DE3203200C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Zündkerze mit einem Sauerstoff­ sensor nach der Gattung des Hauptanspruches. Aus der DE-OS 30 28 359 ist schon eine Zündkerze bekannt, bei der in den Isolator-Fuß ein Sauerstoffsensor eingelassen ist; der Sauerstoffsensor ist dabei auf der Außenseite des Isolator-Fußes in einem Sackloch derart ange­ ordnet, daß seine einzelnen Elemente (Elektroden, Festelektrolyt usw.) in dem Sackloch übereinander liegen. Die elektrischen Zulei­ tungen zu den Elektroden des Sauerstoffsensors werden durch während eines Gummipreßvorganges hergestellte, lange Durchgangskanäle geführt und als Platinsuspension eingebracht. Die Herstellung der­ artiger Sauerstoffsensoren im Isolator-Fuß und der zugehörigen elek­ trischen Zuleitungen zu den Anschlußelementen einer solchen Zünd­ kerze ist relativ teuer und weist erhebliche Risiken auf: Gefährdung des Isolator-Fußes im Bereich des Sackloches wegen Bruchanfälligkeit anläßlich der Herstellung, erhöhter Ausschuß an Isolatoren infolge schwieriger Anbringung der elektrischen Zuleitungen zum Sauerstoff­ sensor und auch Gefährdung des Isolator-Fußes infolge von mecha­ nischen Spannungen, die bei Betrieb derartiger Zündkerzen aufgrund der starken Temperaturwechselbeanspruchungen verursacht werden und zum Bruch des Isolators führen können.

Als Sauerstoffsensoren sind insbesondere solche für diesen Zweck geeignet, die einen schichtförmigen, sauerstoffionen-leitenden Festelektrolyten aufweisen und nach dem potentiometrischen Prinzip arbeiten, es sind aber auch solche Sauerstoffsensoren hierfür geeignet, deren elektrischer Widerstand sich infolge der Gaszu­ sammensetzung ändert. Beispiele derartiger Sauerstoffsensoren sind in den folgenden Veröffentlichungen beschrieben: DE-OS 28 55 012, 29 09 201, 26 17 031, 28 26 515, DE-AS 26 51 160, DE-PS 19 54 663, US-PS 37 19 564, US-PS 40 07 435; auch die elektrische Reihenschal­ tung mehrerer Sauerstoffsensoren mit sauerstoffionen-leitendem Fest­ elektrolyten ist bekannt und für die Verwendung am Anmeldungsgegen­ stand geeignet (US-PS 32 16 911).

Aus dem deutschen Gebrauchsmuster 70 01 121 ist auch bereits eine Zündkerze bekannt, bei der die Meßstelle (Lötstelle) eines Thermo­ elementes in den Isolator-Fuß umfassend eingebettet ist; die draht­ förmigen Schenkel des Thermoelementes sind in der keramischen Masse des Isolators mit eingebettet. Eine derartige mit einem Thermo­ element versehene Zündkerze ist nur mit relativ hohem technischen Aufwand herzustellen.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Zünd­ kerze mit einem am Isolator-Fuß angeordneten Sauerstoffsensor zu schaffen, wobei die industrielle Fertigung kostengünstig und der Herstellungsprozeß sicher beherrschbar ist und außerdem auch keine erhöhte Bruchgefährdung des Isolators gegeben ist, weder bei seiner Herstellung noch bei Betrieb der Zündkerze.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor­ teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Zündkerze möglich; besonders vorteilhaft ist es, wenn ein Sauerstoffsensor mit sauerstoffionen-leitendem, gasdurchlässigem Festelektrolyten hierbei verwendet wird und dieser schichtförmige Festelektrolyt die auf dem Isolator-Fuß der Zündkerze aufgebrachten, mit Abstand nebeneinander angeordneten, schichtförmigen Elektroden schützend überdeckt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeich­ nung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine teilgeschnittene Teilansicht einer vergrößert dargestellten Zündkerze mit Sauerstoffsensor,

Fig. 2 einen Ausschnitt aus einer weiter vergrößerten Draufsicht auf einen in Abwicklung dargestellten Sauerstoffsensor nach Fig. 1 und

Fig. 3 den Schnitt nach der Linie III/III durch den Sauerstoff­ sensor nach Fig. 2.

Die in den Fig. 1, 2 und 3 dargestellte Zündkerze 10 besitzt ein Metallgehäuse 11, das an seiner Außenseite als Befestigungsmittel 12 ein Einschraubgewinde auf­ weist und gemeinsam mit einem Schlüsselsechskant 13 zum Einbau in einen (nicht dargestellten) Brennkraft­ maschinen-Zylinderkopf dient; dieses Metallgehäuse 11 umfaßt mit seiner Innenbohrung 14 einen Großteil eines im wesentlichen rohrförmigen Elektroisolators 15. Die zündseitige Stirnfläche 16 dieses Metallgehäuses 11 trägt eine hakenförmige Masseelektrode 17. Auf die Dar­ stellung eines Dichtringes für den Einbau der Zündkerze 10 in den nicht dargestellten Brennkraftmaschinen-Zylinder­ kopf wurde verzichtet.

