DE3206790C2

DE3206790C2 - Zündverteiler

Info

Publication number: DE3206790C2
Application number: DE3206790A
Authority: DE
Inventors: Imai Iwao; Sone Yokosuka Masazumi
Original assignee: Hitachi Ltd; Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1981-02-25
Filing date: 1982-02-25
Publication date: 1985-01-24
Also published as: DE3206790A1; US4419547A

Abstract

Bei einem Zündverteiler, insbesondere für einen Verbrennungsmotor, ist eine Läuferelektrode und/oder die Deckelelektroden aus einem halbleitenden, keramischen Werkstoff auf der Basis von Aluminiumoxyd hergestellt. Der halbleitende, keramische Werkstoff auf der Basis von Aluminiumoxyd enthält 10 bis 40 Gew.% Titandioxyd (TiO ↓2).

Description

Die Erfindung betrifft einen Zündverteiler gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solcher Zündverteiler ist aus der im Oberbegriff berücksichtigten DE-OS 28 46 590 bekannt. Dort sind zum Zwecke der Vereinfachung der Herstellung der Enladungselektroden diese aus einem keramischen Widerslandsmaterial bestehenden Elektroden mit einem Metallpulver dotiert. Das keramische Widerstandsmaterial ist eine Mischung aus Al₂O₃, Cu₂O, Cr₂O₃ sowie SiO₂. Die Dotierungsphase besteht vorzugsweise aus Palladiumpulver oder Platinpulver.

Wenngleich die bekannten Entladungselektroden als Entstörwiderstand wirken, genügen die bekannten Zündverteiler, insbesondere deren Entladungselektroden nicht den neuzeitlichen Ansprüchen an weitgehende Unterdrückung aller Störstrahlungen. Nicht unterdrückte Rauschsignale aus den Zündverteilüngsanlägen von Brennkraftmaschinen (insbesondere von Kraftfahrzeugen) bilden jedoch eine zunehmende Gefahr für Betriebsstörungen von elektronisch gesteuerten Hilfseinrichtungen in Kraftfahrzeugen, wie elektronisch gesteuerten Kraftstoffeinspritzeinrichtungen, elektronisch gesteuerten Anti-Rutsch- und Schleudersystemen sowie elektronisch gesteuerten automatischen Getrieben.

Aus der DE-OS 27 30 416 ist ein Verteilerfinger für Zündanlagen von Brennkraftmaschinen bekannt, dessen Verteilerelektrode aus schwerstbearbeitbar en nicht konventionellen Entstörmaterialien besteht. Diese Materia-

^: lien, worunter Oxid-Nitride, durch Unterstöchiometrie leitend werdende Oxide des Titans, Zirkoniums und

■<.:' Aluminiums, des weiteren Silicide, insbesondere Chromsilicid-Chromsiücium oder Molybdänsilicid-Molybdänsilicium zu verstehen sind, werden mit Flammspritzverfahren, wie dent Plasmaspritzen oder dgl. auf einen als Trägerelement diendenden Keramikkörper aufgetragen, der seinerseits in den Verteilerfinger eingespritzt ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zündverteiler der eingangs genannten Gattung so auszubilden, daß das Abstrahlen von Rauschwellen weitgehend unterdrückbar ist, ohne daß merkliche Verluste an Zündenergie hingenommen werden müssen.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst

■'■■-. Der mit Hilfe der Erfindung erzielbare technische Fortschritt ergibt sich in erster Linie aus der Verwendung

eines halbleitenden, keramischen Werkstoffes mit den Hauptkomponenten AI2O3 und T1O2. Dabei ist zu unter-

_;; streichen, daß durch eine Reduktionsbehandlung das Titandioxid Halbleitereigenschaften erhalten hat Mithin ist ν; der halbleitende keramische Elektrodenwerkstoff zusammengesetzt aus fein verteil tem Titandioxid (TiO2) mit ;} hoher Leitfähigkeit und Aluminiumoxid (Al₂O₃) mit hohem Widerstand.

.: Der derart aufgebaute Werkstoff führt zu einem überraschend starken Unterdrücken von Rauschsignalen aus

y der Zündanlage von Brennkraftmaschinen.

3 Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode eines

3 Zündverteilers nach Anspruch 1 sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet

»s Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug auf die Zeichnung näher

A beschrieben.

"1 In dieser zeigt

I F i g. 1 einen Vertikalschnitt durch einen Teil eines Zündverteilers,

|| F i g. 2 eine perspektivische Ansicht der für den Zündverteiler nach F i g. 1 verwendeten Lauf erelek-rode,

j F i g. 3 eine zweite Ausführungsform der Läuferelektrode,

8 F i g. 4 eine dritte Ausführungsform der Läuferelektrode,

% F i g. 5 eine perspektivische Ansicht einer Deckelelektrode, die bei dem Zündverteiler nach F i g. 1 eingesetzt

<5 werden kann,

■i F i g. 6 die Entladungsstrom/Zeit-Kennlinie für den Zündverteiler nach der vorliegenden Erfindung bzw. für

·; einen herkömmlichen Zündverteiler, der eine Läuferelektrode aus Kupfer und Randelektroden aus Aluminium

y verwendet,

s F i g. 7 die Rauschunterdrückungswirkung/Frequenz-Kennlinie für den Zündverteiler nach der vorliegenden

I Erfindung, wobei der Rauschpegel bei jeder Frequenz des herkömmlichen Zündverteilers als 0 dB (Null Dezibel)

% genommen wird,

% F i g. 8 eine Draufsicht auf einen Läufer bzw. Rotor eines Zündverteilers,

Ί F i g. 9 einen Querschnitt durch die Linie IX-IX von F i g. 8,

§ F i g. 10 eine ähnliche Ansicht wie F i g. 9, wobei eine andere Ausführungsform des Läufers dargestellt ist,

'j F i g. 11 eine ähnliche Ansicht wie F i g. 9, wobei eine weitere Ausführungsform des Läufers dargestellt ist,

'i Fig. 12 eine auseinandergezogene Ansicht einer Läuferelektrode, die in Verbindung mit dem Läufer nach

;! F i g. 11 verwendet wird,

J₁ Fig. 13 eine ähnliche Ansicht wie F i g. 9, wobei eine weitere Ausführungsform eines Läufers dargestellt ist,

F i g. 14 d' 1 Widerstands/Spannungs-Kennlinie für die Läuferelektrode nach F i g. 14A,

1 F i g. 14A eine Ansicht eines Schaltdiagramms, die zur Ermitt'ung der Tesrergebnisse nach F i g. 14 verwendet

'ι wird,

"· F i g. 15 eine Widerstands/Temperatur-Kennlinie für Läuferelektrode nach F i g. 15A und

i Fig. 15A eine Ansicht eines Schaltungsaufbaus, die zur Ermittlung der Ergebnisse nach Fig. 15 verwendet

: wird.

