DE2109415B2 - Hochspannungszuendkerze und verfahren zu deren herstellung - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Hochspannungszündkerze mit einem gasdicht in ein Metallgehäuse eingebauten Isolator aus oxidkeramischen Stoffen, dessen Fuß den Verbrennungsgasen einer Brennkraltmaschine ausgesetzt ist, und befaßt sich mit dem Problem, dem Aussetzen der Zündung infolge Verbleiung und Verrußung des Isolatorfußes entgegenzuwirken und ein einfaches Verfahren für die Herstellung von in dieser Hinsicht verbesserten Zündkerzen zu finden.

Die guten mechanischen Eigenschaften, die gute Wärmeleitfähigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit sowie der große elektrische Widerstand von gesintertem Aluminiumoxid haben dazu geführt, daß heute für die Herstellung der Zündkerzenisolatoren ausschließlich keramische Massen verwendet werden, die zum überwiegenden Teil aus Aluminiumoxid zusammengesetzt sind.

Solche Isolatoren werden jedoch von den aus verbleiten Kraftstoffen entstehenden Bleiverbindungen angegriffen. Insbesondere das bei 870" C flüssig werdende Bleioxid PbO wirkt korrodierend und auflösend, insbesondere dann, wenn dem Isolator Flußmittel zur Herabsetzung der Brenntemperatur beigesetzt sind.

Da die von den Verb/ennungsgasen umspülten Teile der Zündkerze hohe Temperaturen annehmen, sind diese durch solche Bleiniederschläge besonders gefährdet: die Elektroden verkrusten, und es entsteht oft ein glasurartiger Überzug auf dem Isolatorfuß, dessen elektrischer Widerstand sich bei höheren Temperaturen so erniedrigen kann, daß bei den einfachen Batteriezündanlagen die elektrische Energie sich nicht mehr als Funken zwischen den Elektroden entlädt, sondern über diesen Nebenwiderstand abfließt, so daß es zu Zündaussetzern kommt.

Um Zündaussetzer dieser Art zu vermeiden, hat man sich bisher meistens darauf beschränkt, durch konstruktive Maßnahmen zu bewirken, daß der Isolatorfuß mit möglichst wenig Kraftstoffmolekülen in Berührung kommt Diese Bemühungen brachten jedoch keinen befriedigenden Erfolg, und deshalb versucht man in neuerer Zeit, durch andere Zündsysteme, z. 8. Hochspannungskondensatorzündsysteme, die ?n der Zündkerze einen steileren Spannungsanstieg bewirken, dem am Isolatorfuß durch Blei- und/oder Rußniederschläge entstehenden Nebenwiderstand seine Gefährlichkeit zu nehmen. Diese Zündsysteme sind jedoch teuer und erzeugen zumeist nur sehr kurze Funken, und dies führt bei manchen Motoren zu Zündschwierigkeiten.

In der US-PS 29 34 667 ist eine Niederspannungszündkerze für Gasturbinen beschrieben mit einem zwischen zwei Elektroden angeordneten Isolator, dessen Oberfläche für Funkenentladungen von hoher Energie mit einer durch Einmengung von Ferriten mit Spinellstruktur halbleitend gemachten Glasur überzogen ist. Die Herstellung einer solchen Glasur ist aufwendig und ihr Wärmeausdehnungsverhalten muß wegen der Sprödheit der Glasphase ziemlich genau an das des Isolators angepaßt werden. Da Kraftstoffe für Gasturbinen nicht verbleit sind, braucht der Isolator gegen Verbleiung nicht geschützt zu werden.

Um der Verbleiung des Isolatorfußes direkt entgegenzuwirken, ist dieser gemäß US-PS 19 80 182 zuerst mit einer Glasur versehen worden, und auf diese Glasur wurde dann durch Bestreichen, Tauchen oder Aufspritzen eine Schicht aus Zirkonoxid oder aus anderen Oxiden der Metalle Beryllium, Calcium, Barium. Strontium, Magnesium, Scandium, Titan, Cer oder Aluminium aufgetragen. Sodann wurde der so präparierte Isolator bei 2500° Fahrenheit (~1350°C) höher gebrannt, wobei die aufgetragenen Oxide mit dem Schmelzfluß der Glasur verkittet wurden, so daß der Isolatorfuß sich mit einer dichten, festhaftenden verglasten Schicht überzog.

