DE2512635A1 - Keramischer koerper, insbesondere fuer entstoerelemente fuer zuendkerzen - Google Patents

Keramischer koerper, insbesondere fuer entstoerelemente fuer zuendkerzen

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DE2512635A1 DE19752512635 DE2512635A DE2512635A1 DE 2512635 A1 DE2512635 A1 DE 2512635A1 DE 19752512635 DE19752512635 DE 19752512635 DE 2512635 A DE2512635 A DE 2512635A DE 2512635 A1 DE2512635 A1 DE 2512635A1
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  • Inorganic Insulating Materials (AREA)

Description

ΡΑΠ NTANWALrr
DR.-ING. HANS LEYH
DIPL.-ING. ERNST RATHMANN
Mönchen 71, Melchioretr. 42
Unser Zeichen: A 13 079
CHAMPION SPARK PLUG COMPANY 900 Upton Avenue Toledo, Ohio U.S.A.
Keramischer Körper, insbesondere für Entstörelemente für
Zündkerzen
Die Erfindung betrifft einen keramischen Körper, der sich nach dem Brennen insbesondere als Entstörelement für Zündkerzen eignet.
Entstörelemente für Zündkerzen sollten eine gute mechanische und elektrische Stabilität bei hohen Temperaturen, einen weiten Betriebs-Temperaturbereich, einen gleichmäßigen Widerstand und die Fähigkeit haben, hochfrequente Schwingungen zu dämpfen oder zu unterdrücken, die bei der Zündung in Zündsystemen auftreten.
Das Problem der Eliminierung der Radiofrequenz-Strahlung bei Hochspannungs-Zündsystemen von Brennkraftmaschinen hat große
Lh/fi - 2 -
03841 /0853
Bedeutung erlangt, weil eine derartige Strahlung zu Interferenzen insbesondere im Fernmeldeverkehr und bei der Navigation führt. Durch die zunehmende Anzahl von Automobilen, Booten und Flugzeugen und auch durch die zunehmende Verwendung von Anlagen im Fernmeldeverkehr und bei der Navigation ist dieses Problem schwerwiegend geworden.
Ein typisches Zündsystem für eine Brennkraftmaschine enthält eine Gruppe von Unterbrechern, einen Kondensator, eine Zündspule, eine Zündkerze und Verbindungsleitungen. Wenn der oder die Unterbrecher geschlossen sind, wird über eine Batterie ein Stromfluß in der Primärwicklung der Zündspule erzeugt, wodurch ein Magnetfeld aufgebaut und im Eisenkern der Zündspule Energie gespeichert wird. Wenn die Unterbrecher geöffnet werden, bricht das Magnetfeld zusammen und erzeugt eine Hochspannung an der Sekundärwicklung der Zündspule. Die Hochspannung wird an eine Zündstrecke, d.h. an die Elektroden einer Zündkerze gelegt, wodurch die Impedanz der Zündstrecke stark herabgesetzt wird und ein Funke überspringt. Die Sekundärwicklung und die Zündstrecke bilden einen Resonanzkreis, der zu schwingen beginnt wenn die im Karrt gespeicherte Energie verbraucht wird. Die Schwingungen liegen im Radiofrequenz-Spektrum und sie können zu starkem Rauschen und zu Interferenz in Anlagen der Fernmeldetechnik und der Navigation führen.
In der Vergangenheit wurde gefunden, daß Störende Radiofrequenz-Strahlung aus dem Zündsystem von Brennkraftmaschinen dadurch reduziert oder eliminiert werden kann, daß ein Widerstandselement im Kochspannungszündkreis jeder Zündkerze angeordnet wird. Das Widerstandseleinent kann in der Bohrung des Isolators der Zündkerze untergebracht werden in Reihe mit der Mittelelektrode der Zündkerze oder es kann an einer anderen geeigneten Stelle im Zündsystem, z.B. im Verteiler angeordnet oder auf die Zündkabel verteilt werden.
amm *5 _
809841 /0853
Die bisherigen Entstörelemente, außer den auf die Zündkabel verteilten Widerständen,bestehen gewöhnlich aus einem Kohlenstoff stab, einer Drahtwicklung, einem gesinterten Widerstand oder einer Widerstandsmasse, die zwischen Glasabschlüssen in der Mittelbohrung des Isolators der Zündkerze angeordnet ist.