Ein Zündverteiler, wie er in der äutomobilindustrie üblicherweise verwendet wird, weist einen Rotor bzw.

' Läufe·· 10 (s. F i g. 1) auf, der durch eine Antriebswelle 12 gedreht wird; die Antriebswelle 12 ist üblicherweise mit

-^; der Nockenwelle des zugehörigen Verbrennungsmotors, im allgemeinen eines Otto-Motors, gekuppelt; der

Läufer 10 befindet sich in einem Verteilerdeckel 14 mit einem zentralen Eingangsanschluß 16, mit dem ein

I Anschluß der zugehörigen Sekundärwicklung der Zündspule verbunden ist; um die Drehachse des Läufers 10

i sind in Umfangsrichtung mehrere Deckelelektroden angeordnet, von denen zwei durch das Bezugszeichen 18

angedeute: sind; mit diesen Randelektroden sind die zugehörigen Zündkerzen des Motors über nicht dargestellte elektrische Leitungen verbunden. Obwohl in F i g. 1, die einen Ouerschnitt durch den Verteilerdeckel 14 zeigt, nur zwei Verteilerdeckelelektroden 18 dargestellt sind, ist selbstverständlich für jede Zündkerze eine Randelektrode vorgesehen; die Randelektroden sind um den zentralen Eingangsanschluß 16 auf dem Umfang angeordnet, wie es in der Automobilindustrie üblich ist.

Der Läufer des Zündverteilers weist einen Läuferhauptkörper 20 aus einem elektrisch isolierenden Material auf, der durch die Antriebswelle 12 um die Drehachse des Läufers rotiert werden kann, sowie eine Läuferelektrode 22 auf, die von dem Läuferhauptkörper 20 gehalten wird. Die Läuferelektr_>de 22 erstreckt sich in Richtung auf die Randelektroden 18 und endet radial innerhalb des Umfangs, auf dem sich die einzelnen Randelektroden 18 des Verteilers befinden. Die Querschnittsoberfläche der Läuferelektrode 22 an ihrem Ende, das sich am nächsten bei den Randelektroden 18 befindet, definiert eine Entladungsfläche 22a (s. F i g. 2), die bei der Drehung der Läuferelektrode 22 mit dem Läuferhauptkörper 20 eine kreisförmige Bahn radial innerhalb der Randelektroden 18 durchläuft, wobei ein Verteilerspalt C vorgegebener Breite zwischen der Stirnfläche 22a der Läuferelektrode 22 und der jeweils gegenüber liegenden Randelektrode 18 ausgebildet wi.v⁴. Wie man in F i g. 2 erkennen b5 kann, definieren die obere und untere Fläche 226 bzw. 22c der Läuferelekrode 22, die flach bzw. eben und parallel zueinander ausgebildet sind, an ihren äußeren Enden, die am nächsten bei den Randelektroden liegen, die obere und untere Kantengrenze der Entladiingsfläche 22a. Die in F i g. 2 dargestellte Läuferelektrode 22

besteht aus einem halbleitenden Keramik-Werkstoff mit den Hauptkomponenten AI2O3 und TiO₂.

Die Läuferelektrode 22 hat eine ausreichende Länge, um über ein Mittelstiick 16a aus Graphit oder Kohlenstoff und eine elektrisch leitende Feder 16f>, die das Mittelstiick 16a aus Graphit in Berührung mit der Läuferelektrode 22 vorspannt, in elektrischen Kontakt mit dem zentralen Eingangsanschluß 16 zu kommen; wie man in F i g. 1 erkennt, hat das zenrale Mittelstück 16a aus Graphit bzw. Kohlenstoff etwa Stiftform.

Bei diesem Aufbau kann das Potential des Zündfunkens, der von der Sekundärwicklung der zugehörigen Zündspule (nicht dargestellt) erzeugt wird, zu den aufeinanderfolgenden, auf einem Kreisumfang angeordneten Randelektroden 18 des Zündverteilers zugeführt werden, wenn der Läuferhauptkörper 20 zeitlich abgstimmt auf den zugehörigen Verbrennungsmotor durch die Welle 12 gedreht wird. Dabei baut sich ein Stromkreis durch den zentralen Eingangsanschluß 16, die Läuferelektrode 20 und den Verteilerspalt G zwischen der Entladungsfläche 22a und jeder Deckelelektrode 18 auf.

In den Fig.3 und 4 sind zwei andere Ausführungsformen der Läuferelektrode dargestellt. Die in Fig. 3 gezeigte Läuferelektrode 24 enthält einen mittleren Bereich 28, der aus einem verschleißfesten Metall hergestellt ist und einen Spitzenbereich 26. der mit einer Entladungsfläche 26a ausgebildet und aus einem halbleitenden, keramischen Werkstoff mit den Hauptkomponenten Al₂Ch und TiO₂ hergestellt ist. Der mittlere Bereich 28 weist eine Oberfläche auf, die in Berührung mit dem Mittelstück 16a aus Graphit kommt. Die in Fig.4 dargestellte Läuferelektrode enthält eine langgestreckte Platte 32, die aus einem halbleitenden, keramischen Werkstoff auf der Basis von Aluminiumoxyd hergestellt ist, und eine Platte 14 aus einem verschleißfesten Metall. Die langgestreckte Platte 32 hat im wesentlichen die gleiche Form wie die in F i g. 2 dargestellte Läuferelektrode

2S 22 ü"d ist rrii* einer Ent'"»'*¹""™'"''*¹"· "¹^" ■»•••«••».■.!Μ.·» Γ»..» λΛ«>ο11ηΙαΐ»*> ^ΙΔ is» an Apr lantrirpitrprktpn Platte 32 angebracht und weist einen Oberflächenbereich auf, an dem sie in Berührung mit dem Mittelstück 16a aus Graphit bzw. Kohle kommt.

