DE2854071A1

DE2854071A1 - Zuendkerzen-isolator

Info

Publication number: DE2854071A1
Application number: DE19782854071
Authority: DE
Inventors: Kanemitsu Nishio; Shunichi Takagi
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1977-12-14
Filing date: 1978-12-14
Publication date: 1979-06-21
Also published as: DE2854071C2; DE2857574C2; US4261085A

Description

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Zündkerzen-Isolator

Eine Zündkerze zur Vervendung in einem Zündkreis einer Brennkraftmaschine weist gewöhnlich eine Mittenelektrode und eine Außenelektrode auf, zwischen denen die elektrische Funkenentladung erzeugt wird· Die Zündkerze ist dabei aufgrund der Explosion des Gasgemisches einer hohen Temperatur und hohem Druck ausgesetzt, andererseits aber aufgrund der Ansaugung eines frischen Gasgemisches heftigen Temperaturschwankungen· Der Isolator der Zündkerze muß daher eine Festigkeit aufweisen, die nicht nur ausreichend hoch ist, um der elektrischen Spannung zu widerstehen, sondern auch um dem thermischen Schock und den mechanischen Vibrationen und Schocks standzuhalten« Außerdem muß der Zündkerzen-Isolator resistent gegen chemische und thermische Einflüsse sein, die die Brenngase und die hohen Flammtemperaturen hervorrufen können·

Die Entgiftung der Abgase von Automobilen ist in letzter Zeit eine sehr bedeutsam· Frage geworden. Es gibt bereits Kraftfahrzeuge, die mit wirksamen Abgasreinigungsanlagen ausgerüstet sind. Die weite Verbreitung des UKW-Rundfunks und des mobilen CB-Funks haben weiterhin das Problem einer wirksamen Funkentstörung des Zündsystems vergrößert« Auch diesbezüglich werden bestimmte Forderungen an die Zündkerzen gestellt.

Um die Umweltbeeinträchtigungen durch Abgase und elektrische Störfelder zu beseitigen, müssen daher besondere Vorkehrungen auch an den Zündkerzen von Kraftfahrzeugen getroffen werden. Die dabei zu lösenden Probleme lassen sich wie folgt zusammenfassen]

1. Beseitigung der flammlösehenden Einflüsse der Mittenelektrode der Zündkerze;

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2. Unterdrückung der während des FunkenüberSchlages erzeugten Störströme an der Zündkerze.

Die zu Flammlöschungen führenden Eigenschaften der Mittenelektrode äußern sich in sogenannten Fehlzündungen. Als konkrete Abhilfsmaßnahme bezüglich Fehlzündungen ist es üblich, den Luftspalt von gewöhnlich 0,7 bis 0,9 mm zwischen den Elektroden auf eine Veite von zwischen 1,1 und 1,5 mm zu vergrößern. Diese Maßnahmen können die Zündeigenschaften der Zündkerze merklich verbessern.

Die Funkenspannung über dem Luftspalt wird dadurch jedoch im wesentlichen proportional zur Luftspaltweite größer, weshalb es nachteiligerweise erforderlich ist, das Zündsystem entsprechend zu ändern, um die höheren Zündspannungen aufzubringen, beispielsweise indem man zu einer speziellen Art von Transistorzündsystem greift. Hierdurch steigen die Herstellungskosten.

Es ist auch schon vorgeschlagen worden, das vordere Ende der Mittenelektrode mit einem keramischen oder anderen feuerfesten Material au überziehen, um die flammlöschenden Eigenschaften der Mittenelektrode zu beseitigen, ohne daß die Entladungsspannung heraufgesetzt werden muß. Dieee Maßnahmen bringen jedoch nicht immer zufriedenstellende Resultate, was aus den erheblich voneinander abweichenden Ausdehnungskoeffizienten des Bedeckungsmaterials und des Metalls am vorderen Ende der Mittenelektrode resultiert.

Es sind weiterhin sogenannte Widerstandszündkerzen bekannt, bei denen in der Mittenbohrung des Porzellanisolators ein elektrischer Widerstand eingesetzt oder ausgebildet ist, um die elektrischen Störwellen, die während des Funkenüberschlages der Zündkerze entstehen, zu unterdrücken. Solche Widerstandszündkerzen, die elektrische Störfelder stark unterdrücken, sind in

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den USA In großem Maße Im Einsatz. In vielen Staaten verlangt man, daß Störfelder bis zu einer Frequenz von 1OOO MHz wirksam unterdrückt werden«

Versuche haben gezeigt, daß es wichtig ist, einen Widerstandskörper in die Mittenbohrung des Zündkerzen-Isolators an einer Stelle einzusetzen, die so nahe wie möglich an der Funkenstrecke liegt, um den Effekt der Hochfrequenzfeldunterdrückung zu verbessern.' Es hat eich herausgestellt, daß es am wirksamsten ist, einen Viderstandsfilm auf der Elektrodenoberfläche anzubringen. Um die Ursache für diese Ergebnisse nachzuprüfen, haben die Erfinder zu vorliegendem Anmeldungsgegenstand die folgenden Versuche unternommen.

Eine neue "Zündkerze wurde in eine Brennkraftmaschine eingesetzt und der Störpegel wurde auf der Basis eines gegebenen Meßverfahrens bestimmt. Nach einer gewissen Zeitdauer wurde der Störpegel nochmals gemessen. Ee wurde dabei festgestellt, daß er erheblich abgenommen hatte. Es wurde dann eine andere Zündkerze, deren Mittenelektrode mit Kohlenstoff beschichtet war, zur Messung des Störpegels verwendet_o Dabei wurde festgestellt, daß der Störpegel ebenfalls erheblich abgeschwächt war» Dies rührt daher, daß zu Anfang bei der neuen Zündkerze Kohlenstoff auf der Elektrodenfläche fehlt und daß während des Gebrauchs die Zündkerze allmählich mit Kohlenstoff verunreinigt wird. Dieser Kohlenstoff wirkt offensichtlich als Mittel zur Verringerung des Störpegels.