Der Elektroisolator 15, der in bekannter Weise im wesent­ lichen aus Aluminiumoxid bestehen kann, hat an seiner Außenseite Schultern 18 und 19, auf denen die Dichtringe 20a und 20b aufliegen. Unter Zwischenschaltung dieser Dichtringe 20a und 20b ist der Elektroisolator 15 in das Metallgehäuse 11 eingebördelt; mittels des bekann­ ten Warmschrumpfverfahrens, das am Metallgehäuse 11 am balligen Schrumpfbereich 21 erkennbar ist, ist die Abdichtung zwischen Elektroisolator 15 und Metallge­ häuse 11 sichergestellt.

In der nicht dargestellten Längsbohrung des Elektroiso­ lators 15 befindet sich ein Anschlußbolzen (nicht dar­ gestellt) und eine aus dem zündseitigen Endabschnitt des Elektroisolators 15 herausragende Mittelelektrode 22, welche mittels einer nicht dargestellten, elektrisch leitfähigen, an sich bekannten Dichtungsmasse inner­ halb der Elektroisolator-Längsbohrung miteinander lei­ tend verbunden sind. Die Mittelelektrode 22 steht mit ihrem zündseitigen Endabschnitt der Masseelektrode 17 mit Abstand (z. B. 0,8 mm) gegenüber. Der aus dem Elek­ troisolator 15 anschlußseits herausragende Abschnitt des nicht dargestellten Anschlußbolzens ist mit einer Anschlußmutter 23 versehen. Der aus dem Metallgehäuse 11 anschlußseits herausragenden Abschnitt des Elektro­ isolators 15 besitzt als Kriechstrombarriere zwischen dem Metallgehäuse 11 und der Anschlußmutter 23 mehrere koaxiale Ringnuten 24.

Auf dem dem Brennraum der Brennkraftmaschine ausgesetzten Bereich des Elektroisolators 15, dem sogenannten Isolator- Fuß 15′, ist ein Sauerstoffsensor 25 aufgebracht, welcher sich aus schichtförmigen Elementen zusammensetzt und sich bevorzugt in demjenigen Bereich des Isolator-Fußes 15′ befindet, der dem zündungsseitigen Dichtbereich zwischen Elektroisolator 15 und Metallgehäuse 11 naheliegt. Der Sauerstoffsensor 25 ist ringförmig auf derjenigen Ober­ fläche des rotationssymmetrischen Isolator-Fußes 15′ aufgebracht, welche der nicht dargestellten Längsbohrung des Elektroisolators 15 abgewendet ist; es sei erwähnt, daß anstelle einer ringförmigen Gestaltung auch solche Sauerstoffsensoren hier Verwendung finden können, die nur einen Teil des Umfanges vom Isolator-Fuß 15′ einnehmen. Die elektrische Verbindung des Sauerstoffsensors 25 zum anschlußseitigen, aus dem Metallgehäuse 11 herausragenden Abschnitts des Elektroisolators 15 erfolgt über Leiterbahnen 26 und 27, deren anschlußseitige Enden als Anschlußmittel 28 und 29 in Form von Metallschichten ausgebildet sind. Zur elek­ trischen Isolierung zwischen diesen Leiterbahnen 26, 27 und dem Metallgehäuse 11 ist auf die Leiterbahnen 26, 27 eine Elektroisolierschicht 30 aufgebracht. Um ein lagerichtiges Aufstecken eines nicht dargestellten Anschlußsteckers zu gewährleisten, der sowohl für die elektrische Verbindung zur Anschlußmutter 23 als auch zu den elektrischen Anschlußmitteln 28 und 29 für den Sauerstoffsensor 25 dient, ist an der Außenseite des Metallgehäuses 11 eine Fixiernut 31 eingeformt, in die eine entsprechende (nicht dargestellte) Nase des nicht dargestellten Anschlußsteckers einzufügen ist.