Eine solche Schicht ist — je nach dem verwendeten Metalloxid — gege> Bleiangriffe resistenter als eine reine Glasur; trotzdem verbleibt eine Glasphase, und diese nimmt Bleioxid auf (Bleiglas). Der bei höheren Temperaturen sich ohnehin stark verringernde elektrische Widerstand der Glasur wird dadurch noch weiter verkleinert.

Um diesem Nachteil zu begegnen, ist gemäß US-PS 32 78 785 vorgesehen, das gegen Bleiangriffe resistente hitzebeständige Material durch Plasmaspritzen im flüssigen Zustand auf den Fuß des im wesentlichen aus Aluminiumoxid und einem kleinen Anteil Siliziumoxid bestehenden Isolators aufzutragen. Als für diesen Zweck geeignet sind reines Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Berylliumoxid, Oxide seltener Erden und hitzebeständige Karbide und Nitride genannt. Daß jedoch reines Aluminiumoxid bevorzugt wird, obwohl dieses bekanntlich von Bleioxid angegriffen wird, hängt offenbar mit den Schwierigkeiten zusammen, die sich sonst aus dem unterschiedlichen Wärmeausdehnungsverhalten ergeben würden. Zwar geben die mit sehr hoher Temperatur auf den Isolatorfuß auftreffenden schmelzflüssigen Beschichtungsteilchen einen großen Teil ihrer Wärme an diesen ab, wobei sich die Temperaturunterschiede verringern, der heftige Wärmeschock macht dieses Verfahren jedoch problematisch. Da die auf den Isolatorfuß aufgespritzte Schicht aus reinem Aluminiumoxid keine Glasphase mehr enthält, wird eine solche Kerze gegen Verbleiung unempfindlicher als ein ungespritzter Isolator mit glasigen Anteilen. Dieses Verfahren ist jedoch kostspielig und für eine Massenfertigung nicht geeignet und hat

deshalb keine größere praktische Bedeutung erlangt

Gegenüber dem Stande der Technik, wie er sich durch die beiden oben angegebenen US-Patentschriften darstellt, liegt der Erfindung eine erweiterte Aufgabenstellung zugrunde.

Sie sucht sowohl nach Wegen zur Verringerung der Verrußung als auch zur Verbesserung der Resistenz gegen Bleiangriffe und will außerdem die genannten Nachteile der bekannten Verfahren vermeiden.