Das Entstörelement aus Kohlenstoff ist relativ billig, es besteht gewöhnlich aus Kohlenstoff oder Graphit, der in einem Harzbindemittel verteilt ist. Wenn jedoch Entstörelemente dieser Art in einer Zündkerze angeordnet und auf etwa 232°C und darüber (45O°F) während des Betriebs der Brennkraftmaschine erwärmt werden ,neigt der Kohlenstoff dazu, zu oxidieren, wodurch wegen der schnellen Zunahme des Widerstandes bei der Oxidation ein offener Kreis entsteht. Entstörelemente aus glasartigen Materialien und Kohlenstoff, beispielsweise aus Ton, Talk und einem feuerfesten Material, in welchem Kohlenstoff verteilt ist,sind ebenfalls in großem Umfang benutzt worden, es ist jedoch schwierig, diese Entstörelemente mit gleichmäßigem Widerstand herzustellen.
Entstörelemente aus Drahtwicklungen haben keinen so hohen Widerstand wie solche aus Kohlenstoff und sie unterdrücken die unerwünschten Schwingungen mehr durch ihre induktive Impedanz als durch ihre resistive Impedanz. Das drahtgewickelte Entstörelement ist jedoch relativ teuer und es hat Probleme hinsichtlich der Funkenbildung und bei den Anschlüssen der Drahtenden. Drahtgewickelte Entstörelemente benötigen ferner relativ viel Platz und können daher bei kleineren Zündkerzen nicht oder nur schwierig verwendet werden.
Entstörelemente für die Zündkerzen von Brennkraftmaschinen müssen strenge Betriebsbedingungen aushalten, einschließlich einer pulsierenden hohen Energiebelastung. Die Entstörelemente müssen gut Temperaturen im Bereich von z.B. 93°C (200°F) bis über 2O5°C
509841/0853
(400°F) bei pulsierendem Gleichstrom von etwa 15000 Volt aushalten.
Es wurden daher bereits Entstörelemente aus Titanat-Materialien vorgeschlagen, beispielsweise in den US-Patenten 2 864 773 und 2 969 582.
Die Vereinigung der Radiohersteller und die Vereinigung der Automobil-Ingenieure haben versucht, Grenzen für die Interferenz von Brennkraftmaschinen in Anlagen der Fernmeldetechnik und der Navigation zu bestimmen. Diese Grenzen sind in dem Versuchsbericht SAE J551b "Messung von Fahrzeug-Radiointerferenzen" enthalten.
Bei Anwendung dieser Grenzen können Verbesserungen im Betrieb von Fernmeldeeinrichtungen und Navigationsanlagen erzielt werden. Fernmeldeeinrichtungen, die in einem Frequenzbereich von z.B. 20 bis 1000 MHz arbeiten und die empfindlich für Radiofrequenz-Interferenzen sind, sind beispielsweise das hochfrequente und ultrahochfrequente Fernsehen, der frequenzmodulierte Funkverkehr, die Navigation und Kommunikation von Luftfahrzeugen, der Amateurfunk, die Telemetrie, die Hochfrequenz-Fernmeldetechnik, das ultrahochfrequente.Radar und andere.
Die Versuchsanlagen, die für die Durchführung der oben genannten Normen erforderlich sind, sind sehr komplex und teuer. Man kann jedoch einigermaßen zufriedenstellende Versuchsergebnisse erreichen, indem die Versuchsproben mit einem drahtgewickelten Entstörelement oder einem Kohlenstoff-Entstörelement mit bekanntem Widerstand und bekannten Dämpfungseigenschaften verglichen werden und die Feldintensität je Einheits-Bandbreite innerhalb eines gegebenen Frequenzbereiches gemessen wird.
Es sind ferner Entstörelemente aus Kupferoxid bekannt, die 2u-
509841/0853
sammensetzungen sind jedoch instabil und zeigen eine starke Zunahme des Widerstandes bei höheren Temperaturen.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Material für Entstörelemente zu schaffen, das die vorgenannten Nachtelle vermeidet und das nach dem Brennen einen niedrigen Temperatur-Widerstandskoeffizienten hat. Das Material soll ferner eine hohe Temperatur-Stabilität haben.
Gemäß der Erfindung wird dies erreicht durch ein Material, das im wesentlichen aus einer Mischung aus einem Kupfermaterial, einem Aluminiummaterial und einem dritten Material M gebildet ist, wobei M ein Metall aus der Gruppe Magnesium, Kalzium, Strontium oder Barium ist, wobei die relativen Anteile des dritten Materials und des Aluminiummaterials derart sind, daß das Atomverhältnis des dritten Materials M zu Al im Bereich von etwa 0,5:1 bis etwa 2,0:1 liegt, wobei ferner die Anteile des Kupfermaterials, des Aluminiummaterials und des dritten Materials derart sind, daß der nummerische Wert des Atomverhältnisses
Cu
M + Al
im Bereich von etwa 0,5 bis 4,0 liegt und wobei ferner der Temperaturkoeffizient des Widerstandes des gebrannten Entstörelementes, der durch die folgende Gleichung
η «.2.303 log (R2} ( 1 ) χ 100 in %/°C
gegeben ist, zwischen etwa - 0,1% /0C und - 1,0%/°C liegt, abhängig von dem Wert des Atomverhältnisses Cu/M + Al.
