DE4017650A1 - Zuendkerze - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Zündkerze für Verbrennungs­ motoren mit verbesserten thermischen Eigenschaften. Für jeden Motortyp ist eine genaue Wärmewertanpassung der Zünd­ kerze notwendig. Außerdem ist es notwendig, Zündkerzen mit thermischem Verhalten bereitzustellen, die einerseits schon unter geringer thermischer Belastung ausreichend hohe Tem­ peraturen für eine Selbstreinigung der Isolierkörperspitze erreichen und andererseits unter hoher Belastung eine Glüh­ zündung vermeiden.

Die Abstufung im thermischen Verhalten der Zündkerzen wird im wesentlichen durch die Veränderung der Länge der Isolier­ körperspitze realisiert.

Zum anderen ist man bestrebt, bei gleichbleibendem Wärmewert die Isolierkörperspitze zu verlängern, um bei Verrußung und Belagbildung an der Zündkerze die Bildung von Nebenschluß­ widerständen zu vermeiden, eine hohe Überschlagsfestigkeit der Isolierkörperspitze zu garantieren und den Ort des Fun­ kenüberschlages in einen günstigen Brennraumbereich zu legen. Ältere Lösungsvorschläge gingen davon aus, daß eine gute Wärmeableitung und Gasdichtheit zwischen dem Keramikkörper und dem Gehäuse notwendig ist. So kamen hierzu u. a. Kupfer­ ringe für die Dichtflächen zwischen Isolierkörper und Gehäu­ se zum Einsatz (DR 4 03 680, DR 4 15 494) oder die Flächen des Keramikkörpers, welche auf dem Gehäuse aufliegen, wurden gal­ vanisch verkupfert. In US-PS 1 83 572 wird ein Metallring zur besseren Wärmeabfuhr vorgeschlagen und in DR 5 14 687 soll eine Metallhülse aus Kupfer die Wärmeableitung verbessern. Nach DE 23 14 669 wird zur Sicherung einer hohen Gasdichtheit eine angelötete oder verschweißte Metall-Keramik-Verbindung zwi­ schen Isolierkörper und Gehäuse vorgesehen.

Die Probleme solcher Verbindungen liegen in den unterschied­ lichen Ausdehnungskoeffizienten von Keramik und Metall, wel­ che bei den thermischen Ausdehnungsprozessen Luftspalte zwi­ schen Isolierkörper und Gehäuse notwendig machen und eine elastische Verformung des Gehäuses zur Kraftaufnahme erfor­ dern. Bei modernen Zündkerzen werden daher bestimmte Keilwin­ kel an der Dichtfläche zwischen Isolierkörper und Gehäuse vorgegeben, und durch Kalt- oder Warmschrumpfen des Gehäuses wird eine dauerelastische Druckverbindung hergestellt.

Betrachtungen zum thermischen Verhalten von Zündkerzen zeigen, daß der Hauptwärmestrom nicht direkt von der Isolierkörper­ spitze zu deren Verbindung mit dem Gehäuse erfolgt. Zur Er­ höhung der Wärmeableitung von der Isolierkörperspitze und der Erweiterung des Wärmewertbereiches der Zündkerze kommen deshalb Zweistoffverbundelektroden zum Einsatz, welche einen korrosionsbeständigen und abbrandfesten Mantel und einen thermisch gut leitenden Kern, z. B. aus Kupfer, besitzen (z. B. DE 34 33 031, DE 36 07 243, GB 21 69 527, US-PS 45 75 343). Die vordere Keramikspitze gibt nun die Wärme an die Mittel­ elektrode weiter, die diese ins Innere der Zündkerze leitet, von wo über eine Innenkittung der Wärmestrom wieder durch die Keramik zum metallischen Gehäuse verläuft. Es liegt somit eine Art Hauptwärmeleitungskette vor, wobei die thermische Belastung durch den Gesamtwärmewiderstand bestimmt wird, so­ wie von schlechten Verbindungsstellen mit ungenügendem Wär­ meübergangsverhalten, die einen Wärmestau verursachen können. Neben der Gefahr von Glühzündungen vergrößern sich bei zu hohen Temperaturen die Korrosion und der Abbrand der Zünd­ elektroden. Insbesondere bei weit in den Brennraum vorgezo­ gener Funkenlage sind die Elektroden und die Keramik hohen thermischen Belastungen ausgesetzt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, bei vorgegebenen äußeren Abmessungen der Zündkerze und gegebener Wärmeleit­ fähigkeit der zum Einsatz kommenden Materialien einen kon­ struktiv veränderten inneren Aufbau und solche geometrischen Verhältnisse anzugeben, die den Gesamtwärmewiderstand der Zündkerze herabsetzen und die Wärmeableitung zum Gehäuse verbessern.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Isolierkörper im Innern des Gehäuses eine rauhe Oberfläche besitzt, auf welcher luftblasenfrei ein Metallzylinderman­ tel in einer Höhe von mindestens 5 mm, bestehend aus einer metallischen Schicht oder einem Schichtsystem, aufgebracht ist, zwischen Metallzylindermantel und Gehäuse ein Luft­ spalt größer 0,05 mm und wenigstens eine kreisringförmige Kontaktfläche mit einem Querschnitt größer 2 mm² besteht und das Produkt aus Querschnitt des Metallzylindermantels und seiner Wärmeleitfähigkeit größer 10^-4 Joule mal Meter pro Sekunde und Kelvin ist.

