DE102015214057B4

DE102015214057B4 - Verfahren zur Herstellung einer Zündkerze mittels einer mit Pulver befüllten Kapsel sowie Zündkerze

Info

Publication number: DE102015214057B4
Application number: DE102015214057.1A
Authority: DE
Inventors: Oliver Berkemeier; Helmut Ruhland; Bernd Steiner; Krystian Dylong
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2015-07-24
Filing date: 2015-07-24
Publication date: 2017-12-28
Anticipated expiration: 2035-07-25
Also published as: DE102015214057A1; CN106374339B; US20170025827A1; BR102016014686A2; CN106374339A; US10090649B2

Abstract

Verfahren zum Herstellen von Zündkerzen (1) und mit den Schritten: – Bereitstellen eines Zündkerzenrohlings (2, 8) mit einem Isolator (2), der einen sich entlang einer Längsachse des Isolators (2) erstreckenden Hohlraum (5) besitzt; – Anordnen einer Zentralelektrode (3) in dem Hohlraum (5) des Isolators (2), so dass ein Ende der Zentralelektrode (3) über ein Brennkammerende (4) des Isolators (2) hinausragt; – Bereitstellen einer mit wenigstens einem Pulver gefüllten Kapsel (10); – Einführen der Kapsel (10) in den Hohlraum (5) des Isolators (2); – Anordnen einer Anschlusselektrode (6) in dem Hohlraum (5) des Isolators (2), so dass ein Ende der Anschlusselektrode (6) über ein Anschlussende (7) des Isolators (2) hinausragt; und – Erhitzen der Kapsel (10).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Zündkerzen sowie eine mit dem Verfahren hergestellte Zündkerze.
Zündkerzen werden in Ottomotoren, Gasturbinen und manchen Brennöfen verwendet, um ein in einer Brennkammer befindliches Luft-Gas-Gemisch durch Erzeugung eines Zündfunkens zu entzünden. Üblicherweise wird dabei von einer Zündspule eine hohe Spannung generiert, die an einer Zentralelektrode der Zündkerze anliegt und zwischen der Zentralelektrode und einer in der Nähe der Zentralelektrode angeordneten Massenelektrode durch Überspringen den Zündfunken erzeugt.
Die Zündspannung erreicht die Zentralelektrode über einen elektrischen Widerstand. Dieser elektrische Widerstand wird üblicherweise im Inneren eines keramischen Isolators der Zündkerze erzeugt, indem ein Pulver in den Isolator gefüllt und dort durch Erhitzen zu einem Widerstand verschmolzen oder gesintert wird. Dabei kann auch eine Abfolge von verschiedenen Pulvern verwendet werden, beispielsweise kann auf eine Schicht eines Pulvers mit einem vergleichsweise niedrigen Widerstand ein solches mit einem höheren folgen, worauf abschließend wieder eine Pulverschicht des Pulvers mit niedrigem Widerstand aufgebracht wird. Die Schichten des Pulvers mit niedrigem Widerstand verbessern die Kontaktierung der Zentralelektrode einerseits und der Anschlusselektrode andererseits an den zu erzeugenden elektrischen Widerstand. Nachteilig ist dabei der hohe Aufwand für das Einfüllen der Pulver in den Isolator der Zündkerze.
Die DE 41 42 982 A1 zeigt ein elektrisch leitendes Bauelement, wie eine Zündkerze, mit einem Isolator und wenigstens einem durch den Isolator hindurchführenden Leiter, der aus wenigstens zwei Teilen besteht. Bei der Herstellung des Bauelements wird in dem Isolator wenigstens eine Bohrung vorgesehen und die beiden Leiterteile werden in der Bohrung über eine Glaseinschmelzung verbunden und fest angeordnet. Für die Glaseinschmelzung wird ein vorgepresster und vorgesinterter Glasgranulatteil zwischen den Leiterteilen in der Bohrung angeordnet. Die dadurch gebildete Anordnung wird annähernd auf die Schmelztemperatur des Glasgranulatteils erwärmt. Die Leiterteile werden gegeneinander gepresst, wodurch ein elektrischer Kontakt zwischen den Leiterteilen hergestellt wird, und danach wird die in dieser Weise erzeugte Glaseinschmelzung im Isolator erkalten gelassen.