Es wurde gefunden, daß eine Zusammensetzung aus Kupfer und Aluminium bzw. Aluminiumoxid gesteuert und modifiziert werden kann durch Hinzugabe von Magnesium, Kalzium, Strontium oder
509 8 4 1 /0853
Barium derart, daß ein Entstörelement aus diesen Materialien nach dem Brennen einen niedrigen negativen Temperaturkoeffizient beim Widerstand und gute Dämpfungscharakteristiken hat. Die Zusammensetzung kann derart variiert werden, daß der nummerische Wert des Atomverhältnisses Cu/M + Al im Bereich von etwa 0,5 bis etwa 4 liegt. Das Atomverhältnis M/Al liegt im Bereich von etwa 0,5:1 bis etwa 2,0:1. Der Temperatur-Widerstands-Koeffizient des Halbleitermaterials liegt zwischen etwa - 0,1%/°C und - 1,0%/°C.
Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, in der
Fig. 1 eine Kurve zeigt, die sich aus der Messung des Temperatur-Koeffizienten des Widerstandes und des Widerstandes bei Raumtemperatur einer Anzahl von Entstörelementen aus Kupfer und Aluminium ergibt, wobei das Atomverhältnis von Cu/(Sr + Al) verändert wurde, während das Atomverhältnis von Sr/Al konstant auf 1,05 + 0,04 gehalten wurde.
Fig. 2 zeigt eine Kurve die sich aus der Messung des Temperatur-Koeffizienten des Widerstandes einer Anzahl von Entstörelementen aus Kupfer und Aluminium ergibt, bei denen das Atomverhältnis von Sr/Al verändert wurde, während das Atomverhältnis von Cu/Sr auf einem Wert von etwa 4:1 gehalten wurde.
Beispiel I
Es wurden eine Anzahl von Kuper-Aluminium-Halbleitern, die als Proben A bis E bezeichnet sind und denen Strontium beigegeben worden war, hergestellt indem die nachfolgend aufgeführten Materialien zusammengemischt und mit den angegebenen Temperaturen
S03841 /0853
gebrannt wurden, Die Versuchergebnisse sind in Tabelle I aufgeführt .
Wie die Tabelle zeigt", wurde das Atomverhältnis Sr/Al konstant auf 1,09 + 0,04:1 gehalten, während das Atomverhältnis Cu/Sr + Al zwischen etwa 0,8 und etwa 4 variiert wurde.
Tabelle I
Atom • Probe A Atomverhältnis C D E
Material Cu 63 B 63 63 63
Cu2O Sr 40,5 63 24,5 16,5 8,5
SrCO3 Al 38,5 32,3 22,5 15 7,5
Al2O3 1,05:1 30,5 1,09:1 1,10s1 1,13:1
Sr/Al 0,80 1,07:1 1,34 2,00 3,94
Cu/(Sr+Al) 1040-
1260°		 1,00 1 no
il 50°		 101 Ο
Ι 205°		 1150°
S intertemperatur
in Rc (2 Stunden.)		 1 bis
5ΚΛ.		 1040-
1260°		 10 bis
15ΚΛ		 12KjC?- ΙΟΚΛ
R25O0 (1KV) -0,85 2 bis
11K^a-		 -0,7 -0,5 -0,15
η -0,8
Die Wirkung der Veränderung des Atomverhältnisses Cu/Sr + Al bei Konstanthaltung des Atomverhältnisses Sr/Al ist in Fig. 1 dargestellt. Wenn das Verhältnis zunimmt, nimmt der Wert von η stetig ab. Der Wert von Ro5°c H&<3*~ zwischen etwa 1 bis etwa 20 K-/2 .