Es wurden dann verschiedene Arten von Widerstandsfilmen auf der Zündkerzenoberfläche angebracht und der Störpegel in gleicher Weise gemessen. Die Ergebnisse zeigten die gewünschten Einflüsse des Oberflächenwiderstandes der Zündkerze auf den Störpegel„ Es läßt sich festhalten, daß ein Widerstandsfilm auf der Zündkerzenoberfläche teilweise die Hochfrequenzanteile im Störfeld beseitigt.

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Der beschriebene Kohlenstoff- oder Widerstandsfilm wird jedoch plötzlich durch eine starke Funkenenergie und hohe Flamintemperatur oxidiert und verschwindet, d.h. er ist nicht besondere dauerhaft. Im Rahmen der Vorarbeiten zu vorliegender Erfindung wurden die Zeiten, innerhalb derer die Kohlenstoff- oder Widerstandsfilme oxidiert und entfernt wurden, untersucht, um herauszufinden, welche Art von Widerstandsfilm eine hohe Lebensdauer hat ρ Diese Untersuchungen zeigten, daß Kohlenstoff- oder Widerstandsfilme oxidiert werden und verschwinden, wenn sie der hohen Flammtemperatur ausgesetzt sind und daß der Einfluß des Funkenüberschlages auf eine solche Oxidation des Kohlenstoffoder Widerstandsfilms überraschend klein ist.

Die nachfolgenden Ausführungen sollen daher Materialien gelten, die von der Flamme in der Brennkammer weniger beeinflußt werden.

Keramisches Material hat bei hohen Temperaturen gute Eigenschaften und wird daher als Isoliermaterial in breitem Umfang benutzt, Als Folge davon wurden detaillierte Untersuchungen mit dem Ziel gemacht, festzustellen, ob das keramische Material selbst als Elektrode einer Zündkerze herangezogen werden kann und ob man keramisches Material elektrisch leitfähig machen konnte. Die Untersuchungen haben ergeben, daß die Keramik selbst durch später noch zu beschreibende Maßnahmen elektrisch leitfähig gemacht werden kann. Die keramischen Materialien weisen eine spezifische Wärme auf, die geringer ist als die von Metallen, so daß die Abkühlung der Flamme des Funkens, die zu dessen Auslöschung führen könnte, vermindert ist. Darüber hinaus macht es die Elektrodenoberfläche selbst einschließlich des Widerstandsbelages darauf möglich, den elektromagnetischen Störpegel erheblich herabzusetzen und eine neue Zündkerze zu schaffen, die hervorragende Eigenschaften aufweist, die man mit einer üblichen Kerze mit Metallmittenelektrode nicht erreichen kann.

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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Isolator für eine Zündkerze anzugeben, der eine hervorragende Langzeitbeständigkeit und hervorragende Zündeigenschaften aufweist und den elektromagnetischen Störpegel, den die Zündkerze erzeugt, erheblich reduziert.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche·

Gemäß der vorliegenden Erfindung steht die Mittenelektrode aus einem korrosionsfesten Metall nicht direkt der Außenelektrode gegenüber. Diese Maßnahme stellt sicher, daß die Mittenelektrode nicht abbrennt, und bringt zugleich den bedeutenden Vorteil mit sich, daß die Mittenelektrode nicht die vom Funken erzeugte Flamme abkühlt, so daß die Zündeigenschaften einer so ausgerüsteten Zündkerze erheblich verbessert sind.

Verschiedene Aueführungsmöglichkeiten für die Erfindung sind die folgendem

1. Das die elektrische Leitfähigkeit hervorrufende Material besteht aus wenigstens einem der Metalle Cu, Fe, Co, Mn, Cr, Ti und La, Legierungen, Oxiden oder Oxidhalbleitern davon.

2. Das vordere Ende des Zündteiles des hohlen Porzellanisolators weist eine Dicke zwischen 0,2 mm und 2,0 mm auf.

3. Die keramische Mittenelektrode weist einen Widerstandswert von bis zu 10 M.SL auf.

Zur Herstellung einer so ausgerüsteten Zündkerze nimmt man ein Porzellanrohmaterial mit einem hohen Anteil an Aluminiumhydroxid, welches zu einem hohlzylindrischen Körper auegeformt wird, der

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eine sich, axial in ihr erstreckende Bohrung aufweist, die an ihrem vorderen Ende verschlossen ist. Dieser Rohling wird dann zu einem hohlzylindrischen Körper gebrannt. Dann füllt man Pulveretückchen aus einem der vorgenannten Metalle oder einem Oxidhalbleiter daraus in die Mittenbohrung unter sauerstofffreier Atmosphäre ein und heizt den so gefüllten Körper auf eine übliche Sintertemperatur auf, wodurch eine keramische Mittenelektrode am vorderen Ende des Zündabschnittes des Kerzen-Isolators ausgebildet wird und gleichzeitig der Porzellanisolator gesintert wird.