Während bisher eine möglichst kompakte und mit dem Isolatorfuß verschmolzene Schutzschicht angestrebt wurde, geht die Erfindung von diesem Prinzip ab und sieht einen lockeren Verband der die Beschichtung bildenden Stoffe vor, der, obwohl genügend fest am Isolator haftend, doch nachgiebig genug ist, werkstoffbedingte und temperaturbedingte Ausdehnungsunterschiede schadlos auszuhalten und deshalb auch sehr temperaturwechselbeständrg ist. Diese aufgelockerte Konstitution der Schutzschicht wird dadurch erreicht, daß deren sie bildende Stoffteilchen als feingemahlene Aufschlämmung auf den Fuß des ungebrannten (grünen) oder vorgebrannten, aber noch nicht dicht gesinterten Isolatorformlings aufgetragen werden und dieser mit der seiner eigenen Zusammensetzung entsprechenden Temperatur gebrannt wird. Der Isolatorformling wird im Trockenpreßverfahren aus oxidkeramischen Massen hergestellt, die im wesentlichen aus Aluminiumoxid und einem kleinen Anteil Flußmittel bestehen. Für die Beschichtung werden keine Flußmittel zugesetzt, sondern nur oxidkeramische Stoffe verwendet, die einen hohen elektrischen Widerstand aufweisen, deren Schmelzpunkt vorzugsweise höher liegt als der von Aluminiumoxid, und die gegen Bleiangriffe widerstandsfähig sind. Das Auftragen der Beschichtung erfolgt, z. B. durch kurzes Eintauchen des Fußes des gepreßten Isolatorformlings in die Aufschlämmung, wobei seine Bohrung durch eine Nadel verschlossen gehalten wird, oder durch Aufspritzen der Aufschlämmung. Der im Trockenpreßverfahren stark verdichtete Formling saugt dabei Wasser aus der Aufschlämmung in sich hinein und zieht die im Wasser schwebenden oxidkeramischen Teilchen an sich, die sich auf ihm aufschichten, wie sie mit ihrer unterschiedlichen Form und Größe gerade ankommen. Nach dem Trocknen erfolgt das Brennen bei der Temperatur, die für das Sintern des im wesentlichen aus Aluminiumoxid und einem kleinen Anteil Flußmittel bestehenden Isolators erforderlich ist. Diese Temperatur beträgt etwa 1600 bis 1650° C. Aus der geschilderten Auswahl der Stoffe und aus der unterschiedlichen Herstellung des Isolatorformlings und der Beschichtung ergibt es sich, daß der Isolator nach dem Brennen dicht und gut wärmeleitend ist, die Schutzschicht dagegen nicht. Diese hat eine rauhere Oberfläche und ein aufgelockertes Gefüge mit kleinen Hohlräumen, insbesondere am Übergang zum Isolator, wo offenbar Grenzreaktionen stattfinden, wie aus dem Vorhandensein größerer Kristalle zu schließen ist.

Es hat sich gezeigt, daß unter den obengenannten Voraussetzungen sich auch solche Stoffe für die Schutzschicht verwenden lassen, die in der Wärmeausdehnung mit dem Isolator nicht übereinstimmen. Dies hängt, wie auch die gute Temperaturwechselbeständigkeit, offenbar ebenfalls mit ihrem aufgelockerten und weniger kohärenten Gefüge zusammen. Obwohl Magnesiumoxid MgO eine wesentlich größere Wärmeausdehnung hat als Aluminiumoxid, hat es sich selbst bei Dauerversuchen für die Beschichtung als sehr gut erwiesen und große Vorteile gegen Verbleiung erbracht bei deutlicher Verringerung der Gefahr von Zündaussetzern infolge Verrußung, z. B. bei langandauerndein Stadtverkehr.

MgO ist preiswert, und sein spezifischer elektrischer Widerstand liegt — genügende Reinheit vorausgesetzt — außerordentlich hoch. Sein Schmelzpunkt hegt bei 2642° C. also ca. 600⁰C höher als der von Aluminiumoxid.

Andere in Betracht kommende, gegen Bleiangriffe widerstandsfähige metalloxidische Stoffe, die bisher noch nicht vorgeschlagen wurden, sind der Magnesia-Tonerde-Spinell MgO · AI2O3 und Thoriumoxid ThO₂ (Schmelzpunkte 2135° C und etwa 3000° C). Obwohl der genannte Spinell sehr ähnliche Ausdehnungskoeffizienten hat wie Aluminiumoxid, ergaben damit beschichtete Zündkerzen keine so guten Ergebnisse wie mit Magnesiumoxid beschichtete. Thoriumoxid ist teuer und radioaktiv und kommt deshalb weniger in Frage.

Außer den aus nur einem einzigen Metalloxid bestehenden Beschichtungen kommen auch Mischungen aus mehreren keramischen Stoffen mit großem elektrischen Widerstand in Betracht. Die Dicke der Schutzschicht kann jeweils durch die Konzentration der Aufschlämmung und die Eintauch- bzw. Spritzdauer eingestellt werden. Die Schichtdicke liegt vorzugsweise zwischen 0,1 bis 0,3 mm, ist jedoch nicht auf diese Maße beschränkt.