Die DE 22 45 403 A zeigt eine elektrisch leitende Dichtungsmasse für Verbindungen zwischen Anschlusselektrode und Mittelelektrode in der Isolatorlängsbohrung von Zündkerzen. Die Dichtungsmasse besteht im Wesentlichen aus Borosilicatglas, einer pulverförmigen elektrisch leitenden Komponente sowie Ruß. Zur Herstellung der Dichtungsmasse werden ein Glaspulver mit einer wässrigen Lösung oder Emulsion eines organischen Bindemittels wie Dextrin, Methylzellulose und/oder Wachs benetzt und dann die verbleibenden Komponenten nacheinander oder gleichzeitig auf das Glaspulver aufgebracht, wobei die Korngröße des Glaspulvers mindestens das Zehnfache derjenigen der übrigen Pulver beträgt.
Die EP 1 706 924 B1 zeigt ein Verfahren zum Herstellen eines Zentraldrahtaufbaus zur Benutzung in einer Zündkerze. Dabei wird eine Zündungselektrode in eine Längsbohrung eines Isolators, ein leitendes Glaspulver in die Längsbohrung über der Zündungselektrode und eine Zwischenelektrode in die Längsbohrung eingebracht, sodass das Glaspulver zwischen den Zündungs- und Zwischen-Elektroden angeordnet ist. Weiter wird das leitende Glaspulver zusammengeschmolzen, um dadurch eine leitende Dichtung zwischen der Zündungs- und der Zwischen-Elektrode zu bilden. Weiterhin wird ein Widerstandsglaspulver in die Längsbohrung über der Zwischenelektrode und eine abschließende Elektrode in die Längsbohrung eingebracht, sodass das Widerstandspulver zwischen der Zwischen-Elektrode und der abschließenden Elektrode angeordnet ist. Dann wird das Widerstandsglaspulver zusammengeschmolzen, um dadurch eine rauschunterdrückende Dichtung zwischen der Zwischen-Elektrode und der abschließenden Elektrode zu bilden.
Die DE 25 20 787 A1 zeigt eine Zündkerze mit eingebautem Widerstand mit einem Isolierkörper mit axialer Bohrung, einer im oberen Endabschnitt der Bohrung eingepassten Anschlussmutter bzw. einem solchen Anschlussstift, einer im unteren Endabschnitt der Bohrung eingepassten Mittelelektrode, einem im Mittelteil der Bohrung angeordneten Widerstand und Kupfer-Glaselektrodenschichten zwischen der Anschlussmutter bzw. der Mittelelektrode und dem Widerstand. Der Widerstand ist dabei aus einer gebrannten und verfestigten Widerstandspulvermischung erzeugt, die aus 30 bis 10 Volum % eines Zinnoxid enthaltenden Widerstandshauptkomponentenpulvers, aus 35 bis 85 Volum % eines isolierenden keramischen Füllstoffpulvers mit relativ hohem spezifischen Widerstand im Vergleich zum Widerstandshauptkomponentenpulver und aus 35 bis 5 Volum % Glaspulver mit einer Erweichungstemperatur im Bereich zwischen 300 und 600°C besteht.
Die Erfindung macht es sich zur Aufgabe, ein verbessertes Herstellungsverfahren für eine Zündkerze und eine einfacher herzustellende Zündkerze bereitzustellen.
Die obengenannte Aufgabe wird gelöst durch ein Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 1 sowie eine Zündkerze gemäß Anspruch 11.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Zündkerzen und besitzt wenigstens folgende Schritte:

– Bereitstellen eines Zündkerzenrohlings mit einem Isolator, der einen sich entlang einer Längsachse des Isolators erstreckenden Hohlraum besitzt;
– Anordnen einer Zentralelektrode in dem Hohlraum des Isolators, so dass ein Ende der Zentralelektrode über ein Brennkammerende des Isolators hinausragt;
– Bereitstellen einer mit wenigstens einem Pulver gefüllten Kapsel;
– Einführen der Kapsel in den Hohlraum des Isolators;
– Anordnen einer Anschlusselektrode in dem Hohlraum des Isolators, so dass ein Ende der Anschlusselektrode über ein Anschlussende des Isolators hinausragt; und
– Erhitzen der Kapsel.

Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren besitzt den Vorteil, eine schnelle und zuverlässige Befüllung des Hohlraums des Isolators der Zündkerze mit dem wenigstens einen Pulver zu ermöglichen. Die Pulvermenge und gegebenenfalls eine gewünschte Schichtabfolge von Pulvern kann außerhalb des Isolators einfacher und präziser durchgeführt werden als innerhalb. Die Kapsel lässt sich mit geringem Aufwand in den Isolator einführen, wobei bei Verwendung mehrere verschiedener Pulver eine Schichtabfolge der Pulver aufgrund der Kapselung zuverlässig beibehalten werden kann.
Dabei kann ein zusätzlicher Schritt des Pressens der in dem Hohlraum zwischen der Zentralelektrode und der Anschlusselektrode angeordneten Kapsel vorgesehen sein. Das Pressen erhöht die Festigkeit des beim Erhitzen verschmolzenen oder gesinterten Pulvers und führt zu einer robusteren Zündkerze. Vorzugsweise werden der Schritt des Pressens und der Schritt des Erhitzens gleichzeitig ausgeführt. Das Pressen kann aber vor dem Erhitzen beginnen und/oder einige Zeit nach dem Ende des Erhitzens beibehalten werden, beispielsweise bis die Temperatur wieder unter eine vorbestimmte Schwelltemperatur gefallen ist.
Das Verfahren kann über einen Schritt des Herstellens der mit dem wenigstens einen Pulver gefüllten Kapsel verfügen. Vorzugsweise umfasst dabei der Schritt des Herstellens der Kapsel einen Unterschritt des Herstellens eines Kapselgehäuses und einen Unterschritt des Befüllens der Kapsel mit dem wenigstens einen Pulver. Die Kapsel kann zweiteilig gefertigt werden, so dass ein Kapselkörper mit dem wenigstens einen Pulver befüllt und anschließend durch einen Kapselverschluss verschlossen wird.
Vorzugsweise werden in dem Unterschritt des Befüllens ein erster Bereich der Kapsel mit einem ersten Pulver mit einem ersten elektrischen Widerstand und ein zweiter Bereich der Kapsel mit einem zweiten Pulver mit einem von dem ersten elektrischen Widerstand verschiedenen zweiten elektrischen Widerstand befüllt. Insbesondere kann sich dabei der zweite Bereich in einen ersten Teil und einen zweiten Teil unterteilt, die voneinander räumlich getrennt auf gegenüberliegenden Seiten des ersten Bereichs angeordnet sind. Besonders bevorzugt ist der erste elektrische Widerstand dabei größer als der zweite elektrische Widerstand. Die Teilbereiche mit dem zweiten Pulver stellen eine gute Kontaktierung des mit größerem Widerstand behafteten ersten Bereichs mit dem ersten Pulver sicher. Gerade bei einer solchen Schichtung verschiedener Pulver, ggf. in unterschiedlich starken Schichtdicken, bietet die Verwendung einer Kapsel große Vorteile hinsichtlich des Verfahrensaufwandes.
Das Kapselgehäuse kann wenigstens teilweise aus einem oberhalb einer Schwelltemperatur hitzeflüchtigen Material gefertigt werden. Beispielsweise können die Stirnflächen und/oder die Mantelfläche der Kapsel aus dem hitzeflüchtigen Material gefertigt werden. Geeignete Materialien sind beispielsweise ein Wachs oder ein Polymer. Im Schritt des Erhitzens der Kapsel wird die Kapsel dann über diese Schwelltemperatur erhitzt, so dass sich das hitzeflüchtige Material verflüchtigt, beispielsweise durch Verbrennen oder Verdampfen.
Das Kapselgehäuse kann aber auch ganz oder teilweise aus einem bei der Temperatur im Schritt des Erhitzens nichthitzeflüchtigen Material gefertigt werden. Hierbei ist beispielsweise vorstellbar, die Mantelfläche der Kapsel aus einem elektrisch isolierenden Material und die Stirnflächen aus einem elektrisch leitenden Material zu fertigen. Gegebenenfalls kann das Material der Stirnflächen beziehungsweise die Temperatur im Schritt des Erhitzens so gewählt werden, dass das Material der Stirnflächen schmilzt und so zu einer guten Kontaktierung des widerstandsbehafteten Pulvers beiträgt.
Vorzugsweise ist die Temperatur im Schritt des Erhitzens so gewählt, dass das wenigstens eine Pulver in dem Schritt des Erhitzens der Kapsel gesintert oder geschmolzen wird.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine nach dem Verfahren hergestellte Zündkerze.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Abbildungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Zündkerze, wie sie mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden kann, in einer Schnittdarstellung;
2 eine im Verfahren verwendete Kapsel; und
3 die Kapsel in einer Schnittdarstellung.