In Fig.5 ist eine weitere Ausführungsform einer Randelektrode 36 dargestellt, die einen Spitzenbereich 38 aufweist; dieser Spitzenbereich 38 ist aus einem halbleitenden, keramischen Werkstoff mit den Hauptkomponenten Al₂O₃ und TiO₂ hergestellt und mit einer Entladungsfläche 38a ausgebildet.

!m folgenden wird die Herstellung des halbleitenden, keramischen Werkstoffs mit den Hauptkomponenten Aluminiumoxid und Titandioxid beschrieben.

Zunächst wird durch Pyrolyse eines Alüminiumsalzes, wie beispielsweise Aluminiumhydroxyd, ein Pulver hergestellt; als Alternative hierzu ist es auch möglich, Aluminiun cxyd-Pulver durch Kalzinieren eines Aluminiumsalzes zu gewinnen. Dieses Pulver wird mit einem Bindemittel in der Form von Magnesium (MgO) und/oder Siliziumoxyd (Si^?) oder Kalziumoxyd (CaO) gemischt. Disem Gemisch wird eine kleine Menge Titandioxyd (TiO₂) zugesetzt. Nach gründlichem Durchmischen wird dieses Gemisch zu einem Band geformt. Die Form der Elektrode wird aus diesem Band durch Schneiden bzw. Stanzen gewonnen. Die Elektrode wird in einer Sauerstoff-Atmosphäre bei einer Temperatur gesintert, die über 1200⁰C liegt. Das Titandioxyd wird als Additiv

eingesetzt, um dem gesinterten Körper eine gewisse elektrische Leitfähigkeit zu geben; bei dieser Stufe des Herstellungsverfahrens hat der gesinterte Körper jedoch keinerlei elektrische Leitfähigkeit Der gesinterte Körper wird in einer reduzierenden Stickstoffatmosphäre, die Wasserstoff enthält, bei Temperaturen reduziert, die im Bereich von !300 bis 2QQQ^CC Hegen; die Reduktion wird ca. 10 his ca. 48 Stunden lang durchgeführt. Als Ergebnis wird ein keramisscher Aluminium-Titanoxydwerkstoff mit Halbleiiereigenschaften gewonnen.

Zur Erklärung, daß es sich bei dem keramischen Werkstoff, der auf die oben erwähnte Weise hergestellt worden ist, um einen Halbleiter handelt, wird darauf hingewiesen, daß die Reduktion aus dem TiO₂ einen Halbleiter gemacht hat. Die Leitfähigkeit läßt sich im gewissen Maße einstellen, indem der Reduktionsgrad verändert wird, der wiederum von der Temperatur der Atmosphäre und der Behandlungszeit abhängt. Bekanntlich hat Titanoxyd (TiO₂) eine stöchiometrische Struktur, die sich leicht variieren und damit auch reduzieren läßt.

Als Ergebnis der Reduktion werden dem TiO₂ Sauerstoff-Ionen entzogen, so daß die Überschuß-Elektronen eine erhöhte Mobilität haben und sich so verhalten, als würde es sich um Elektronen in einem Kristallgitter eines Metalls handeln. Dies ist eine der Erklärungen dafür, warum TiO₂ als Ergebnis der Reduktion halbleitende Eigenschaften hat. Eine weitere Erklärung ist folgende: Wenn ein Ion mehr als und einschließlich fünf (5) Valenz-Elektroner, hat, wie es beispielsweise dann der Fall ist, wenn ein fünfwertiges Ion wie Sb⁵⁺ als Verunrei-

nigung in einem keramischen Werkstoff enthalten ist, wird das vierwertige Ion Ti⁴⁺ gezwungen, ein dreiwertiges Ion Ti³⁺ zu werden, um die elektrische Neutralistätsbedingung in dem Gitter zu erfüllen. Damit wird also das keramische We/kstück der gleichen Wirkung ausgesetzt wie sie sich aus der Reduktion ergeben würde.

Der halbleitende, keramische Werkstoff mit den Hauptkomponenten Al₂O₃ und TiO₂ hat vermutlich einen Aufbau aus Aluminiumoxid mit hohem Widerstand, einer halbleitenden Feststofflösung aus Aluminiumoxid und Titandioxid und halbleitendem Titandioxid, wobei die Bestandteile ineinander dispergiert sind.

Die elektrischen Eigenschaften des halbleitenden, keramischen Werkstoffs hängen von der Menge an Titandioxyd und/oder den Behandiungsbedingungen während der Reduktion ab.

Die Verwendung des genannten halbleitenden keramischen Werkstoffes als Läuferelektrode und/oder Elektrode eines Zündverteilers stellt ein sehr effektives Mittel für die Unterdrückung von Rauschen dar. Einer der Gründe dafür ist folgender: Die mikroskopische Struktur der Entladungsfläche jeder Elektrode ist aus fein unterteilten leitenden Elementen und einem Element mit hohem Widerstand zusammengesetzt Ein weiterer Grund ist darin zu sehen, daß jede Elektrode unter Berücksichtigung ihrer Makro-Struktur einen elektrischen Widerstand hat

Im folgenden soll eine präzise Erklärung dafür gegeben werden, warum die Verwendung eines halbleitenden,

keramischen Werkstoffs auf der Basis von Al₂O₃ und TiO₂ als Elektrode eines Zündverteilers Rauschen unterdrückt

Diese Erklärung basiert im wesentlichen auf den beiden folgenden Effekten:

1) Die Halbleitereigenschaft des Materials der Elektrode in Verbindung mit seinem elektrischen Widerstand

wirkt mit einer statischen, fließenden bzw. schwebenden Kapazität in Bezug auf Masse zusammen, um ein RC-Filter zu bilden, so daß der Kapazitäts-Entladungsstrom nur mit geringer Gschwindigkeit ansteigt.