Der bevorzugte, besonders aus den Fig. 2 und 3 er­ sichtliche Sauerstoffsensor 25 arbeitet nach dem be­ kannten Prinzip der Sauerstoffkonzentrationskette mit Sauerstoffionen leitendem Festelektrolyten 32. Ein solcher Festelektrolyt 32, der beispielsweise aus sta­ bilisierten Zirkondioxid bestehen kann und als 100 µm dicke Schicht nach einem bekannten Verfahren wie z. B. Drucken auf den Isolator-Fuß 15′ aufgebracht ist, überdeckt die mit Abstand nebeneinander angeordneten Elektroden 33 und 34. Auch diese Elektroden 33 und 34 sind nach einem bekannten Verfahren, vorzugsweise durch Auf­ drucken, auf den Isolator-Fuß 15′ aufgebracht; diese Elektroden 33 und 34 sind in bevorzugter Ausführungs­ form mit Kammzinken 33′ und 34′ versehen, welche in­ einander kämmen. Da beide Elektroden 33 und 34 über die gasdurchlässige Festelektrolyt-Schicht 32 mit dem Meßgas in Verbindung stehen, ist eine der Elektroden 33 bzw. 34 aus einem katalytisch nicht bzw. wenig ak­ tivem Material und die andere Elektrode 34 bzw. 33 aus einem katalytisch aktiveren Material hergestellt; als katalytisch aktives Material kann beispielsweise ein Platinmetall Verwendung finden und als praktisch nicht katalysierend wirkendes Material ist beispiels­ weise Gold geeignet. Sowohl das Platinmetall bzw. das Gold der Elektroden 33 bzw. 34 kann ein keramisches Stützgerüst enthalten (nicht dargestellt, das bei­ spielsweise aus Aluminiumoxid bestehen kann. Die Breite der etwa 10 µm dicken Elektroden 33 und 34 liegt be­ vorzugt im Bereich zwischen 100 bis 500 µm und der Elektroden-Zwischenraum 35 liegt zumeist zwischen 100 µm und 1,5 mm. Die an die Elektroden 33 und 34 angeschlossenen Leiterbahnen 26 und 27 bestehen aus fertigungstechnischen Gründen bevorzugt aus den gleichen Stoffen wie die Elek­ troden 33 und 34 selbst, können aber auch aus anderen, den Betriebsbeanspruchungen standhaltenden Stoffen her­ gestellt werden. Die als elektrische Anschlußmittel 28 und 29 dienenden Metallschichten am anschlußseitigen Endabschnitt der Leiterbahnen 26 und 27 bestehen be­ vorzugt aus Platin, sind 0,1 mm dick und 1,5 mm breit und nicht von der Elektroisolierschicht 30 bedeckt; die Elektroisolierschicht 30, die von der Festelektro­ lyt-Schicht 32 etwas überlappt wird, besteht aus Alu­ miniumoxyd und hat eine Dicke von maximal 200 µm. Die Elektroisolierschicht 30 ist bevorzugt zwischen 30 und 100 µm dick als beide Leiter­ bahnen 26 und 27 gemeinsam überdeckender Streifen aus­ gebildet und kann auch durch ein bekanntes Verfahren wie Aufdrucken hergestellt sein; anstelle der streifen­ förmigen Ausführung der Elektroisolierschicht 30 ist aber auch ein den ganzen Umfang in diesem Bereich über­ deckendes Beschichten nach bekannten Verfahren mög­ lich (z. B. Aufwalzen, Aufspritzen). Eine solche, den Umfang des Elektroisolators umfassende Elektroisolier­ schicht 30 ist besonders angezeigt, wenn mehrere Sen­ soren 25 mit Leiterbahnen 26, 27 an der Zündkerze 10 angebracht sind.