Der Widerstand bei irgendeiner gegebenen Temperatur (im Bereich von etwa 25°C bis 25O°C) kann ausgedrückt werden durch die folgende Gleichung:
509341/0853
j* "Q «■
R„, « R
25oce η (T-25°C)
worin R- der Widerstand bei irgendeiner Temperatur T, R250C der Widerstand bei Raumtemperatur (d.h. bei 25°C) und η der Temperatur-Koeffizient des Widerstandes ist. Bei Entstörelementen aus Kupfer und Aluminium ist η (in %/°C) negativ und gegeben durch die Gleichung
η *= 2,303 log [ -£- . / · 100
H1 I2 I1
Versuche mit Entstörelementen scheinen anzuzeigen, daß ein niedriger Temperatur-Koeffizient des Widerstandes eine Voraussetzung für gute Materialien für Entstörelemente ist. Nach der Theorie nimmt in einem Zündsystem mit zunehmendem Widerstand der Schaltung der oszillierende Strom ab, der die Ursache der Funkfrequenz-Interferenzen ist.
Beispiel II
Es wurde eine weitere Gruppe von Kupfer-Aluminium-Halbleitern, denen Strontium beigegeben wurde, wie in Beispiel I hergestellt. Die Versuchsergebnisse sind in Tabelle II aufgeführt.
Wie die Tabelle zeigt, wurde das Atomverhältnis Cu/Sr konstant auf etwa 4:1 gehalten, während das Atomverhältnis Sr/Al zwischen etwa 0,66:1 bis 1,65:1 variiert wurde.
Die Wirkung der Veränderung des Atomverhältnisses von Sr/Al ist in Fig. 2 dargestellt. Die Auswirkung auf den Widerstand ist stark. Wenn das Atomverhältnis Sr/Al sich dem Wert 0,5:1 nähert, wird die Neigung des Wertes R25°c über dem Atomverhältnis nahezu
5098 U1/0 853
asymptotisch.
Ein Vergleich mit Beispiel I zeigt, daß eine schwächere Steuerung des Wertes von η im Vergleich mit der Steuerung erreicht wird, wenn das Verhältnis Cu/Sr + Al variiert wird.
Atom Tabelle II 63 I
Material Cu Probe F 16,5 63
Cu2O Sr 63 Atomverhältnis
G II		 12,5 16,5
SrCO3 Al 16,5 63 1,32:1 10
Al2O3 25 16,5 3,82 1,65:1
Sr/Al O;66:1 20 2,17 3,82
Cu/Sr 3,82 0,83:1 980-
1O65°C		 2,38
Cu/(Sr+Al) 1,52 3,82 15K-O. 980-
1O95°C
Sintertemperatur
in 0C (2 Stunden)		 1010-
t26O°C		 1,73 10 bis
15K-O.
R25oc 15 bis
25Κ-Λ.		 1205-
126O°C
5 bis
8KjO.
-1,0
-0,4
-0,6
-0,6
Der Dämpfungseffekt wird erreicht durch den modifizierenden Ein -
fluß des Magnesiums, des Kalziums, des Strontiums oder des Bariums bzw. der metallischen Atome dieser Elemente, die zusammen mit den Aluminiumatomen und Kupferatomen vorhanden sind. Die Metallatome können in das Material eingebracht werden dürfe Zugabe auch anderer Verbindungen als den hier beschriebenen. Beispielsweise können Alkali-Erdmetall-Oxide verwendet werden, wobei jedoch aus wirtschaftlichen Betrachtungen die Metall-Karbonate vorgezogen werden.
- 10 -
509841/0853
Entsprechendes gilt für die Wahl einer Kupferverbindung, wobei Kupferoxid vorgezogen wird.
Da die Elemente in einer gegebenen chemischen Gruppe ähnliche Eigenschaften haben, wurden die Karbonate der anderen Mitglieder der Gruppe II als Substitute für Strontium untersucht.
Beispiel III
Es. wurde eine Anzahl von Halbleiterkörpern aus Kupfer und Aluminium entsprechend dem Beispiel I hergestellt, die durch Zugabe von Strontium, Magnesium, Barium oder Kalzium-Metall-Ionen modifiziert wurden. Ferner wurde eine Zusammensetzung aus Kupfer und Aluminium, die nicht mit solchen Materialien modifiziert worden war, als Kontroll-Probe verwendet. Die Ergebnisse sind in Tabelle III aufgeführt. Wie sich aus der Tabelle ergibt, führt die Zugabe der modifizierenden Metalle zu einer beträchtlichen Abnahme des Temperatur-Koeffizienten des Widerstandes, wobei Strontium hinsichtlich der Reduzierung des Wertes von η am wirksamsten zu sein scheint.