2) Da die Entladungsfläche der Elektrode aus feinverteiltem Titandioxyd (TiCh) mit hoher I <?itfähigkeit und Aluminiumoxid (AI2O3) mit hohem Widerstand zusammengesetzt ist, kann man davon ausgehen, daß ein »Vorzündungs-Effekt« (Pre Ignition effect) oder »Malter«-Effskt stattfindet.

Bei dem »Vorzündungs-Effekt« handelt es sich um ein Phänomen, bei dem Raumladungen durch die Läuferund Randelektroden eines Zündverteilers auf der Schicht mit hohem Widerstand auf der Oberfläche jeder ElekL'jde eingefangen werden, und zwar aufgrund von elektrostatischen Kräften. Die eingefangenen Raumladungen bauen ein hohes elekrisches Feld zwischen den Elektrodenoberflächen auf, wodurch eine Entladung zwischen der Läuferelektrode und der Deckelelektrode vor dem Auftreten der primären Entladung verursacht und damit die Größe der Durchbruchspannung, d. h., die Spannung, bei der die Entladung eingeleitet wird, verringert wird.

Bei dem »Malter-Effekt« handelt es sich um ein Phänomen, bei dem ein metallischer Leiter mit einem nichtleitenden Oberflächenfilm einen großen Elektronenemissions-Koeffizienten hat; weil also die negative Elektrode einen großen Elektronen-Emissions-Koeffizienten hat, fällt die Durchschlagspannung, d. h., die Spannung, bei der die Entladung eingeleitet wird, ab.

Die Gültigkeit dieser Übelegungen kann durch Auswertung der Testergebnisse bestätigt werden, die in den F i g. 6 und 7 dargestellt sind. Um die Effekte aufzuklären, die auf den Grundgedanken der Erfindung zurückzuführen sind, wurde ein herkömmlicher Zündverteiler ebenfalls untersucht, auch diese Ergebnisse sind ·η den F i g. 6 und 7 aufgetragen.

F i g. 6 zeigt in einer Kurvendarstellung den Verlauf des Entladungsstroms über dem Verteilerspalt, aufgetragen über der Zeit (durchgezogene Linie der Kurve B) für einen Zündverteiler nach der vorliegenden Erfindung, sowie die entsprechende Kurve (gestrichelte Linie der Kurve A) für einen herkömmlichen Zündverteiler. In dieser Figur sind die Zeit auf der Abszisse und der Ladungsstrom auf der Ordinate aufgetragen. Als herkömmlicher Zündverteiler wurde eine Ausführungsform mit einer Läuferelcktrode aus Kupfer und Deckelelektroden aus Aluminium verwendet. Bei dem Zündverteiler nach der vorliegenden Erfindung bestand die Läuferelektrode aus einem halbleitenden, keramischen Werkstoff auf der Basis von Aluminiumoxyd; bei einer weiteren untersuchten Ausführungsform bestanden sowohl die Läufer- als auch die Deckelelektroden aus einem halbleitenden keramischen Werkstoff auf der Basis von Aluminiumoxyd. Die Unterschiede in den Testergebnissen der beiden Ausführungsformen des Zündverteilers nach der vorliegenden Erfindung war vernachlässigbar gering, so daß beide Ausführungsformen durch die einzige, charakteristische Kurve B dargestellt werden.

Wie man an der gestrichelten Linie der Kurve A erkennen kann, tritt bei einem herkömmlichen Zündverteiler eine Welle mit einer betonten Spitze und einem hohen Spitzenwert auf; dies bedeutet, daß innerhalb einer extrem kurzen Zeitspanne ein hoher Strom fließt. Bei dem Zündverteiler nach der vorliegenden Erfindung zeigt die durchgezogene Linie der Kurve ß eindeutig, daß der Entladungsstrom mit geringerer Geschwindigkeit ansteigt und einen kleineren Spitzenwert hat. Aus einem Vergleich der beiden Kurven A und S ergibt sich, daß bei dem Zündverteiler nach der vorliegenden Erfindung die elektrischer. Rauschquellen effektiv unterdrückt worden sind.

Zur Durchführung eines weiteren Tests wurde ein Kraftfahrzeug mit einem herkömmlichen Zündverteiler und mit einem Zündverteiler nach der vorliegenden Erfindung ausgerüstet; dann wurde die Stärke des elektrisehen Feldes der elektrischen Rauschwellen in Abhängigkeit von der Frequenz gemessen. Die Meßergebnisse sind in Fig.7 dargestellt, wobei die Frequenz auf der Abszisse und der Rauschreduktions-Effekt auf der Ordinate aufgetragen sind.

Die Stärke des elektrischen Feldes in dem Kraftfahrzeug, das mit einem herkömmlichen Zündverteiler ausgerüstet ist, wurde als Grundwert von 0 dB verwendet und ist durch die gestrichelte Linie der Kurve A angedeutet. Die Differenz der Stärke des elekrischen Rauschfeldes zwischen dem Kraftfahrzeug mit dem herkömmlichen Zündverteiler einerseits und dem Kraftfahrzeug mit dem Zündverteiler nach der vorliegenden Erfindung andererseits wurde für jede gegebene Frequenz berechnet und in F i g. 7 aufgetragen, und zwar durch die durchgezogene Linie der Kurve B. Aus der graphischen Darstellung nach F i g. 7 kann man ableiten, daß ein Rauschreduktionseffekt in der Größenordnung von 10 dB bis 15 dB über einen Frequenzbereich von 30 MHz bis 1000 MHz erreicht worden ist.