Der Zündkerzen-Isolator nach der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf den Stand der Technik und unter Zuhilfenahme der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt ι

Fig. 1 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt einer konventionellen Zündkerze;

Fig. 2 eine entsprechende Darstellung einer erfindungsgemäßen Zündkerze;

Fig. 3 einen vergrößerten Längsschnitt durch den Zündkerzen-Isolator nach der Erfindung;

Fig. k& bis kd schematische Darstellungen aufeinanderfolgender Schritte bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Zündkerzen-Isolators;

Fig. 5 eine graphische Darstellung der elektrischen Störfeldintensität als Funktion der Frequenz einer erfindungsgemäßen Zündkerze im Vergleich mit einer Zündkerze nach dem Stand der Technik;

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Fig. 6 eine graphische Darstellung der Fehlzündungsrate als Funktion eines Luft/Kraftstoffverhältnisses bei einer Zündkerze mit einem Isolator nach der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu einer konventionellen Zündkerze;

Fig. 7 einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 8 eine vergrößerte Darstellung des Isolators nach Fig. 7;

Fig. 9 eine graphische Darstellung der Lebensdauer eines Zündkerzen-Isolators nach der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu einem üblichen Zündkerzen-Isolator;

Fig. 10 eine graphische Darstellung des Zündverhaltens

einer in der erfindungsgemäßen Weise ausgerüsteten Zündkerze im Vergleich mit einer üblichen Zündkerze;

Fig. 11 eine graphische Darstellung, die die Reduzierung des elektrischen Störfeldes bei einer mit einem erfindungsgemäßen Isolator ausgerüsten Zündkerze im Vergleich zum Stand der Technik zeigt;

Fig. 12a eine schematische Schnittdarstellung einer weiteren Aueführungsform der Erfindung;

Fig. 12b eine schematische Schnittdarstellung einer nochmals anderen Ausführungsform der Erfindung;

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Fig. 13 einen Längsschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, und

Fig. Ik und 15 Längsschnitte durch zwei verschiedene Arten konventioneller Zündkerzen-Isolatoren, zur Erläuterung der Unterschiede zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 13.

Fig. 1 zeigt eine übliche Widerstandszündkerze, teilweise im Schnitt, Fig. 2 eine solche mit den Merkmalen der vorliegenden Erfindungο Die übliche Zündkerze nach Fig. 1 weist eine Metallmittenelektrode 1 aus einer Nickellegierung auf sowie obere und untere halbleitende Dichtungen 2, die zwischen sich ein Widerstandselement 3 einschließen. Ein Anschlußstift k führt von der oberen Dichtung 2 nach außen. Diese Elektroden, das Material und der Stift sind hermetisch in einer Axialbohrung 9 in einem hohlen Isolator 5 aus Porzellan eingeschlossen. Mit 6 ist in Fig. 1 eine geerdete Außenelektrode und mit 7 ein Metallfitting bezeichnet.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung mit einem erfindungsgemäßen Isolator 5', der in der gleichen Weise in dem Metallfitting 7 befestigt ist, wie dies beim Stand der Technik üblich ist.

Der Isolator 5¹ zeichnet sich dadurch aus, daß das vordere Ende eines Zündabschnitts, das der geerdeten Außenelektrode 6 gegenübersteht, aus einem sackförmigen hohlen Porzellanisolator besteht, der speziell am vorderen Ende verschlossen ist. Diese verschlossene Vorderende ist mit einem eine elektrische Leitfähigkeit hervorrufenden Material imprägniert, wodurch eine Keramikelektrode 1' gebildet wird, anstelle einer üblichen Metallmittenelektrode 1. Als Ergebnis davon ist es möglich, das Widerstandselement 3 auf der Rückseite dieser Keramikelektrode 1 * unterzubringen, d.h. im geschlossenen Ende der

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Axialbohrung 9 und dieses Widerstandselement 3 mit dem Anschlußstift h zu verbinden, ohne daß Halbleiterdichtungen 2 benötigt werden.

Der oben beschriebene erfindungsgemäße Isolator hat eine Reihe von Vorteilen, An erster Stelle sei genannt, daß es nicht notwendig ist, daß eine Metallmittenelektrode 1 vom vorderen Ende des Isolators 5 hervorsteht· Selbst wenn der Luftspalt g genauso weit gemacht wird wie bei einer üblichen Zündkerze, dann bringt der Einsatz der keramischen Elektrode 1' aus Materialien, deren spezifische Wärme und deren Wärmeleitungseigenschaften von denen der üblichen Materialien erheblich abweichen, eine wirksame Unterdrückung der Neigung zum Auslöschen der vom Funken hervorgerufenen Flamme, wodurch die Zündeigenschaften der Zündkerze erheblich verbessert werden. Als zweites sei genannt, daß die keramische Elektrode 1 selbst einen Widerstand aufweist, so daß es möglich ist, die elektrischen Zündstörungen, die eine Zündkerze hervorruft, wirksam zu unterdrücken. Drittens ist die axiale Bohrung 9 im Isolator 5' &m vorderen Ende verschlossen und man benötigt keine Halbleiterdichtung 2, wodurch die Zündkerze im Aufbau sehr einfach wird und billig hergestellt werden kann.

Wie oben erwähnt, kann der Zündkerzen-Isolator nach der Erfindung aus einem Porzellan hergestellt werden, das einen großen Anteil von Aluminiumhydroxid enthält« Der Formungsvorgang geschieht dabei in der gleichen Weise wie bei einer üblichen Zündkerze.

Als elektrische Leitfähigkeit in der keramischen Elektrode 1' am vorderen Ende des Zündabschnittes des Kerzen-Isolators 5' verwendet man am einfachsten Kupfer unter sauerstofffreier Atmosphäre. Ea wurde weiterhin gefunden, daß man die gleiche Wirkung wie bei Kupfer auch mit wenigstens einem der Metalle Fe, Cr, Co, Mn, Ti und La, mit Legierungen daraus, Oxiden davon oder Oxidhalbleitern davon erreichen kann.

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Versuche haben gezeigt, daß die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe mit einer Keramikelektrode erreicht verden kann, deren Dicke im Bereich zwischen 0,2 nun und 2,0 mm liegt.

Versuche haben weiterhin gezeigt, daß eine Keramikelektrode 1¹ mit einem Widerstandswert im Bereich zwisohen 100Λ und 10 MÄ Funkstörungen wirksam unterdrücken kann, ohne daß die Entladungsspannung gesteigert werden muß.

