DE2854071C2

DE2854071C2 - Zündkerze

Info

Publication number: DE2854071C2
Application number: DE2854071A
Authority: DE
Inventors: Kanemitsu Komaki Nishio; Shunichi Tajimi 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: 1982-12-23
Also published as: DE2854071A1; DE2857574C2; US4261085A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Zündkerze nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs !. Eine solche ist in der DE-OS 27 29 099 beschrieben.

In dieser sind als in die Sackbohrung für die Imprägnierung des Isolatorendes einzufüllende Materialien pastenartige Halbleitermaterialien aus Chromoxid, Chromfluorid, ein Pulvergemisch aus Chromoxid oder Chromfluorid jeweils mit Manganoxid angegeben. Die Imprägnierung des bereits gebrannten Isolatorkörpers mit einem oder mehreren der genannten Materialien erfolgt dabei durch langandauerndes Erhitzen des mit dem Material befüllten Isolatorkörpers.

Auch aus der US-PS 39 21 020 ist eine Zündkerze bekannt, bei der der Isolator eine Sackbohrung aufweist, deren geschlossenes Ende der Außenelektrode gegenüberliegt. Bei dieser Zündkerze ist der Anschlußstift, der in die Sackbohrung eingesetzt ist, bis auf den Boden der Sackbohrung geführt und übernimmt dort die Funktion der Mittelelektrode, von der der Zündfunken auf die Außenelektrode überspringt. Die Außenelektrode ist mit Keramik oder Glas ummantelt und auf diese Weise — wie die Mittenelektrode — gegen Erosion geschützt. Die Entladungsstrecke besteht demnach aus dem Luftspalt und den Keramik- bzw. Glasschichten, die nicht elektrisch leitfähig sind. Da der Luftspalt eine gewisse Mindestgröße haben muß und nur er zur Zündung des Brenngasgemisches beiträgt, erfordert diese Zündkerze bei gegebener Luftspaltbreite eine höhere Zündspannung als eine Kerze ohne Bedeckung der Elektroden. Der Aufwand_ im Zündsystem wird

somit höher.

Dies ist bei einer Zündkerze nach der DE-OS 27 29 099 nicht der Fall. Die Mittenelektrode ist bis an die. Grenzfläche zur Luft leitfähig, somit setzt der Funken an jener Grenzfläche an. Er braucht nicht die Keramik zu durchschlagen. Ob die Keramik vor dem Einfüllen des Imprägnierungsmaterials bereits gesintert ist, läßt sich aus der DE-OS 27 29 099 nicht entnehmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zündkerze der vorgenannten Art anzugeben, die einfacher herstellbar ist und für eine solche weitere geeignete Imprägnierungsmaterialien anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind die folgenden:

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

2. Die keramische Mittenelektrode weist einen Widerstandswert von bis zu 10 ΜΩ auf.

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

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

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,

Fig.4a bis 4d schematische Darstellungen aufeinanderfolgender Schritte bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Zündkerzen-1solators,

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,

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 eine schematische Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 8 eine schematische Schnittdarstellung einer nochmals anderen Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 9 einen Längsschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine übliche Widerstandszündkerze, teilweise im Schnitt. F i g. 2 eine solche mit den

Merkmalen der vorliegenden Erfindung. Die übliche Zündkerze nach F i g. 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 4 führt von der oberen Dichtung 2 nach außen. Diese Elektroden, das Material und der Stift :md 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 Metallfi'ting bezeichnet

F i g. 2 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung mit einem Isolator 5', der in der gleichen V/eise in dem Metallfitting 7 befestigt ist, wie dies beim Stand der Technik üblich ist.

Der Isolator 5' 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. Dieses erschlossene Vorderende ist mit einem eine elektrische Leitfähigkeit hervorrufenden Material imprägniert, wodurch eine Keramikelektrode Γ gebildet wird, anstelle einer üblichen Metallmittenelektrode t. Als Ergebnis davon ist es möglich, das Widerstandselement 3 auf der Rückseite dieser Keramikelektrode Γ unterzubringen, d. h. im geschlossenen Ende der Axialbohrung 9 und dieses Widerstandselement 3 mit dem Anschlußstift 4 zu verbinden, ohne daß Halbleiterdichtungen 2 benötigt werden.

Wie oben erwähnt, kann der Zündkerzen-Isolator 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. Es wurde weiterhin gefunaen. 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 oder Oxidhalbleitern von Fe, Co, Cu, Ti und La erreichen kann.

Versuche haben gezeigt, daß die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe mit einer Keramikelektrode erreicht werden kann, deren Dicke im Bereich zwischen 0.2 mm und 2,0 mm liegt.