Weiterhin wurden Messungen durchgeführt, um die Größe der Durchschlagspannung des herkömmlichen Zündverteilers und des Zündverteilers nach der vorliegenden Erfindung zu bestimmen. Die Größe der Durchschlagspannung des herkömmlichen Zündverteiles betrug ungefähr 12 kV, während sie bei dem Zündverteiler nach der vorliegenden Erfindung ungefähr 5 bis 8 kV betrug. Deshalb wird also bei dem Zündverteiler nach der vorliegenden Erfindung ein merklicher Abfall der Durchschlagspannung erreicht. Weiterhin wurde aus der Messung der Spannung an dem Verteilerspalt während der Induktion-Entladung und der Zeitspanne, in der die Induktions-Entladung fortgesetzt wurde, festgestellt, daß praktisch keine Differenz in diesen Parametern zwischen einem herkömmlichen Zündverteiler und dem Zündverteiler nach der vorliegenden Erfindung auftriti. Die Größe der Spannung an dem Verteilerspalt während der Induktions-Entladung war die Summe des Spannungsabfalls aufgrund des Widerstandes der Elektrode und des Spannungsabfalls aufgrund der Induktions-Entladung.

Untersuchungen haben gezeigt, daß der Zündverteiler nach der vorliegenden Erfindung den herkömmlichen Zündverteilern in dem Rauschunterdrückungs-Effekt überlegen war; außerdem war der Verlust an Zündenergie im Vergleich mit dem herkömmlichen Zündverteiler zu gering, um ein Problem darzustellen.

Bei herkömmlichen Zündverteilern treten bekanntlich intermittierende Entladungen auf, und zwar während der Induktions-Entladung; diese intermittierenden Entladungen stören den FM-Rundfunkempfang. Bei dem Zündverteiler nach der vorliegenden Erfindung treten keine Störungen des FM-Rundfunkempfangs auf, weil diese intermittierenden Entladungen vermieden werden. Vermutlich beruht dieser Effekt auf der Microstruktur

der Entladungsfläche der Elektrode, die aus einem halbleitenden, keramischen Werkstoff auf der Basis von Aluminiumoxyd hergestellt ist, sowie auf dem Wiederstand, den die Elektrode durch den halbleitenden, keramischen Werkstoff auf der Basis von Aluminiumoxyd enthält.

Wie oben erwähnt wurde, gibt die Verwendung eines halbleitenden, keramischen Werkstoffs auf der Basis von Aluminiumoxyd als Läuferelektrode und/oder Deckelelektrode der entsprechenden Elektrode einen bestimmten elektrischen Widerstand und führt außerdem zum »Vorzündungs-Effekt« und zum »Malter-Effekt«, die zusammenwirken und insgesamt die elektrischen Rauschwellen unterdrücken.

Es hat sich herausgestellt, daß die Titandioxyd-Menge, die in dem halbleitenden, keramischen Werkstoff auf der Basis vc-i Aluminiumoxyd enthalten ist, in einer engen Beziehung zu der Größe des Verlustes an Zündenergie steht.

Die zugesetzte Menge an Titandioxyd (TiCh) stimmte im wesentlichen mit der Titandioxyd-Menge überein,

die in dem halbleitenden, keramischen Werkstoff auf der Basis von Aluminiumoxyd enthalten war, wie durch eine Analyse der Zusammensetzung bestimmt wurde. Weiterhin wurde auch bestätigt, daß eine sehr geringe Menge an Titandioxyd in Form einer Feststofflösung Aluminiumoxyd/Titandioxyd vorlag; das Aluminiumoxyd war als Alpha-Aluminiumoxyd vorhanden; das Titandioxyd hatte eine Rutil-Struktur.

Die Beziehung zwischen der zugesetzten Menge an Titandioxyd in Bezug auf das Ausgangsmaterial, nämlich Aluminiumoxyd-Pulver, für den halbleitenden, keramischen Werkstoff auf der Basis von Aluminiumoxyd und die Einsatzfähigkeit als Läuferelektrode ist in der folgenden Tabelle dargestellt.

20 Tabelle 25 30

40

50 55 60 55

Titandioxyd (Gew.-o/o)

Ti (Gew.-%)

Rauschunterdrückungs-Effekt im Vergleich mit Kupfer-Läufer (dB)

Unterschied im Leistungsvermögen zum Kupfer-Läufer

(Nur Aluminiumoxyd)	1.4
3	2.4
5	4.8
10	7.3
15	9.8
20	15
30	27
40	26
50	39
70	60
100
(Nur Titandioxyd)

Unfähig zur Zündung

Große Energieverluste Kleine Energieverluste Keine merkliche Differenz

5-10 10-12 10-12 8-10 5-10

In der Tabelle wurden die Mittelwerte über einen Frequenzbereich von 45 zu 1000 MHz als Rauschunterdrükkungs-Effekt genommen; die aufgetragenen Werte wurden aus Versuchen mit einem Zündverteiler erhalten, bei dem eine Läufereiektrode gemäß F i g. 3 verwendet wurde. Diese Läuferelektrode hatte einen Spitzenbereich mit einer Länge /von IQ mm.

Wie man aus der Tabelle ohne weiteres ablesen kann, ist im Vergleich mit einem Kupferläufer der Rauschunterdrückungs-Effekt groß und der Verlust an Zündenergie klein, so lange die zugesetzte Menge an Titandioxyd im Bereich von 10 bis 40 Gew.-o/o (entsprechend einem Anteil an Titan im Bereich von ungefähr 5 bis 20 Gew.-%) liegt. Deshalb ist ein halbleitender, keramischer Werkstoff auf der Basis von Aluminiumoxyd am besten als Material für die Elektroden geeignet.

Als besonders geeignetes Material für die Hestellung der Elektroden hat sich also ein halbleitender, keramischer Werkstoff auf der Basis von Aluminiumoxyd herausgestellt, der aus einem Ausgangsmaterial aus einem Aluminiumoxyd-Pulver mit einem Zusatz von 10 bis 40 Gew.-% Titandioxyd hergestellt worden ist, weil die Abstrahlung von elektrischen Rauschwellen weitgehend unterdrückt worden ist und der Verlust an Zündenergie so gering wie bei einer Kupferelekrode ist Weiterhin ist ein solcher Zündverteiler extrem widerstandsfähig, weil an der Entladungsfläche der Läuferelektrode keine Wärmeverluste auftraten und sich der Rauschunterdrükkungs-Effekt auch nach längerem Gebrauch nicht merklich verschlechterte, wie durch eine Untersuchung der Haltbarkeit bei kontinuierlichen Entladungen herausgefunden wurde, die über längere Zeiten durchgeführt wurden.

