DE2512635A1 - Keramischer koerper, insbesondere fuer entstoerelemente fuer zuendkerzen - Google Patents
Keramischer koerper, insbesondere fuer entstoerelemente fuer zuendkerzenInfo
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Description
ΡΑΠ NTANWALrr
DIPL.-ING. ERNST RATHMANN
Mönchen 71, Melchioretr. 42
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
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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.
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.
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.
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
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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.
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.
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7512635
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-
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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.
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Claims (5)
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
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR2538802A1 (fr) * | 1983-01-03 | 1984-07-06 | Champion Spark Plug Co | Procede de production d'une matiere ceramique, systeme a solvant organique, dispersion aqueuse et article obtenu par le procede |
Also Published As
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