Als Widerstandskörper 3» der in der axialen Bohrung 9 des Zündkerzen-Isolators 5' eingeschlossen und in direktem Kontakt mit der keramischen Elektrode 1' ist, kann man das folgende Material verwenden, das für übliche Widerstandszündkerzen verwendet wirdχ

Bariumboratglas kO Gewichtsteile

Zirkonerdepulver 6o Gewichtsteile

Glycerin 1 bis k Gewichtsteile

Widerstandsstabilisatoren

TiC, TiO₂, Nb₂O od.dgl. 1 bis 10 Gewichtsteile.

Zu dem Widerstandskörper 3 können gegebenenfalls Metallpulver, wie beispielsweise aus Eisen, Bor od.dgl. und ein Zuschlag aus SiA od. dgl ο hinzugefügt werden. Alternativ kann der Widerstandskörper 3 aus Glas enthaltendem Al_0_, SiO₂ bestehen, um die Hitzewiderstandsfähigkeitseigenschaften desselben zu verbessern.

Bisher war es allgemeine Praxis, die Mittenelektrode aus Metall herzustellen, enthaltend eine Nickellegierung, Wolfram, Platin od.dgl., ein halbleitendes Material, wie beispielsweise ein Nichtmetall od.dgl. Zum Beispiel wurde die Mittenelektrode aus einem keramischen Material, wie beispielsweise Aluminiumhydroxid, Ton, Glas oder dgl· hergestellt, denen Metalle, wie beispielsweise Platin, Nickel, Chrom, Wolfram od.dgl. zugesetzt waren oder dem man ein Metallcarbid, wie beispielsweise SiC, WC züge-

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setzt hatte. Auch wurden die Mittenelektroden aus einem Oxidhalbleiter hergestellt.

Eine metallene Mittenelektrode mußte jedoch aus einem Material hergestellt werden, das von anderer Art 1st als der Isolator, der gewöhnlich aus einem Porzellan mit einem hohen Anteil von Aluminiumhydroxid besteht. Ein solches Elektrodenmetall mußte in einem von der Herstellung des Isolators getrennten Herstellungsgang hergestellt werden, dann in den Isolator eingesetzt und mit letzterem in gleicher Weise verbunden werden wie eine übliche Elektrode. Eine solche Elektrode bereitet bei der Herstellung Schwierigkeiten, 1st im Verhalten instabil und konnte sich daher in der Praxis nicht durchsetzen. Es wurde auch vorgeschlagen, die metallene Mittenelektrode erst dann auszuformen, wenn der Porzellanisolator gesintert wird. In diesem Falle ist es schwierig, die Sinterbedingungen für das Porzellan mit den Bedingungen in Deckung zu bringen, unter denen die halbleitende Keramik zur Mittenelektrode ausgeformt wird. Als Folge davon ließ sich das gewünschte Ergebnis nicht erzielen.

Die Erfinder haben die Verfahren zur Herstellung keramischer Mittenelektroden mit niedrigem spezifischem Widerstand eingehend untersucht und ein Verfahren gefunden, bei dem die Mittenelektrode integral mit dem vorderen Ende des Porzellan-Isolators ausgebildet werden kann und wobei nur dieses vordere Ende dieses Porzellanisolators halbleitend gemacht wird.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das vordere Ende des Porzellanisolators sackförmig ausgebildet und dann mit Metall oder einem Halbleitermaterial imprägniert. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglioh, den neuen Zündkerzen-Isolator mit der erwünschten keramischen Halbleiterelektrode herzustellen.

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Die Erfindung soll nun weiter detailliert beschrieben werden.

Beispiel

Wie Fig. 3 zeigt, wurde eine Porzellanmasse, die einen hohen Anteil an Aluminiumhydroxid enthielt, zu einem Rohling 8 geformt, der mit einem Zündteil versehen ist, dessen vorderes Ende verschlossen ist und so einen sackförmigen Isolator bildet. Der Rohling 8 wurde dann bei 1000° C eine Stunde lang zu einem porösen Körper gebrannt, der mit einer Sackbohrung 9 versehen ist, die einen geschlossenen Boden 10 aufweist.

Auf den Boden 10 der Sackbohrung 9 wurde dann ein Plättchen aus 0,O5 g säuerst off freiem Kupfer gelegt, wie Fig. 4a zeigt. Dieses Plättchen 11 wurde unter hermetisch abgeschlossenen Bedingungen gesintert, wobei die Temperatur mit einer Geschwindigkeit von 80° C/h bis auf i600° C gesteigert wurde. Sodann wurde abgekühlt. Während dieser Zeit wurde das Plättchen 11 durch eine neutrale Flamme erhitzt, um allmählich seine Oberfläche zu oxidieren (Fig. 4b) und bei 1100° C zu schmelzen (Fig. 4c). Auf diese Weise wurde der Zündendabschnitt des Isolators mit geschmolzenem Kupfer Imprägniert (Fig. 4d).

Mit Kupfer kann man in Luft Aluminiumhydroxid beachtlich benetzen und ein Teil der Kupferoberfläche wird zu CuO und Cu₂O oxidiert, das mit dem Aluminiumhydroxid reagiert und ein Spinell bildet.

Während des Sohmelzens des Kupferplättchens 11 (Fig. 4b und 4c) bleibt aufgrund der unzureichenden Sinterungsbedingungen das Aluminiumhydroxid porös, wodurch das Kupfer letzteres leichter benetzen kann.

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Versuche haben gezeigt, daß es mittels des Kupferplattchens möglich ist, Aluminiumhydroxid mit Cu, Cu_O und CuO zu imprägnieren. Wenn man Kupfer in Pulverform einsetzt, dann wird die wirksame Oberfläche größer, womit der Oxidationsprozess beschleunigt wird. Als Folge davon setzt sich fast das gesamte Pulver in CuO um. Aluminiumhydroxid, das mit CuO imprägniert ist, setzt den spezifischen Widerstand nicht auf einen Wert herab, der kleiner ist als ein vorgegebener Soll-Wert.