Da der Oberflächenzustand der Entladungsfiäche der Elektrode bei der Unterdrückung der elektrischen Rauschwellen eine Hauptrolle spielt, ist es nicht mehr erforderlich, eine lange Elektrode zu verwenden.

Interessanterweise konnte eine Differenz in dem Rauschunterdrückungs-Effekt in Abhängigkeit von der Herstellung der Elektrode festgestellt werden; bei einem ersten Verfahren wurde die Elektrode durch eine spanabhebende Bearbeitung in Form der Elektrode aus einem gesinterten Körper aus einem keramischen Aiuminiumoxyd-Werkstoff gefertigt, der Titandioxyd enthielt; bei dem zweiten Verfahren wurde die Form der Elektrode durch Schneiden bzw. Stanzen vor dem Sintern hergestellt Die Elektroden, die mit dem zuletzt erwähnten Herstellungsverfahren gefertigt worden waren, zeigten einen stärkeren Rauschunterdrückungs-Effekt

Für die Formgebung der Läuferelektrode kann ein Verfahren eingesetzt werden, bei dem die entsprechende Form durch Schneiden bzw. Stanzen erhalten wird; dieses Verfahren sollte für eine Läuferelektrode aus einem

keramischen Aluminiumoxyd-Werkstoff eingesetzt werden, also ein Herstellungsverfahren, bei dem die Läuferelektrode ihre Form durch Schneiden, bzw. Stanzen erhält und der Körper anschließend gesintert wird, da dieses Verfahren in besten für die Massenfertigung zu geringen Kosten geeignet ist.

In den F i g. 8 und 9 ist eine weitere Ausführungsform eines Zündverteilers nach der vorliegenden Erfindung dargestellt; dieser Zündverteiler ist so ausgelegt, daß er das folgende Problem löst: Wie sich in der Praxis herausgestellt hat, verschleißt das Mittelstück 16a aus Kohle (siehe F i g. 1) sehr rasch, wenn dieses Mitielstück 16a in direkten Kontakt mit dem halbleitenden, keramischen Werkstoff aus Aluminiumoxyd gehalten wird, der eine rauhe Oberfläche hat.

Wie man in den F i g. 8 und 9 erkennen kann, enthält eine Läuferelektrode 50 eine zentrale Platte 52, die aus einem verschleißfesten Metall, wie beispielsweise Kupfer oder rostfreiem Stahl hergestellt ist, sowie eine Spitzenplatte 54, die aus einem keramischen, halbleitenden Werkstoff auf der Basis von Aluminiumoxyd hergestellt ist.

Ein Läuferhauptkörper 56 aus elektrisch isolierendem Material ist mit Nuten 58 und 60 für die Aufnahme der zentralen Platte 52 und der Spitzenplatte 54 versehen. Außerdem ist er mit Vorsprüngen 62, 64 und 66 für die Einführung in Löcher ausgebildet, die in den beiden Platten 52 und 54 vorgesehen sind. Bei der Montage werden die zentrale Platte und die Spitzenplatte 52 und 54 in den entsprechenden Nuten 58 und 60 angeordnet, wobei ihre Löcher die entsprechenden Vorsprünge 62,64 und 66 aufnehmen; anschließend werden sie an dem Läuferhauptkörper 56 befestigt, indem die Köpfe der Vorsprünge 62, 64 und 66 durch ein Ultraschall-Nietverfahren yprcrrößprt wprHpn_ Die zentrale P!?.ite 52 und die Sⁿitzenⁿ!stte 54 überlappen einander, so daß sie rniteiriuridcr in elektrischen Kontakt kommen.

Die oben srwähnte Struktur hat die folgende Wirkung: Da die zentrale Platte 52, die in Kontakt mit dem Mittelstück 16a aus Kohle (siehe Fig. 1) steht, aus einem verschleißfesten Metall hergestellt ist, kann das Mittelstück 16a aus Kohle nicht mehr so rasch verschleißen. Trotzdem ergibt sich ein ausreichender Rauschunterdrückungs-Effekt, da die Spitzenplatte 54 mit der Entladungsfläche 54a aus einem halbleitenden, keramischen Werkstoff auf der Basis von Aluminiumoxyd hergestellt ist.

Da diese Struktur die freie Einstellung der tatsächlichen Länge / des halbleitenden, keramischen Werkstoffs auf der Basis von Aluminiurnoxyd ermöglicht (die Länge des radial vorstehenden Abschnittes des Spitzenbereiches von dem Mittelbereich), ist es möglich, der tatsächlichen Länge /einen optimalen Wert zu geben, der unter Berücksichtigung der Rauschun'erdrückungs-Wirkung und des Verlustes an Zündenergie festgelegt worden ist.

Experimentell wurde bestimmt, daß die tatsächliche Länge /auf einen Wert im Bereich von 3 mm bis 15 mm eingestellt werden sollte. Dabei haben Untersuchungen folgendes gezeigt: Solange die tatsächliche Länge / kürzer als ungefähr 15 mm war, ergab sich im Vergleich mit einem herkömmlichen Kupfer-Läufer keine wesentliche Verschlechterung in Bezug auf den Verlust an Zündenergie und in Bezug auf die Zündleistung, die aufgrund des Widerstandes des halbleitenden, keramischen Werkstoffes auf der Basis von Aluminiumoxyd angenommen werden konnten (eine genauere Beschreibung erfolgt später). Wenn jedoch die Länge / kürzer als 3 mm war, trat eine Entladung zwischen der zentralen Platte und den Deckelelektroden auf, wodurch der Rauschunterdrückungs-Effekt weniger ausgeprägt wurde.