Versuche haben weiterhin gezeigt, daß eine Keramikelektrode 1' mit einem Widerstandswert im Bereich zwischen 100Ω und 10 ΜΩ 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 wird:

Bariumboratglas
Zirkonerdepulver
Glycerin

Widerstandsstabilisatoren
TiCTiO₂₁Nb₂O₁Od. dgl.

40 Gewichtsteile
60 Gewichtsteile
1 bis 4 Gewichtsteile

1 bis 10 Gewichtsteile

Zu dem Widerstandskörper 3 können gegebenenfalls Metallpulver wie beispielsweise aus Eisen. Bor od. dgl. und ein Zuschlag ;ius Si)N₄ od. dgl. hinzugefügt werden.

Alternativ kann der Widerstandskörper 3 aus Gias enthaltendem AI2O3, SiOj bestehen, um die Hitzewiderstandsfähigkeitseigenschaften desselben zu verbessern. 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 11 aus 0,05 g sauerstofffreiem 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 1600°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 1100⁰C zu schmelzen (Fig.4c). Auf diese Weise wurde der Zündendabschnitt des Isolators mit geschmolzenem Kupfer imprägniert (F i g. 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 Schmelzens des Kupferplättchens 11 (Fig.4b und 4c) bleibt aufgrund der unzureichenden Sinterungsbedingungen das Aluminiumhydroxid porös, wodurch das Kupfer letzteres leichter benetzen kann.

Versuche haben gezeigt, daß es mittels des Kupferplättchens 11 möglich ist. Aluminiumhydroxid mit Cu, CU2O 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 Zündker- < zen-lsolator durch gleichzeitiges Sintern der keramischen Elektrode und des Porzellans so auszubilden, daß der Widerstand seiner keramischen Mittenelektrode im Bereich zwischen 0,1 ΜΩ und 3 ΜΩ liegt, wenn die keramische Elektrode Γ eine Dicke von 0,5 mm aufweist. Wenn der Widerstand der keramischen Mittenelektrode Γ größer als 100 ΜΩ wird, dann kann die keramische Mittenelektrode Γ 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 so vorbereiteten Körper auszuheizen, um auf diese WeL£ eine Widerstandszündkerze auszubilden.

Im vorliegenden Beispiel wurden 0,4 g eines halbleitenden Widerstandsmaterials aus Glas, halbierendem Material, Metallpulvern und Kohlenstoff in eine

Axialbohrung 9 von 3,2 mrn Durchmesser eingefüllt. Der so vorbereitete Rohling wurden 10 Minuten lang auf 900 bis 1000^cC erhitzt und dann wurde ein Anschlußstift 4 auf das halbleitende Widerstandsmaterial gepreßt, um dieses hermetisch abzuschließen und einen in sich fest ' verbundenen Körper zu bilden. Im vorliegenden Beispiel hatte das vordere Ende des Anschlußstiftes 4 vom Boden )0 des Isolators 8 einen Abstand von 5 mm, womit das Wärmeableitvermögen des Anschlußstiftes 4 berücksichtigt wurde. m

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

Die so gebildete Zündkerze und die bekannte Zündkerze nach Fig. 1 wurden unter gleichen Ver- i> Suchsbedingungen nach der j RTC-Norm geprüft. F i g. 5 zeigt das Ergebnis dieser Prüfung jeweils unter Verwendung einer zweizylindrigen Viertakt-Brennkraftmaschine von 125 cm³ Hubraum.

F i g. 6 zeigt das Ergebnis einer Vergleichsmessung, -" die unter Verwendung einer Vierzylinder-Brennkraftmaschine von 2 I 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 Lult/Kraftstoffvcrhältnis und der Fehlzündungsrate wurde untersucht, wobei das Ergebnis für die konventionellen Zündkerzen mit der durchgezoge- i« nen Linie und für die in der erfindungsgemäßen Weise ausgerüsteten Zündkerzen mit der gestrichelten Linie in F i g. 6 eingezeichnet ist.

Wie die Diagramme nach den F i g. 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 Fehlzündu/igsverhalten zu erzielen, wie dies sonst nur bei Vergrößerung des Luftspaltes (mit der dadurch bedingten Modifizierung des Zündsystems) möglich ist. ^4{1

Wie zuvor ausgeführt worden ist, ist die Axialbohrung des Porzeilanisolators an seinem vorderen Ende des Zündabschnitts verschlossen, um die keramische Elektrode am Boden zu bilden, der relativ dünn ist und ör'lich mit einem eine elektrische Leitfähigkeit hervor- ·»' rufenden 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./ zeigt eine weitere Ausführungsform fur einen Zündkerzen-Isolator nach der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführungsform ist eine Reihe von kleinen Plättchen 13 mit exzellenten Hitzewiderstandseigen- ~^>s schäften 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 4 unter Druck übereinander in der angegebenen ⁿ" Reihenfolge eingeführt, um eine metallene Mittenelektrode 1' im Isolator auszubilden. Außerdem ist die metallene Mittenelektrode Γ fest mit der Bodenwand 10 des Zündteils des Isolators 5' verbunden. Zu diesem Zweck werden das Edelmetall und die anderen Metalle ^nl oder deren entsprechende Legierungspulver gleichzeitig mit der Sinterung des Isolators 5' gesintert.