Wie oben beschrieben, ist es möglich, den Zündkerzen-Isolator durch gleichzeitiges Sintern der keramischen Elektrode und des Porzellans so auszubilden, daß der Widerstand seiner keramisohen Mittenelektrode im Bereich zwischen 0,1 Mil und 3 MÄ liegt, wenn die keramische Elektrode 1· eine Dicke von 0,5 mm aufweist. Venn der Widerstand der keramischen Mittenelektrode 1' größer als 100 Mil wird, dann kann die keramische Mittenelektrode 1' nicht mehr als Halbleiter wirken, vielmehr wird sie im Gebrauch elektrisch durchschlagen, was sie unwirksam macht.

Es ist extrem einfach, einen Zündkerzen-Isolator der oben beschriebenen Art, dessen vorderes Ende aus einer elektrisch leitfähigen Keramik besteht, mit Widerstandsmaterialpulvern unter Druck zu füllen und dann den eo vorbereiteten Körper auszuheizen, um auf diese Weise eine Widerstandszündkerze auszubilden.

Im vorliegenden Beispiel wurden 0,4 g eines halbleitenden Widerstandsmaterials aus Glas, halbleitendem Material, Metallpulvern und Kohlenstoff in eine Axialbohrung 9 von 3,2 mm Durchmesser eingefüllt. Der so vorbereitete Rohling wurde 10 Minuten lang auf 900 bis 1000° C erhitzt und dann wurde ein Anschlußstift auf das halbleitende Widerstandsmaterial gepreßt, um dieses hermetisch abzuschließen und einen in sich fest verbundenen

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Körper zu bilden. Im vorliegenden Beispiel hatte das vordere Ende des Anschlußstiftes k vom Boden 10 des Isolators 8 einen Abstand von 5 nn» womit das Wärmeableitvermögen des Anschlußstiftes h berücksichtigt wurde.

Der so vorbereitete Isolator wurde fest mit einem Metallfitting 7 zu einer Zündkerze verbunden, wie sie Fig. 2 zeigt.

Die so gebildete Zündkerze und die bekannte Zündkerze nach Fig. 1 wurden unter gleichen Versuchsbedingungen nach der JRTC-Norm geprüft. Fig. 5 zeigt das Ergebnis dieser Prüfung jeweils unter Verwendung einer zweizylindrigen Viertakt-Brenn-

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kraftmaschine von 125 cm Hubraum·

Fig. 6 zeigt das Ergebnis einer Vergleichsmessung, die unter Verwendung einer Vierzylinder-Brennkraftmaschine von 2 1 Hubraum mit elektronisch gesteuerter Kraftstoffeinspritzung durchgeführt wurde. Bei den konventionellen Zündkerzen wurde der Luftspalt g zwischen 0,8 mm und 1,1 mm gewählt, während er bei den mit dem erfindungsgemäßen Isolator ausgerüsteten Zündkerzen bei 0,8 mm lag. Der Zusammenhang zwischen dem Luft/Kraftstoffverhältnis und der Fehlzündungsrate wurde untersucht, wobei das Ergebnis für die konventionellen Zündkerzen mit der durchgezogenen Linie und für die in der erfindungegemäßen Weise ausgerüsteten Zündkerzen mit der gestrichelten Linie in Fig. 6 eingezeichnet ist.

Vie die Diagramme nach den Figuren 5 und 6 zeigen, ist es mit Hilfe der Erfindung möglich, die elektrische Störfeldintensität erheblich herabzusetzen und bei vergleichsweise engem Luftspalt ein wenigstens ebenso gutes Fehlzündungsverhalten zu erzielen, wie dies sonst nur bei Vergrößerung des Luftspaltes (mit der dadurch bedingten Modifizierung des Zündsystems) möglich ist.

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Wie zuvor ausgeführt worden ist, ist die Axialbohrung des Porzellanisolators an seinem vorderen Ende des Zündabschnitts verschlossen, um die keramische Elektrode am Boden zu bilden, der relativ dünn ist und örtlich mit einem eine elektrische Leitfähigkeit hervorrufenden Material imprägniert ist· Die Anwendung dieser Maßnahmen bringt den bedeutenden Vorteil mit sich, daß der Zündkerzen-Isolator nach der Erfindung nicht nur die Zündeigenschaften und Lebensdauer erheblich verbessert, sondern auch den elektrischen Störpegel vermindert.

Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Bei ihr ist die Axialbohrung 9 des Isolators 5' am vorderen Ende 10 des Zündteils gegenüber der Außenelektrode 6 (s. auch Fig. 8) verschlossen« Die Außenelektrode 6 ist Bestandteil des Metallfit tings 7, in das der Isolator 5¹ eingesetzt ist. In die Axialbohrung 9 ist ein Widerstandskörper 3 eingesetzt, der in engem Kontakt mit dem dünnen Boden 10 des Zündted Is steht und somit ebenfalls eine Mittenelektrode 1' bildet, die in den Isolator 5¹ eingebaut ist« In der vorliegenden Ausführungsform ist der Isolator 5* aus einer Porzellanmasse hergestellt, die 95 % Al„0_ enthält. Diese Porzellanmasse wurde in einem Preßvorgang zu der gewünschten Gestalt geformt und dann bei 16OO C gesintert. Die Dicke des Bodens 10 am vorderen Ende des Zündteile beträgt etwa 0,5 mm, wobei folgende Gesichtspunkte maßgebend waren. Je dicker der Boden 10 des Zündteiles ist, um so höher ist die Entladungsspannung, die notwendig ist, um einen Funken hervorzurufen. Eine Dicke des Bodens 10 des Zündteiles in der Größenordnung von 0,5 mm macht es möglich, eine Zündspannung zu verwenden, die nicht höher als üblich ist. Weiterhin kann der Isolator 5' auf einfache Weise hergestellt werden.