Bei dem oben beschriebenen Fertigungsverfahren wurde kein Druck auf den halbleitenden, keramischen Werkstoff auf der Basis von Aluminiumoxyd ausgeübt, wie es bei dem herkömmliche·.·> Verfahren zur Befestigung einer Läuferelektrode an einem Läuferhauptkörper durch Formen der Fall war; dadurch vereinfacht sich also auch das Montageverfahren, wobei weiterhin jede Gefahr ausgeschlossen wird, daß der Spitzenbereich des halbleitenden, keramischen Werkstoffes auf der Basis von Aluminiumoxyd während des Formens brechen könnte.

Im folgenden soll unter Bezugnahme auf die F i g. 14,14A, 15 und 15A der Verlust an Zündenergie, der bei dem Zündverteiler nach der vorliegenden Erfindung auftritt, im Detail erläutert werden.

F i g. 14 zeigt die Ergebnisse von Untersuchungen an einem Zündverteiler mit dem in F i g. 14A dargestellten Aufbau; dabei wurde eine Läuferelektrode mit einem Spitzenbereich aus einem halbleitenden, keramischen Werkstoff auf der Basis von Aluminiumoxyd mit einer Länge von 10 mm, mit einer Breite von 12 mm und mit einer Dicke von 1 mm (siehe F i g. 14A) verwendet. In F i g. 14A sind eine Temperatursonde und eine Kontaktelektrode durch die Bezugszeichen 70 bzw. 72 angedeutet. Wenn die Temperatur des Spitzenbereiches der Läuferelektrode 28°C betrug, wurde bei Anlegen einer Spannung von 10 V ein Widerstandswert in der Größenordnung von mehreren KOhm erhalten. Wenn eine Spannung von 100 V angelegt wurd, wurde ein Widerstandswert von 40 KOhm gemessen. Wie in F i g. 14 aufgetragen ist, nimmt also der Widerstandswert R mit zunehmender Spannung ab, d. h„ es besteht eine Beziehung, wonach der Widerstandswert R umgekehrt proportional zu der Spannung ist.

Fig. 15 zeigt Testergebnisse, die mit einer konstanten angelegten Spannung von 120 V (siehe Fig. 15A) erhalten wurden; dabei ist die Widerstands/Temperatur-Kennlinie aufgetragen.

Wenn die Temperatur an dem Spitzenbereich bis auf ungefähr 100⁰C ansteigt, tritt ein rascher Abfall des Widerstandswertes auf, wie man aus F i g. 15 ablesen kann.

Unter Berücksichtigung der Spannungsabhängigkeit des Widerstandes und seiner Temperaturabhängigkeit läßt sich also ableiten, daß der Widerstandswert der Läuferelektrode während der Induktions-Entladung in der Größenordnung von mehreren KOhm abfällt, wenn die Elektroden-Temperatur in der Größenordnung von mehreren 100⁰C liegt, weil die angelegte Spannung einen Wert von etwa 200 V hat. Deshalb kann man also folgendes festhalten: Da der Widerstandswert in der Größenordnung von mehreren KOhm liegt, ist ein Verlust an Zündenergi'e aufgrund des Widerstandswertes sehr gering. Dies bildet eine gute Erklärung dafür, daß keine wesentliche Spannungsdifferenz zwischen den Läufer- und Deckel-Elektroden während der Induktions-Entladung und kein wesentlicher Unterschied in der Entladungszeit zwischen dem Zündverteiler nach der vorliegenden Erfindung einerseits und einem herkömmlichen Zündverteiler, bei dem eine KuDferelektrode verwendet

wurde, andererseits auftrat -^r\

Im folgenden soll unter Bezugnahme auf Fig. 10 eine Modifikation des Läufers nach den Fig.8 und 9 .;

beschrieben werden. fei

Bei dieser Ausführungsform werden während des Formens des Läuferhauptkörpers 56 Nieten 74 und 76 (als gi Ersatz hierfür können auch Gummitüllen bzw. Isolierscheiben verwendet werden) und der Läuferhauptkörper |j

56 einstückig ausgebildet Mit den Nieten 74 und 76 werden die zentrale Platte und die Spitzenplatte 52 und 54 an |j

dem Läuferhauptkörper 56 befestigt . 1

Die Fig. 11 und 12 zeigen eine weitere Ausführungsform des Läufers, wobei die Spitzenplatte 80 an einem g Bereich, der durch eine zentrale Platte 84 überlappt werden kann, mit einer Nut 82 versehen ist, um so den | Endbereich der zentralen Platte 84 aufzunehmen. Bei der Montage wird das Ende der zentralen Platte 84 in die | Nut 82 der Spitzenplatte 80 eingeführt und dann werden sie an einem Läuferhauptkörper 56 mit einem ähnlichen £■ Verfahren angebracht, wie es in Verbindung mit den F i g. 8 und 9 beschrieben wurde. | Die in der Spitzenplatte 80 ausgebildete Nat dient dazu, die relative Lage der Spitzenplatte 80 in Bezug auf die $.

zentrale Platte 84 festzulegen und die entsprechende Anbringung zu erleichtem. f,

F i g. 13 zeigt schließlich noch eine weitere Ausführungsform des Läufers. Bei dieser Ausführungsform werden ;ϊ

eine zentrale Platte 86 und eine Spitzenplatte 88 längs einer radialen Richtung so auf einem Läuferhauptkörper ύ

56 angeordnet daß ihre benachbarten Enden einander berühren; dabei wird das gleiche Harz, wie es als Material für den Läuferhauptkörper 56 verwendet wird, in Löcher 90 und 92 gedrückt die in der zentralen Platte bzw. der Spitzenplatte 86 bzw. 88 ausgebildet sind. Auf diese Weise werden die zentrale Platte und die Spitzenplatte 86 ^

und 88 an dem Läuferhauptkörper 56 befestigt Da der keramische, halbleitende Werkstoff auf der Basis von

AluirJriumcxyd massiv bzw. fest ist und nur eine sehr geringe Neigung zu Brüchen bzw. zur RiBbüdung zeigt, -■-■

können die zentrale Platte bzw. die Spitzenplatte 86 bzw. 88 einstückig mit dem Läuferhauptkörper 56 während des Formens bzw. Gießen des Läuferhauptkörptrs ausgebildet werdea

Wenn ein Verfahren verwendet wird, bei dem die zentrale Platte und die Spitzenplatte 86 und 88 einstückig mit dem Läuferhauptkörper 56 geformt bzw. gegossen werden, kann auf das Vernieten bzw. Verkerben verzichtet werden, das sonst für die Befestigung erforderlich ist; die Anbringung der Läuferelektrode kann während des Formens bzw. Gießen des Läuferhauptkörpers durchgeführt werden.