Als Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden eine in der Zeichnung im Längsschnitt dargestellte Zündkerze näher erläutert (F i g. 1). Dabei ist der vordere Teil des Isolatorfußes als stark vergrößertes Detail herausgezeichnet (F i g. 2).

Es handelt sich um eine Hochspannungszündkerze, bei welcher der Isolatorfuß la aus dem zündseitigen Ende des Kerzengehäuses 2 hervorsteht und die zwischen der Mittelelektrode 3 und der Masseeiektrode 4 liegende Funkenstrecke in den (nicht gezeichneten) Verbrennungsraum hineinragt. Diese vorgezogene Lage begünstigt die Entzündung des Gemisches; solche Zündkerzen haben den Vorteil eines einfachen Aufbaus, sind jedoch stärker der Gefahr des Verbleiens ausgesetzt, besonders wenn sie vom Frischgasstrom berührt werden.

Der Kerzenisolator 1 besteht im wesentlichen aus Aluminiumoxid mit einem Flußmiitelzusatz und ist mittels einer eingestampften Pulverdichtung 5, einem Dichtring 6 und einem Bördel 7 gasdicht in das Kerzengehäuse 2 eingebaut. In den Isolator 1 ist eine elektrisch leitende Pulverdichtung 8 eingestampft, die auf einen Kopf 3a der Mittelelektrode 3 drückt. Der Anschluß der Kerze an das (nicht gezeichnete) Zündkabel erfolgt an einem Anschlußbolzen 9, der mit Kitt 10 im Isolator 1 befestigt und mit einem zugespitzten Stift 11 in die elektrisch leitende Pulverdichtung 8 hineingepreßt ist. Der Isolatorfuß la ist mit einer Schicht 12 bedeckt, deren Gefüge aufgelockerter und weniger kohärent ist als das des Isolators. Diese Schicht besteht vorzugsweise aus Magnesiumoxid oder aus einem oder mehreren anderen hochtemperaturbeständigen und elektrisch gut isolierenden metalloxidischen Stoffen, welche von den aus dem Kraftstoff herrührenden Bleiverbindungen, ja selbst von flüssigem PbO, nicht merklich angegriffen werden.

Um die Schicht 12 zu erhalten, werden die sie bildenden Stoffteilchen als feingemahlene Aufschlämmung auf den Fuß des ungebrannten oder vorgebrannten, aber noch nicht dicht gesinterten Isolatorformlings

aufgetragen und dieser mit der Temperatur gebrannt, die seiner hauptsächlich aus Aluminiumoxid und einem kleinen Anteil von Flußmitteln bestehenden Zusammensetzung entspricht. Bei den heute üblichen keramischen Massen für Zündkerzenisolatorcn liegt diese Brenntemperatur gewöhnlich zwischen 1600 bis 1650" C. Das Auftragen der Schicht 12 erfolgt im Tauch- oder Sprühverfahren.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche: ^^

1. Hochspannungszündkerze mit einem zum überwiegenden Teil aus Aluminiumoxid und einem kleinen Anteil von Flußmitteln bestehenden Isolator, dessen den Verbrennungsgasen ausgesetzter Fuß mit einer hochtemperaturbeständigen, elektrisch isolierenden und gegen Bleiangriffe schützenden Metalloxidschicht bedeckt ist, dadurch gekennzeichnet, daß diese Schutzschicht (12) aus einem oder mehreren Stoffen besteht, die eine Schicht (12) mit im Vergleich zum Isolator (1) stark aufgelockertem Gefüge mit Hohlräumen und rauher Oberfläche bilden.

2. Hochspannungszündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (12) aus Magnesiumoxid besteht.

3. Verfahren zur Herstellung eines isolators von Hochspannungszündkerzen der im Anspruch 1 oder 2 genannten Art, dadurch gekennzeichnet, daß auf den ungebrannten (oder vorgebrannten, aber noch nicht dicht gesinterten) Isolatorformling die die Schicht (12) bildenden Stoffteilchen als feingemahlene Aufschlämmung aufgetragen werden und danach der Isolatorformling mit Dichtbrenntemperatur gesintert wird.