509841/0853
7512635
Tabelle III
Material
Atom Probe J
Atomverhältnis ,5 16,5 M N
K L - 63 63
63 63 - - -
16 15 - -
- 16,5 -
- - 16,5
- 15 15
15
Cu2O Cu 63
SrCO3 Sr -
MgCO3 Mg -
BaCO3 Ba -
CaCO3 Ca -
Al2O3 Al 15
M/Al 0,0
Cu/M 0,0
Cu/M+Al 4,0
Sintertemperatur
in 0C (2 Stunden)		 1175°C
R25°C
1,10:1 1,10:1 1,10:1 1,10:1 3,82 3,82 3,82 3,82 2,00 2,00 2,00 2,00
1010- 1010- 1010-
1010-
12O5°C 12O5°C 12O5°C 12O5°C
12Κ-Λ- 30K-O. 2OK-O- 2OK-O.
-1,9
-0,4 -0,7 -0,9
-0,8
Die Erfindung betrifft somit einen keramischen Körper, der nach dem Brennen als elektrisches Entstörelement, insbesondere für Zündkerzen verwendet werden kann. Das Element besteht aus einer Kupfer-Aluminium-Zusammensetzung, die mit einer Metallverbindung von Magnesium, Kalzium, Strontium oder Barium modifiziert wird. Der nummerische Wert des Atomverhältnisses von Cu/M+Al, wobei M Magnesium, Kalzium, Strontium oder Barium bedeutet, liegt etwa im Bereich von 0,5 bis 4. Das Atomverhältnis von M:Al liegt etwa im Bereich von 0,5:1 bis etwa 2,0:1. Der Temperatur-
- 12 -
5090A1/0853
Koeffizient des Widerstandes des Entstörelementes, der durch die Formel
η = 2,303 log ( (R2) ( 1 ) ) · 100 in %/°C * (R,) (T^ - T, ) '
(R1) (T2
gegeben ist, liegt zwischen etwa - 0,1%/°C und - 1,0%/°C, wobei R1 und R2 zwei Widerstandswerte bei den beliebigen unterschiedlichen Temperaturen T1 und T2 sind.
- 13 -
1/0853

Claims (5)

Patentan s ρ r Ü c he
1. Keramischer Körper zur Verwendung als elektrisches Entstörelement, insbesondere für Zündkerzen, dadurch g e k e η η zeichnet, daß der Körper im wesentlichen aus einer Kupferverbindung, einer Aluminiumverbindung und einer weiteren Verbindung M besteht, wobei M ein Metall aus der Gruppe Magnesium, Kalzium, Strontium oder Barium ist, daß ferner die relativen Anteile des weiteren Materials und der Al"~iniumverbindung derart gewählt sind, daß das Atomverhältnis von M zu Al im Bereich von etwa O,5:1 bis etwa 2,0:1 liegt, daß die Anteile der Kupferverbindung, der Aluminiumverbindung und der weiteren Verbindung so gewählt sind, daß der nummerische Wert des Atomverhältnisses von Cu/M + Al im Bereich von etwa 0,5 bis etwa 4,0 liegt und daß der Temperaturkoeffizient des Widerstandes des gebrannten Körpers, der durch die Formel
<R?) /ii
η » 2,303 log —— -* ——'- · 100 in %/°C
(R1 ) (T2 - T1)
gegeben ist, zwischen etwa - 0,1%/°C und etwa - 1,0%/°C liegt, abhängig von dem Wert des Atomverhältnisses Cu/M + Al.
2. Keramischer Körper zur Verwendung als elektrisches Entstörelement, insbesondere für Zündkerzen, dadurch gekennzeichnet, daß er im wesentlichen aus einer Kupferverbindung, einer Aluminiumverbindung und einer Strontiumverbindung gebildet ist, wobei die relativen Anteile der Strontiumverbindung und der Aluminiunverbindung derart gewählt sind, daß das Atoir.verhältnis von Strontium zu Aluminium im Bereich von etwa 0,5:1 bis etwa 2,0:1 liegt, daß ferner die Anteile der Kupferverbindung, der Aluminiumverbindung und der Strontiumverbindung so gewählt sind, daß der nummerisehe Wert des
- 14 -
509841 /08S3
Atomverhältnisses Cu/Sr + Al im Bereich von etwa 0,5 bis 4,0 liegt, wobei der Temperaturkoeffizient des Widerstandes des gebrannten Körpers, der durch die Formel
(R-J , .
η = 2,303 log -—γ -J=—£-^-. · 100 in %/°C
I Z 1
gegeben ist, zwischen etwa - 0,1%/°C und etwa - 1,0%/°C liegt, abhängig von dem Wert des Atomverhältnissea von Cu/Sr + Al.
3. Keramischer Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die weitere Verbindung ein Karbonat ist.
4. Keramischer Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Kupferverbindung Kupferoxid ist.
5. Keramischer Körper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Strontiumverbindung Strontiumkarbonat ist.
508041/0853
Leerseite
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