1 zeigt eine Zündkerze 1, wie sie mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden kann, in einer Schnittdarstellung. Das Verfahren zur Herstellung der Zündkerze 1 geht von einem Zündkerzenrohling aus, der insbesondere einen Isolator 2 umfasst, aber auch andere Komponenten wie eine Masseelektrode 8, Gewinde und dergleichen mehr aufweisen kann. Der Isolator 2 wird vorzugsweise aus einem hitzebeständigen elektrisch isolierenden Material wie Keramik gefertigt. An einem der Brennkammer eines Verbrennungsmotors oder dergleichen zugewandten Brennkammerende 4 des Isolators 2 ist eine Zentralelektrode 3 vorgesehen, von der eine für den Zündvorgang zu erzeugende hohe elektrische Spannung auf die Masseelektrode 8 überspringt und dabei einen Zündfunken erzeugt. An einem dem Brennkammerende 4 entgegengesetzten Anschlussende 7 des Isolators 2 ist eine Anschlusselektrode 6 angeordnet, die zu der elektrischen Kontaktierung der Zündkerze 1 durch eine Anordnung zur Erzeugung der benötigten Zündspannung wie etwa einer Zündspule dient. Der Isolator 2 weist entlang seiner Längsachse einen Hohlraum 5 auf, in dem die Anschlusselektrode 6 und die Zentralelektrode 3 angeordnet sind. Zwischen der Anschlusselektrode 6 und der Zentralelektrode 3 besteht ein Abstand, der bei der fertigen Zündkerze 1 durch einen elektrischen Widerstand ausgefüllt wird, der an seinen entgegengesetzten Enden durch die Anschlusselektrode 6 und die Zentralelektrode 3 kontaktiert wird.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Zündkerze 1 wird eine mit wenigstens einem Pulver gefüllten Kapsel in dem Hohlraum 5 zwischen der Anschlusselektrode 6 und der Zentralelektrode 3 angeordnet. Die Kapsel wird erhitzt, wodurch bei einigen Ausführungsformen der Erfindung ein Gehäuse der Kapsel aufgelöst wird. Zudem bewirkt das Erhitzen, dass das in der Kapsel enthaltene Pulver zu einem festen Körper verschmilzt oder sintert, wodurch der gewünschte elektrische Widerstand als Bauteil geformt wird. Die Zentralelektrode 3 wird üblicherweise zuerst in den Isolator 2 eingesetzt, bevor die Kapsel und die Anschlusselektrode 6 folgen. Allerdings kann die Reihenfolge auch hiervon abweichen. Die zuletzt eingeführte Elektrode, also üblicherweise die Anschlusselektrode 6, kann verwendet werden, um die Kapsel mit dem wenigstens einen Pulver während des Erhitzens zu pressen, was den Prozess des Verschmelzen oder Sinterns unterstützt.
Die Zündkerze 1 kann abschließend noch mit außen auf dem Zündkerzenrohling angeordneten Gewinden, Dichtungen und dergleichen versehen werden. Auch die Masseelektrode 8 kann nach dem Erhitzen der Kapsel mit dem wenigstens einen Pulver an dem Zündkerzenrohling angebracht werden.
2 zeigt eine Kapsel 10 zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Zündkerze. Die gezeigte Ausführungsform der Kapsel 10 besitzt eine zylindrische Form mit kreisförmigem Querschnitt, es können aber auch Kapseln mit anderen Querschnittsformen vorgesehen sein. Die Kapsel 10 besitzt ein Gehäuse, das bevorzugt aus einem hitzeflüchtigen Material wie beispielsweise ein Polymer oder ein Wachs gefertigt ist und Stirnflächen 11 und eine Mantelfläche 12 besitzt. Bei bestimmten Ausführungsformen der Kapsel 10 können die Stirnflächen 11 aus einem elektrisch leitfähigen Material und die Mantelfläche 12 aus einem elektrisch isolierenden Material gefertigt sein. Hierbei wird für die Stirnflächen 11 bevorzugt ein Material verwendet, das im Schritt des Erhitzens schmilzt und dadurch eine Kontaktierung der Anschluss- beziehungsweise Zentralelektrode 6, 3 einerseits und des Pulvers andererseits unterstützt. Auch für die Mantelfläche kann ein Material verwendet werden, das im Schritt des Erhitzens schmilzt. Bevorzugt wird hierfür jedoch ein Material verwendet, das entweder fest bleibt oder sich verflüchtigt, da ein schmelzendes Material während des Pressens verschoben werden und dadurch die Platzierung des Pulvers beeinträchtigt werden kann.
3 zeigt die Kapsel 10 in einer Schnittdarstellung. Die Kapsel 10 ist in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel mit zwei verschiedenen Pulvern befüllt, von denen sich eines in einem ersten Bereich 14 der Kapsel 10 und das anderen sich in einem zweiten Bereich 13 befindet. Der zweite Bereich 13 unterteilt sich dabei in zwei voneinander durch den ersten Bereich 14 getrennte Teile, die an die Stirnflächen 11 der Kapsel 10 angrenzen. Vorzugsweise ist der erste Bereich 14 mit einem Pulver mit einem höheren elektrischen Widerstand gefüllt als der des Pulvers in dem zweiten Bereich 13. Das Pulver in dem zweiten Bereich 13 dient der zuverlässigen Kontaktierung der Anschluss- beziehungsweise Zentralelektrode 6, 3 und kann bei einer Ausführungsform der Kapsel 10 mit Stirnflächen 11, die aus einem elektrisch leitfähigen Material bestehen und im Schritt des Erhitzens schmelzen, sich aber nicht verflüchtigen, weggelassen beziehungsweise durch das widerstandsbehaftete Pulver des ersten Bereichs 14 ersetzt werden.
Die Kapsel 10 vereinfacht die Herstellung einer Zündkerze 1 und erlaubt, den gewünschten elektrischen Widerstand mit einer größeren Präzision herzustellen.
Bezugszeichenliste