Zusammenfassend läßt sich also folgendes feststellen: Wenn der Bereich einer Läuferelektrode, der mit einem ivlittelstück aus Kohle in Berührung steht aus einem verschleißfesten Metall hergestellt ist, während der übrige _t

Bereich der zentralen Elektrode, d. h, der Spitzenbereich, aus einem halbleitenden, keramischen Werkstoff auf der Basis von Aluminiumoxyd hergestellt ist, und wenn die Länge des Spitzenbereiches einen optimalen Wert hat, der im Bereich von 3 mm bis 15 mm liegt, und wenn schließlich die Spitzen- und die zentrale Platte an dem Läuferhauptkörper auf einfache Weise angebracht sind, wie es unter Bezugnahme auf die verschiedenen, in den F i g. 8 bis 13 gezeigten Ausführungsformen beschrieben wurde, dann läßt sich eine ausreichende Unterdrückung des Rauschens, eine Verringerung der Verschleißgeschwindigkeit des Mittelstücks aus Kohle und eine einfache Montage erreichen.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Zündverteiler für eine Wärmekraftmaschine, insbesondere für einen Verbrennungsmotor, mit einem Verteilerdeckel und mit einem Verteilerläufer, der in dem Verteilerdeckel um seine Achse drehbar ist, wobei der Verteilerdeckel eine zentrale Mittelelektrode und mehrere Randelektroden aufweist, die auf einem Kreisumfang um die Drehachse des Läufers angeordnet sind, wobei der Verteilerläufer einen Läuferhauptkörper aus einem elektrisch isolierenden Material, der um die Drehachse des Läufers drehbar ist, und eine von dem Läuferhauptkörper gehalterte Läuferelektrode aufweist, die eine Entladungsfläche enthält, die bei der Drehung des Verteilerläufers eine kreisförmige Bahn durchläuft und dadurch einen Verteilerspalt vorge-

gebener Breite mit den Randelektroden (18) bildet, wobei die Läuferelektrode einen Oberflächenbereirh hat, der im Kontakt mit der Mittelelektrode steht, und wobei die Läuferelektrode aus einem halbleitenden, keramischen Werkstoff mit der Hauptkomponente Aluminiumoxyd (Al₂O₃) hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, daß als weitere Hauptkomponente der halbleitende, keramische Werkstoff lediglich 10 bis 40 Gew.-% Titandioxyd (TiO₂) enthält.

2. Zündverteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auch die Randelektroden (18) aus dem

halbleitenden, keramischen Werkstoff hergestellt sind.

3. Zündverteiler nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Läuferelektrode (24) einen die Entladungsfläche aufweisenden Spitzenbereich (26a) und einen zentralen Bereich (28) aufweist, dessen Oberfläche sich im Kontakt mit der Mittelelektrode befindet, und daß nur der Spitzenbereich (26) aus

dem halbleitenden, keramischen Werkstoff hergestellt ist, während der zentrale Bereich (28) aus einem verschleißfesten Metall besteht

4. Zündverteiler nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Läuferelekrode aus einer ersten, die Entladungsfläche aufweisenden Platte, und einer zweiten zentralen Platte besteht, deren Oberfläche sich im Kontakt mit der Mittelelektrode befindet, und die auf der ersten Platte befestigt ist, so daß sie im elektrischen Kontakt mit der zentralen Platte steht, und daß nur die erste Platte aus dem halbleitenden, keramischen Werkstoff hergestellt ist, während die zweite Platte aus einem verschleißfesten Metall besteht

5. Zündverteiler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß längs der radialen Richtung von der Drehachse des Läufers der Abstand von der Entladungsfläche zu der zenfalen Platte im Bereich von 3 mm bis 15 mm liegt

6. Zündverteiler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Läuferhauptkörper (20) mit Nuten

versehen ist, die die zentrale bzw. die Spitzenplatte aufnehmen, daß in den Nuten mehrere Vorsprünge angeordnet sind, daß in der zentralen Platte und der Spitzenplatte Löcher ausgebildet sind, die die Vorsprünge aufnehmen, und daß die Vorsprünge durch Verkerben bzw. Vernieten vergrößerte Köpfe bilden können, um die zentrale Platie und C~£ Spitzenplatte an dem Läuferhauptkörper zu befestigen.

7. Zündverteiler ntch Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Platte die Spitzenplatte überlappt

8. Zündverteiler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitzenplatte mit einer Nut für die Aufnahme eines Endbereiches der zentralen Platte ausgebildet ist.

9. Verfahren zur Herstellung einer Läufer- oder Randelektrode eines Zündverteilers nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der halbleitende, keramische Werkstoff auf der Basis von Aluminiumoxyd durch Präparieren eines Anteils eines Pulvers (AI₂O₃), das durch Pyrolyse von Aluminiumhydroxid gewonnen wird, und eines Aluminiummoxyd-Pulvers gebildet wird, das durch Kalzinieren eines Aluminiumsalzes gewonnen wird, daß das Pulver mit einem Bindemittel in Form von Magnesium (MgO) und/oder Siliziumoxyd (SiO₂) und/oder Kalziumoxyd (CaO) mit einem Additiv aus Titandioxyd (TiO₂) gemischt wird, daß aus dem Gemisch mit der Form der Elektrode gebildet wird, daß das Gemisch mit der Form der Elektrode in einer Sauerstoffatmosphäre bei einer Temperatur von mehr als 1200° C gesintert wird, und daß der gesinterte Körper mit der Form der Elektrode in einer reduzierenden, Wasserstoff enthaltenden Atmosphäre bei einer Temperatur, die im Bereich von 1300 bis 2000°C liegt, in einer Zeitspanne von ungefähr 10 bis ungefähr 48 Stunden reduziert wird.