Der Boden 10 des Isolators 5¹ weist eine Durchschlagsfestigkeit von 15 kv/mm in Öl auf. Wenn der Spalt zwischen der Außenelektrode 6 und dem Boden 10 eine Weite von 0,7 mm hat und eine

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Zündspannung von 20 kV verwendet wird, dann wird der Boden des Zündteils im Bereich, gegenüber der Elektrode 6 einem elektrischen Durchbruch unterworfen, der in ihm ein kleines Loch von etwa 50 bis 100/u Durchmesser hervorruft, was in Figo 8 zur Verdeutlichung nicht maßstabsgerecht eingezeichnet ist. Als Folge davon entsteht eine Entladungestrecke zwischen der Außenelektrode 6 und der keramischen Mittenelektrode 1', obgleich der Boden 10 des Zündteils des Isolators 5' nicht mit einem eine elektrische Leitfähigkeit hervorrufenden Material imprägniert ist.

Der Widerstandskörper 3 kann aus einem Material bestehen, das die gleiche Zusammensetzung hat wie das, das unter Bezugnahme auf Fig. 2 bereits erläutert worden ist·

Versuche an der zuletzt beschriebenen Ausführungsform zeigten im Vergleich zum Stand der Technik folgende Ergebnisses

1. Lebensdauer

Bei einem konventionellen Zündkerzen-Isolator führt der Abbrand an der metallenen Mittenelektrode zu einer Vergrößerung des Luftspalts und damit der Entladungsspannung, wodurch die Lebensdauer des Isolators herabgesetzt wird.

Bei einem Zündkerzen-Isolator nach der vorliegenden Erfindung wird ein Elektrodenabbrand aufgrund von Oxidation durch den geschlossenen Boden des Zündteils verhindert und als Folge davon wird der Abbrand der Mittenelektrode, die Bestandteil des Isolators ist, verhältnismäßig klein,

Fig. 9 zeigt die Entladungespannung bei einer üblichen Zündkerze im Vergleich mit einer in der erfindungsgemäßen Weise ausge-

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rüsteten Zündkerze, wobei bei letzterer die Entladungsweglänge als Summe aus dem Luftspalt zwischen der Außenelektrode und dem Boden des Zündteils sowie der Dicke des Bodens definiert ist und eine Länge von 0,7 bis 0,8 mm aufweisen soll, wie bei einer konventionellen Zündkerze. Wie Fig. 9 zeigt, ist die Entladungsspannung der neuen Zündkerze leicht höher als die bei einer üblichen Zündkerze.

Fig. 9 zeigt auch, daß die benötigte Maximalspannung in der Zündanlage eines Kraftfahrzeuges mit einer Vierzylinder-Brennkraftmaschine von 2 1 Hubraum, die aus einer Geschwindigkeit von kO km/h beschleunigt wird, als Funktion der Betriebszeit„ hier durch die zurückgelegte Wegstrecke ausgedrückt, weniger stark ansteigt als bei einer üblichen Zündkerze.

2. Zündeigenschaften

Das Wärmeleitvermögen des vorderen Endes des Zündteiles des Zündkerzen-Isolators nach der vorliegenden Erfindung, das den Brenngasen bei 800 bis 1000° C ausgesetzt ist, liegt im Bereich zwischen 1x10~ und 2x10~ oal/cm»sec« C und ist somit beträchtlich niedriger als das einer konventionellen Mittenelektrode aus einer Nickellegierung. Als Folge davon ist das Flammlöschungsverhalten durch Wärmeentzug, der durch die Mittenelektrode hervorgerufen werden könnte, bei einer in der erfindungsgemäßen Weise ausgerüsteten Zündkerze erheblich geringer als bei einer konventionellen Zündkerze»

Fig. 10 zeigt die Fehlzündungsrate als Funktion des Luft/Kraftstoffverhältnisses a/F für eine übliche Zündkerze (durchgezogen) und eine in erfindungsgemäßer Weise ausgerüstete Zündkerze (gestrichelt), gemessen mit einer vierzylindrigen Brennkraftmaschine von 2 1 Hubraum mit elektronisch gesteuerter Kraftstoffeinspritzung.

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3. Elektromagnetisches Störfeld

Fig. 11 zeigt die Ergebnisse der Störfeldmessung und die von der Norm JRTC gegebenen Grenzwerte über der Frequenz, Wie Fig. 11 zeigt, ist es unter Einsatz der Erfindung möglich, den Störpegel erheblich herabzusetzen, was daraus resultiert, daß der Widerstandskörper 3» das ist die Mittenelektrode 1¹, an einer Position gelegen ist, die näher am Zündpunkt liegt, als bei einer üblichen Zündkerze.

Versuche haben weiterhin gezeigt, daß, wenn man die Betriebsbedingungen so extrem wählt, daß das vordere Ende des Isolators aufgrund von Frühzündungen od.dgl, überhitzt wird, die halbleitende Glasmasse des Widerstandskörpers 3 eventuell schmilzt und sich durch das verschlossene Ende 10 des Zündteils hindurchdrückt und eine Brücke zwischen diesem und der Außenelektrode bildet, die zu Fehlzündungen führt. Man muß daher ein Glas verwenden, das einen sehr hohen Erweichungspunkt, z.B. wenigstens 900° C, aufweist.

Um dieses Herausdrücken von geschmolzener Glasmasse zu vermeiden, wird ein Glas verwendet, dessen Zusammensetzung einen Erweichungspunkt hat, der in einer Größenordnung liegt, die die Betriebssicherheit nicht beeinträchtigt.