1: Zündkerze
2: Isolator
3: Zentralelektrode
4: Brennkammerende
5: Hohlraum
6: Anschlusselektrode
7: Anschlussende
8: Masseelektrode
10: Kapsel
11: Stirnfläche
12: Mantelfläche
13: zweiter Bereich
14: erster Bereich

Claims

Verfahren zum Herstellen von Zündkerzen (1) und mit den Schritten: – Bereitstellen eines Zündkerzenrohlings (2, 8) mit einem Isolator (2), der einen sich entlang einer Längsachse des Isolators (2) erstreckenden Hohlraum (5) besitzt; – Anordnen einer Zentralelektrode (3) in dem Hohlraum (5) des Isolators (2), so dass ein Ende der Zentralelektrode (3) über ein Brennkammerende (4) des Isolators (2) hinausragt; – Bereitstellen einer mit wenigstens einem Pulver gefüllten Kapsel (10); – Einführen der Kapsel (10) in den Hohlraum (5) des Isolators (2); – Anordnen einer Anschlusselektrode (6) in dem Hohlraum (5) des Isolators (2), so dass ein Ende der Anschlusselektrode (6) über ein Anschlussende (7) des Isolators (2) hinausragt; und – Erhitzen der Kapsel (10).
Verfahren nach Anspruch 1, mit einem zusätzlichen Schritt des Pressens der in dem Hohlraum (5) angeordneten Kapsel (10) zwischen der Zentralelektrode (3) und der Anschlusselektrode (6).
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Schritt des Pressens und der Schritt des Erhitzens gleichzeitig ausgeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einem Schritt des Herstellens der mit dem wenigstens einen Pulver gefüllten Kapsel (10).
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der Schritt des Herstellens der Kapsel (10) einen Unterschritt des Herstellens eines Kapselgehäuses (11, 12) und einen Unterschritt des Befüllens der Kapsel (10) mit dem wenigstens einen Pulver umfasst.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem in dem Unterschritt des Befüllens ein erster Bereich (14) der Kapsel (10) mit einem ersten Pulver mit einem ersten elektrischen Widerstand und ein zweiter Bereich (13) der Kapsel (10) mit einem zweiten Pulver mit einem von dem ersten elektrischen Widerstand verschiedenen zweiten elektrischen Widerstand befüllt werden.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem sich der zweite Bereich (13) in einen ersten Teil und einen zweiten Teil unterteilt, die voneinander räumlich getrennt auf gegenüberliegenden Seiten des ersten Bereichs (14) angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, bei dem der erste elektrische Widerstand größer als der zweite elektrische Widerstand ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, bei dem das Kapselgehäuse (11, 12) wenigstens teilweise aus einem oberhalb einer Schwelltemperatur hitzeflüchtigen Material gefertigt wird und bei dem im Schritt des Erhitzens der Kapsel (10) die Kapsel (10) über die Schwelltemperatur erhitzt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das wenigstens eine Pulver in dem Schritt des Erhitzens der Kapsel (10) gesintert oder geschmolzen wird.
Zündkerze (1), hergestellt in dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10.