F i g. 8 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 Vol.-% 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 dei Axialbohrung 9 eingesetzt und dann gesintert. Während der Sinterung wird die Pulvermischung 14 mit einem Oxidfilm überzogen und fest mit dem Aluminiumhydroxid verbunden. Wenn ein Widerstandskörper 3 mit Hilfe einer Glasdichtung eingeschlossen wird, dann verbindet sich die Pulvermischung 14 auch fest mit der Glasdichtung, wodurch eine Anordnung entstein, die hervorragende Lebensdaucrcigenschaften aufweist.

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

Fig. 9 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Der Isolator 5' ist mit einer Sackbohrung 9' versehen, die an ihrem vorderen Ende durch einen Boden 10 verschlossen ist. Die Bohrung 9' ist vollständig mit einem gesinterten Halbleiter 15 bis zum Anschlußstift 4 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.-% TiO₂, 5 Gew.-% Cr₂O₃ und 5 Gew.-°/o La₂O₃. Diese Mischung wird bei 1150⁰C 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 Aluminiumhydroxid in bekannter Weise aufgeheizt. Während der Sinterung reagieren die Halbleiterpulverstückchen mit dem Porzellanisolator 5' und diffundieren am Boden 10 des Zündteiles in dieses hinein und bilden dadurch eine halbleitende Keramikelektrode Γ.

Bei dem so erhaltenen Zündkerzen-Isolator besteht der Gesamtwiderstand des gesinterten Halbleiters einschließlich der halbleitenden Keramikelektrode Γ am Boden iO ungefähr 2 ΜΩ.

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 Y£l hat.

Bei der vorliegenden Ausführungsform kann der Anschlußstift 4 in Eingriff mit dem oberen Ende des Porzellanisolators 5 gebracht werden und mit einem Klebstoff oder einer Glasdichtungsmasse mit dem Porzelianisolator 5' fest verbunden werden, nachdem die Halbleiterpulverstückchen 15 in der Axialbohrung 9' gesintert worden sind.

Vergleichsversuche, daß der Isolator nach der vorliegenden Erfindung einen leicht geringeren Temperaturkoeffizienten und einen geringeren Spannungskoeffizienten des Widerstandswertes des gesinterten

Halbleiters aufweist als ein konventioneller Zündker- :»:'

zen-lsolator, jedoch den elektrischen Störpegel stark ?h

verringern kann, weil die Keramikelektrode als Ganze jfj

einen elektrischen Widerstand aufweist und die K;

entstehenden elektrischen Wellen entsprechend dämpft. "> ||

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen '§·, Ri

Claims

Patentansprüche:

1. Zündkerze, bestehend aus einem Metallfitting mit Außenelektrode und einem darin eingesetzten Porzeilankörper mit axialer Sackbohrung, die bis dicht an das freie der Außenelektrode gegenüberstehende Ende des Porzellankörpers reicht und einen gegen die Außenelektrode isolierten Anschlußstift aufnimmt, wobei der Endbereich des Porzellankörpers durch ein unter den Anschlußslift eingefülltes, elektrisch leitfähiges Material und durch anschließendes Erhitzen mit diesem Material imprägniert und von diesem elektrisch leitfähig gemacht ist und die Mittenelektrode bildet, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch leitfähige Material aus Kupfer, Eisen, Kobalt, Mangan, Chrom, Titan oder Lanthan und/oder eine Legierung daraus und/oder Oxiden und/oder Halbleiteroxiden von Kupfer, Eisen, Kobalt, Titan und Lanthan besteht, und daß der Porzellankörper zugleich mit dem Imprägnieren seines Endes gesintert ist.

2. Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittenelektrode (V) eine Wandstärke zwischen 0,2 mm und 2,0 mm aufweist.

3. Zündkerze nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittenelektrode (V) einen Widerstandswert von bis zu 10 ΜΩ aufweist.

4. Zündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittenelektrode (1') durch einen halbleitenden Widerstandskörper (3) mit dem Anschlußstift (4) verbunden ist.