Fig. 12 zeigt eine weitere Ausführungsform für einen Zündkerzen-Isolator nach der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführungsform 1st eine Reihe von kleinen Plättchen 13 niit exzellenten Hitzewiderstandseigenschaften aus Edelmetall, wie beispielsweise Platin od.dgl., Plättchen aus Chrom, Nickel, Eisen od.dgl. und Legierungen daraus in die Axialbohrung 9 eingefüllt· Dann sind ein Widerstandskörper 3 und ein Anschlußstift h unter Druck übereinander in der angegebenen Reihenfolge eingeführt, um eine metallene Mittenelektrode 1' im Isolator auszubilden. Außerdem

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ist die metallene Mittenelektrode 1' fest mit der Bodenwand 10 des Zündteils des Isolators 5¹ verbunden. Zu diesem Zweck werden das Edelmetall und die anderen Metalle oder deren entsprechende Legierungspulver gleichzeitig mit der Sinterung des Isolators 5* gesintert.

Fig. 12b zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Zur Vermeidung von Ausschuß aufgrund von Sprüngen während des Sinterns, die durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Metall und Porzellan hervorgerufen werden könnten, wird ein bis zu 50 VoI.-^ Aluminiumhydroxid enthaltendes Porzellanpulver verwendet, was das gleiche Rohmaterial ist wie das des Isolators, und dieses wird mit den Metallpulvern vermischt. Die Pulvermischung 14 wird in die Axialbohrung 9 eingesetzt und dann gesintert. Während der Sinterung wird die Pulvermischung Ik mit einem Oxidfilm überzogen und fest mit dem Aluminiumhydroxid verbunden. Wenn ein Widerstandskörper 3 mit Hilfe einer Glasdiohtung eingeschlossen wird, dann verbindet sich die Pulvermischung lh auch fest mit der Glasdichtung, wodurch eine Anordnung entsteht, die hervorragende Lebensdauereigenschaften aufweist.

Versuche haben weiterhin gezeigt, daß Zündkerzen-Isolatoren nach den Figuren 12a und 12b die gleichen guten Eigenschaften aufweisen wie jene nach den Figuren 9 bis 11.

Ein Zündkerzen-Isolator der vorgenannten Art weist eine hohe Lebensdauer auf, gute Zündeigenschaften und gute Lagerungseigenschaften· Er kann ohne Beeinträchtigung seiner Eigenschaften durch Lufteinflusse gelagert und transportiert werden und erzeugt nur ein geringes-Störfeld.

Fig. 13 zeigt eine weitere Ausführung·form der Erfindung, während die Figuren 14 und 15 bekannte Konstruktionen zeigen, die zum

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Vergleich der Ausführungeform nach Fig. 13 herangezogen worden. Die in Fig. Ik gezeigte bekannte Konstruktion enthält einen Isolator 5, der mit einer durchgehenden Axialbohrung 9 versehen ist. In diese Axialbohrung 9 ist eine Metallmittenelektrode 1 mit Hilfe einer Vergußmasse aus einem Isolierpulver 16 fest eingegossen. Die metallene Mittenelektrode 1 ist elektrisch mit einem Anschlußstift h verbunden. Die Zündkerze nach Fig. 15 besteht aus einem Isolator 5 mit einer durchgehenden Axialbohrung 9· In der Axialbohrung sind eine Metallmittenelektrode 1 und ein Anschlußstift k eingegossen. Zwischen der Metallmittenelektrode 1 und dem Anschlußstift k ist ein Widerstandskörper 3 angeordnet, der an die Mittenelektrode 1 und an den Anschlußstift k mit Hilfe elektrisch leitender Glasschichten 2 angeschlossen ist. Der Isolator nach der vorliegenden Erfindung, wie er in Fig. 13 dargestellt ist, besteht aus einem Isolator 5'» der mit einer Sackbohrung 9* versehen ist, die an ihrem vorderen Ende durch einen Boden 10 verschlossen ist. Die Bohrung 9¹ ist vollständig mit einem gesinterten Halbleiter 15 bis zum Anschlußstift k gefüllt.

Der Zündkerzen-Isolator 5* besteht aus einer Porzellanmasse, die wenigstens 90 Gew.-% Aluminiumhydroxid enthält. Der unter Druck ausgeformte Körper wird bei 1000° C mehrere Minuten lang zu einem porösen Rohling gebrannt.

Das halbleitende Material, mit dem der Rohling gefüllt wird, besteht aus 80 Gew.-% Fe₂O₃, 10 Gew.-# ^τ*-^ο ₂» 5 Gew.-# Cr₂O₃ und 5 Gew.-96 La₃O₃. Diese Mischung wird bei 1150° C eine Stunde lang gebrannt und dann zu Pulverstückchen 15 gebrochen. Diese Pulverstückchen werden in die geschlossene Axialbohrung 9' des porösen Rohlings gefüllt und die so vorbereitete Anordnung wird bis auf die Sintertemperatur von Alumniumhydroxid in bekannter Weise aufgeheizt. Während der Sinterung reagieren die Halbleiter·

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pulverstückchen mit dem Porzellanisolator 5' und diffundieren am Boden 10 des Zündteiles In dieses hinein und bilden dadurch, eine halbleitende Keramikelektrode 1¹·

Bei dem so erhaltenen Zündkerzen-Isolator besteht der Gesamtwiderstand des gesinterten Halbleiters einschließlich der halbleitenden Keramikelektrode 1 * am Boden 10 ungefähr 2 M J 2. .

Versuche an einem Porzellanmuster haben gezeigt, daß der Widerstandswert des gesinterten Halbleiters, den man aufgeschnitten hat, um die zu messende Oberfläche freizulegen, dort auf 50 mm Länge eine Größe von ungefähr 200 kJQ hat.

