzierter Fertigungsausschuss erreicht werden. Durch das gleichzeitige Sintern des Leitungsbereichs und des Isolators kann somit durch den Sinterschritt ein einteiliges Bauteil erhalten werden.
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Vorzugsweise wird beim erfindungsgemäßen Verfahren die Folie derart in die Spritzgussform eingelegt, dass die Folie einen Zylinder bildet. Besonders bevorzugt wird die Folie zuerst in eine Zylinderform gebracht und anschließend der Leitungsbereich aus sinterbarem Material aufgebracht. Weiter bevorzugt wird der Leitungsbereich dabei derart auf die Folie aufgebracht, dass die Leiterbahn im Isolator eine Spirale bildet.
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Besonders bevorzugt wird im Isolator im Bereich des spiralförmigen Leitungsbereichs eine isolierende Glaseinschmelzung eingebracht. Vorzugsweise wird bei der isolierenden Glaseinschmelzung dabei ein weichmagnetischer Ferrit, insbesondere in einem Verhältnis bis zu 50 Vol.-%, zugemischt. Weiter bevorzugt wird dem Material für den Leitungsbereich bis zu 60 Vol.-% Mullit beigemischt, um einen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Isolatormaterial und dem Material für den Leitungsbereich möglichst anzugleichen.
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Zeichnung
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
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1 eine schematische Schnittansicht einer Zündkerze gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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2 eine schematische, vergrößerte Teilausschnittsansicht der Zündkerze von 1,
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3 eine schematische, vergrößerte Teilschnittansicht der elektrischen Verbindungsanordnung der Erfindung, und
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4 eine schematische, vergrößerte Teilschnittansicht der elektrischen Verbindungsanordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 eine Zündkerze 1 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst die Zündkerze 1 eine Mittelelektrode 2 und mehrere Masseelektroden 3. Das Bezugszeichen 4 bezeichnet einen elektrischen Anschluss, welcher an der Zündkerze 1 in Axialrichtung X-X gegenüber der Mittelelektrode 2 vorgesehen ist.
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Ferner umfasst die Zündkerze 1 einen keramischen Isolator 5 und eine elektrische Verbindungsanordnung 6. Die elektrische Verbindungsanordnung 6 ist in einer in Axialrichtung X-X verlaufenden Durchgangsbohrung 50 durch den Isolator 5 angeordnet und umfasst einen Leitungsbereich in Form einer Spirale 7, eine erste leitfähige Einschmelzung 11, eine zweite leitfähige Einschmelzung 12 und eine isolierende Einschmelzung 10.
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Der Isolator 5 ist teilweise mit einem metallischen Gehäuse 8 verbunden, welches mit der Masseelektrode 3 verbunden ist. Weiter ist ein Anschlussbolzen 9 in der Durchgangsbohrung 50 des Isolators 5 vorgesehen, welcher den elektrischen Anschluss 4 mit der zweiten leitfähigen Einschmelzung 12 verbindet.
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Die elektrische Verbindungsanordnung 6 ist im Detail in den 2 und 3 dargestellt. Die elektrische Verbindungsanordnung 6 umfasst eine zylindrische Spirale 7 aus einem gesinterten Material. Wie aus 2 ersichtlich ist, ist die Spirale 7 dabei derart im Isolator 5 angeordnet, dass ein innerer Umfang der Spirale 7 in einer inneren Mantelfläche des Isolators 5 liegt, welche die Durchgangsöffnung 50 bildet. Somit kann eine elektrische Kontaktierung der Spirale 7 an ihrem inneren Umfang erfolgen. Zur einfachen Kontaktierung weist die Spirale 7 dabei einen ersten kreisförmigen Abschluss 71 und einen zweiten kreisförmigen Abschluss 72 auf. Somit sind beide Enden der Spirale 7 kreisförmig gebildet, so dass sich eine große elektrische Kontaktfläche am inneren Umfang des Isolators 5 ergibt. Der Isolator 5 und die Spirale 7 sind beide aus sinterbarem Material hergestellt und werden gemeinsam gesintert, so dass der Isolator 5 und die Spirale 7 ein einteiliges Bauteil bilden.
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Der erste ringförmige Abschluss 71 befindet sich dabei mit der ersten leitfähigen Einschmelzung 11 in Kontakt. Der zweite ringförmige Abschluss 72 befindet sich mit der zweiten leitfähigen Einschmelzung 12 in Kontakt. Wie aus 2 ersichtlich ist, ist dabei zwischen der ersten und zweiten leitfähigen Einschmelzung 11, 12 eine isolierende Einschmelzung 10 vorgesehen. Die isolierende Einschmelzung 10 befindet sich somit im Inneren der Spirale 7.