Obwohl die mit dem Sauerstoffsensor 25 beschriebene Zündkerze 10 die bevorzugte Ausführungsform darstellt, sind Abweichungen hiervon möglich: Die Elektroden 33 und 34 müssen nicht mit Kammzinken 33′ bzw. 34′ versehen sein, sondern können auch von anderer Konfiguration sein, im einfachsten Falle als zwei mit Abstand neben­ einander liegende Flächen. Auch kann die Festelektrolyt- Schicht 32 direkt auf dem Isolatorfuß 15′ aufgebracht sein und die beiden Elektroden 33 und 34 können auf dieser Festelektrolyt-Schicht 32 liegen; bei dieser Anordnung ist es jedoch zweckmäßig, wenn die Elektroden dann in bekannter Weise von einer porösen, dünnen Elektro­ isolierschicht bedeckt sind. Es ist darüber hinaus auch möglich, daß mehrere nach dem potentiometrischen Meß­ prinzip arbeitende Sauerstoffsensoren 25 auf dem Iso­ lator-Fuß 15′ in Reihe geschaltet werden, und zwar, um ein stärkeres Meßsignal zu erhalten (siehe US-PS 32 16 911). Auch der Verlauf der Leiterbahnen 26 und 27 auf der Oberfläche des Elektroisolators 15 kann nach dem jewei­ ligen Verwendungszweck variiert werden; anstelle der in der Fig. 1 dargestellten Ausführungsform mit zwei bis in den Anschlußbereich des Elektroisolators 15 führenden Leiterbahnen 26 und 27 ist auch eine Ausführungsform möglich, nach der nur eine Leiterbahn bis in diesen Bereich hineinführt und die andere Leiterbahn mit dem Metallgehäuse 11 elektrisch in Verbindung steht (z. B. als Klemmverbindung über den Dichtring 20b). Anstelle der Elektroisolierschicht 30 aus Aluminiumoxid kann auch eine Glasur verwendet werden (Blei-Boro-Silikatglas). Die als Metallschicht ausgeführten elektrischen An­ schlußmittel 28 und 29 können ebenfalls dem Verwen­ dungszweck angepaßt werden und beispielsweise auch als aufgelöste Flachstecker ausgebildet sein. Der Sauer­ stoffsensor 25 muß auch nicht unbedingt nach dem po­ tentiometrischen Meßprinzip arbeiten, er kann auch nach dem polarographischen Meßprinzip arbeiten, bei dem an die Elektroden eine Gleichspannung angelegt wird und auf der Meßelektrode in bekannter Weise eine Diffusions­ barriere für Sauerstoffmoleküle aufgebracht ist; in den vorstehend beschriebenen Beispielen von Sauerstoff­ sensoren kann entweder die gasdurchlässige Festelektro­ lyt-Schicht 32 oder auch - bei Anordnung der Elektro­ den auf der Festelektrolyt-Schicht - die erwähnte po­ röse Elektroisolierschicht als Diffusionsbarriere ein­ gestellt sein. Gut geeignet ist aber auch ein Sauerstoff­ sensor 25, der nach dem Widerstandsmeßprinzip arbeitet und ein auf den Sauerstoffgehalt des Meßgases ansprechen­ des Element besitzt. - Die Schichten des Sauerstoff­ sensors 25, die Leiterbahnen 26, 27 und auch die Elek­ troisolierschicht 30 werden auf dem Elektroisolator 15 der Zündkerze 10 durch Sintern verfestigt.

Der auf der Zündkerze 10 aufgebrachte Sauerstoffsen­ sor 25 kann aufgrund seiner vorteilhaften Bauform wirt­ schaftlich auch für die Massenproduktion geeigneten Fertigungseinrichtungen hergestellt werden und kann sowohl für Meßzwecke als auch zum Steuern von Vorgängen im Brennraum von Brennkraftmaschinen dienen.

Claims (4)

1. Zündkerze für Brennkraftmaschinen, mit einem auf seiner Außen­ seite mit Befestigungsmitteln (12, 13) und auf seiner Zündungsseite mit einer Masseelektrode (17) versehenen Metallgehäuse (11), und mit einem in den Brennraum ragenden, keramischen Elektroisolator (15), der von dem Metallgehäuse (11) fest und dicht umringt ist, der in seiner axial verlaufenden Längsbohrung auf der Anschlußseite einen Anschlußbolzen (23) und auf der Zündungsseite eine elektrisch mit dem Anschlußbolzen (23) verbundene Mittelelektrode (22) enthält, dessen dem Brennraum ausgesetzter Isolator-Fuß (15′) einen Sauer­ stoffsensor (25) trägt, welcher schichtförmig auf der der Iso­ lator-Längsbohrung abgewendeten Oberfläche des Isolator-Fußes (15′) angeordnet ist und mit elektrischen Anschlußmitteln (28, 29) in elektrischer Verbindung steht, die am anschlußseitigen Bereich des Elektroisolators (15) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die der Isolator-Längsbohrung abgewendete Oberfläche des Isolator-Fußes (15′) in bekannter Weise rotationssymmetrisch ist und daß die Elektroden (33, 34) des Sauerstoffsensors (25) mit den Anschlußmitteln (28, 29) über Leiterbahnen (26, 27) verbunden sind, welcher auf der der Isolator-Längsbohrung abgewendeten Oberfläche des Isolators (15) entlangführen und von einer Elektroisolierschicht (30) abgedeckt sind, die im wesentlichen nur die elektrischen Anschlußmittel (28, 29) unbedeckt läßt.

2. Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauer­ stoffsensor (25) einen schichtförmigen, sauerstoffionen-leitenden Festelektrolyten (32) aufweist, der mit zwei voneinander beab­ standeten, schichtförmigen Elektroden (33, 34) in direktem Kontakt steht.

3. Zündkerze nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fest­ elektrolytschicht (32) beide Elektroden (33, 34) überdeckt und gas­ durchlässig ist.

4. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß der Sauerstoffsensor (25) in demjenigen Bereich des Iso­ lator-Fußes (15′) angeordnet ist, der dem zündungsseitigen Dichtring (20b) zwischen Elektroisolator (15) und Metallgehäuse (11) naheliegt.