Bei der vorliegenden Ausführungsform kann der Anschlußstift k in Eingriff mit dem oberen Ende des Porzellanisolators 5 gebracht werden und mit einem Klebstoff oder einer Glasdichtungsmasse mit dem Porzellanisolator 5' fest verbunden werden, nachdem die Halbleiterpulverstückchen 15 in der Axialbohrung 9' gesintert worden sind»

Vergleichsversuche des Isolators nach Fig. 13 und des Isolators nach Fig. 15 haben gezeigt, daß der Isolator nach der vorliegenden Erfindung einen leicht geringeren Temperaturkoeffizienten und einen geringeren Spannungskoeffizienten des Widerstandswertes des gesinterten Halbleiters aufweist als der konventionelle Zündkerzen-Isolator nach Fig. 15, jedoch den elektrischen Störpegel stark verringern kann, weil die Keramikelektrode als Ganze einen elektrischen Widerstand aufweist und die entstehenden elektrischen Wellen entsprechend dämpft.

Der Zündkerzen-Isolator nach dem zuletzt genannten Ausführungsbeispiel benötigt keine metallene Mittenelektrode, die am Zündteil der hohen Temperatur der Brenngase ausgesetzt ist, so daß kein Abbrand entsteht und keine Flammlöschung auftritt. Lebens-

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dauer und die Zündeigenschaften sind daher sehr verbessert. Darüber hinaus ist die Störfeldunterdrückung in zufriedenstellender Weise gelöst. Auch die Herstellung ist billig, da keine metallene Mittenelektrode eingesetzt werden musß.

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Leerseite

Claims

Ansprüche

J Zündkerzen-Isolator, bestehend aus einem Porzellankörper mit Axialbohrung, der in ein Metallfitting eingesetzt ist, an welchem eine Außenelektrode ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Porzellankörper (5) einen Zündteil aufweist, das der Außenelektrode (6) gegenübersteht und mit einem eine elektrische Leitfähigkeit hervorrufenden Material imprägniert ist, und daß in die Axialbohrung (9) eine mit dem Zündteil in elektrischer Verbindung stehende keramisohe Mittenelektrode (I¹) eingesetzt ist.

2, Isolator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das die elektrische Leitfähigkeit hervorrufende Material aus wenigstens einem der Metalle Cu, Fe, Co, Mn, Cr, Ti und La, Legierungen, Oxiden oder Oxidhalbleitern daraus besteht.

3. Isolator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das vordere Ende des Zündteiles eine Wandstärke zwischen 0,2 mm und 2,0"mm aufweist.

k. Isolator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die keramische Mittenelektrode (.1*) einen Widerstandswert von bis zu 10 ΜΛ aufweist.

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MÜNCHEN: TELEFON (O8O) 220085 KABEL: RROPINDUS · TELEX OB 34344

BERLIN: TELEFON (030) 831 SO88 KABEL: PROPINDUS - TELEX OI 84OS7

ORIGINAL INSPECTED

5. Isolator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Axialbohrung (9) eine Sackbohrung ist mit geschlossenem Ende am Zündteil, wo im der Außenelektrode (6) gegenüberstehenden Bereich die keramische Mittenelektrode (1¹) angeordnet ist, und daß sich von der Mittenelektrode (1*) ausgehend ein Anschlußstift (k) in der Bohrung (9) nach außen erstreckt.

6. Isolator nach Anspruch 5$ dadurch gekennzeichnet, daß die Mittenelektrode (1·) aus einem halbleitenden Widerstandsmaterial besteht.

7· Isolator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittenelektrode (1') aus Plättchen oder Pulver aus Metallen oder Logierungen zusammengesetzt ist und elektrisch leitend durch einen halbleitenden Widerstandskörper (3) mit dem Aiischlußstift (k) verbunden ist.

8« Isolator nach Anspruch 5t dadurch gekennzeichnet, daß die Mittenelektrode (i^f) aus einem gesinterten Körper aus Metallpulver und Porzellanpulver besteht und dieser Sinterkörper über einen halbleitenden Widerstandskörper (3) mit dem Anschlußstift (4) elektrisch leitend verbunden ist·

9· Isolator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Axialbohrung (9) eine Sackbohrung ist, deren vorderes Ende des Zündteils der Außenelektrode (6) gegenübersteht und eine keramische Mittenelektrode (1*) aufnimmt, die aus einem gesinterten Halbleiterkörper besteht und mit einem Anschlußstift (k) verschweißt 1st.

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10ο Isolator nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß der gesinterte Halbleiterkörper durch gleichzeitiges Sintern halbleitender Pulver hauptsächlich aus Eisenoxid und eines Xsolatorporzellans hergestellt ist, wobei das vordere Ende des Zündteils mit einem Teil des Sinterkörpers imprägniert ist und eine halbleitende keramische Elektrodenoberfläche bildet.

11« Verfahren zum Herstellen eines Zündkerzen-Isolators nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Schrittet

Ausformen einer Porzellanmasse mit hohem Anteil an Aluminiumhydroxid zu einem hohlzylindrischen Körper mit einer am vorderen Ende geschlossenen Bohrung,

Brennen des Formlinge zu einem hohlzylindrischen, porösen Körper,

Einfüllen unter Sauerstoffabschluß von Plättchen oder Pulver aus elektrische Leitfähigkeit hervorrufendem Material oder Oxidhalbleitermaterial aus wenigstens einem Element der Gruppe Cu, Fe, Co, Mn, Cr, Ti und La in die Sackbohrung,

Aufheizen des so vorbereiteten Körpers auf eine übliche Sintertemperatur zur Ausbildung einer keramischen Mittenelektrode im Bereich des vorderen Endes der Sackbohrung und gleichzeitigen Sinterung des Porzellanisolators·

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