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In axialer Richtung X-X der Zündkerze überdeckt dabei das metallische Gehäuse 8 die Spirale 7 vollständig in axialer Richtung. Hierdurch wird eine zusätzlich verbesserte Abschirmung hinsichtlich einer elektromagnetischen Verträglichkeit der Zündkerze erreicht. Ferner wird durch Verwendung der Spiralform der Leiterbahn eine verbesserte Entstörwirkung durch den induktiven Anteil in der elektrischen Verbindungsanordnung 6 erreicht. Weiterhin wird für das sinterbare Material der Spirale 7 eine elektrisch leitfähige, hochtemperaturbeständige Keramik verwendet, welche im Vergleich zu dem bisher verwendeten Kohlenstoff nicht mehr mit der Zeit ausbrennen.
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Die elektrische Kontaktierung der Mittelelektrode 2 erfolgt dabei über die erste leitfähige Einschmelzung 11. Die elektrische Kontaktierung des elektrischen Anschlusses 4 erfolgt über einen Anschlussbolzen 9 und die zweite leitfähige Einschmelzung 12.
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Wie insbesondere aus 3 ersichtlich ist, ist ein Abstand A zwischen zwei benachbarten Leiterbahnen kleiner als eine Breite B der Leiterbahn. Vorzugsweise beträgt der Abstand A zwischen zwei benachbarten Leiterbahnen dabei die Hälfte der Breite B. Ferner ist eine Dicke D des Leitungsbereichs mindestens um den Faktor 10 kleiner als die Breite B. Hierdurch werden dünne, breite Leiterbahnen erhalten, welche die Spirale 7 bilden. Am ersten und zweiten Ende der Spirale 7 sind die Leiterbahnen im Kreis geführt, so dass eine kreisförmige Kontaktfläche erhalten wird. Dabei kann die Leiterbahn auch mehrfach im Kreis herumgeführt werden, um eine größere Kontaktfläche an der Durchgangsöffnung 50 des Isolators 5 zu erhalten. Die Spirale 7 liegt dabei am inneren zylindrischen Mantel des Isolators frei (vgl. 2).
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Das erfindungsgemäße Verfahren sieht dabei vor, dass der Leitungsbereich aus einem sinterbaren Material auf eine Folie aufgebracht wird. Dies kann beispielsweise durch einen Siebdruckvorgang erfolgen. Anschließend wird diese Folie zu einem Zylinder geformt, in eine Spritzgussform eingelegt und der Isolator mittels eines CIM-Verfahrens (CIM = Ceramic Injection Molding) hergestellt. Dabei umgibt das eingespritzte Keramikmaterial für den Isolator die auf die Folie aufgebrachten Leitungsstrukturen. Der so erzeugte Grünling kann dann aus der Spritzgussform entnommen werden und gesintert werden, wobei die Folie verbrennt. Somit wird ein einstückiges Bauteil, umfassend den Isolator 5 und die Spirale 7, erhalten. Um die Spiralform des Leitungsbereichs zu erhalten, weist die Spritzform vorzugsweise einen vorschiebbaren und zurückziehbaren Kern auf.
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Nachfolgend werden zwei Beispiele für die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Spirale
7 gegeben:
| | Beispiel 1: | Beispiel 2: |
| Durchmesser Bohrung | 4 | mm | 4 | mm |
| Anzahl Windungen | 10 | | 20 | |
| spez. Leitfähigkeit | 10 | S/cm | 40 | S/cm |
| Dicke Leiterbahn | 40 | µm | 40 | µm |
| Breite Leiterbahn | 1000 | m | 550 | µm |
| Abstand Leiterbahnen | 500 | µm | 200 | µm |
| Länge Spirale | 15 | mm | 15 | mm |
| Widerstand | 3142 | Ω | 2856 | Ω |
| rel. Permeabilität | 30 | | 50 | |
| Induktivität | 3,16E+03 | nH | 2,11E+0,4 | nH |
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Der Isolator mit integrierter Spirale 7 kann durch Sintern hergestellt werden, wobei im Beispiel 1 und 2 als Isolatormaterial Al2O3 und als Material für die Spirale Mullit verwendet wurden.
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Durch entsprechende Wahl der Geometrie der Spirale können somit der ohmsche Widerstand und die Induktivität variiert werden. Die Induktivität kann zusätzlich durch einen weichmagnetischen Füllstoff in der isolierenden Einschmelzung 10 erhöht werden. Vorzugsweise liegt die Induktivität in einem Bereich von 0,05 µH bis 50 µH. Der Widerstand der Zündkerze durch die elektrische Verbindungsanordnung 6 liegt vorzugsweise in einem Bereich von 1 kΩ bis 5 kΩ.
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Ferner kann durch die Integration der Spirale 7 in den Isolator 5 eine verbesserte Auskopplung der Verlustwärme in der Spirale 7 ermöglicht werden.
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Falls beim Sintern eine zu starke Wechselwirkung zwischen dem Material des Leitungsbereichs und dem Material des Isolators auftritt, kann zwischen beide Materialien bevorzugt noch eine Zwischenschicht 70 gedruckt werden (vgl. zweites Ausführungsbeispiel 4). Diese kann beispielsweise aus Mullit (3Al2O3x·2SiO2) oder aus ZrSiO4 sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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