Bei der Untersuchung der Temperaturverteilung auf dem Iso­ lierkörper von Zündkerzen mittels Anlauffarben von Metal­ len ergaben sich unerwartet Differenzen beim Einsatz ver­ schiedener Metalle sowie bei unterschiedlichen Schicht­ dicken der Metallisierung. Bereits bei geringsten Schicht­ dicken von wenigen 10 Mikrometer eines thermisch gut lei­ tenden Metalls und einer von diesem zum Gehäuse hergestell­ ten guten thermischen Verbindung wurden die Oberflächen­ temperaturen des Isolierkörpers innerhalb des Gehäuses ab­ gesenkt.

Geht man davon aus, daß bei stationärem Motorbetrieb eine bestimmte Wärmemenge an die Zündkerze abgegeben wird, so muß diese Wärmemenge pro Zeiteinheit eine Kette von Wärme­ widerständen innerhalb der Zündkerze überwinden und wird im wesentlichen zum Motorgehäuse abgeleitet.

In Analogie zum Ohmschen Gesetz ist hierzu eine treibende Potentialdifferenz, d. h. eine Temperaturdifferenz notwendig, die um so höher liegt, je größer der Gesamtwärmewiderstand ist. In den einzelnen Gliedern dieser Wärmeleitungskette ist die Temperaturdifferenz auch an den Teilen und Schichten mit dem größten Wärmewiderstand am höchsten. Da die für den Iso­ lierkörper zum Einsatz kommende Keramik gegenüber gut wärme­ leitenden Metallen eine um den Faktor 10-40 geringere Wär­ meleitfähigkeit besitzt, stellt sich auch eine der größten Wärmewiderstände dar. Die wärmedurchflossene Fläche sowie die Wegstrecke in der Keramik können aufgrund der mechani­ schen und elektrischen Festigkeit bei der bisherigen kon­ struktiven Lösung kaum verändert werden.

Nach der erfindungsgemäßen Lösung kann nun die Wärme aus dem Innern der Zündkerze im Bereich der inneren Kittstelle die Keramik in radialer Richtung durch die Zylinderwand des Isolierkörpers zum Metall-Zylindermantel durchdringen und wird von diesem über die kreisringförmige Kontakt­ fläche zum Gehäuse geleitet.

Der Hauptwärmestrom durch die Keramik erfolgt nun nicht mehr über den kürzesten Weg zum Gehäuse, sondern teilweise zur aufgebrachten Metallisierung, von dort zum Gehäuse und kann über die Wandhöhe und die Dicke der Metallisierung sowie die Dicke der Zylinderwand des Isolierkörpers beein­ flußt werden. Der notwendige Spalt zwischen Isolierkörper und dem Gehäuse der Zündkerze, der den Wärmestrom über den Gesamtumfang unterbricht, kann erhalten bleiben.

Erfindungsgemäß ergibt bereits eine Schichtdicke von größer 50 Mikrometer um den Metallzylindermantel eine zur Verbin­ dungsstelle mit dem Gehäuse hin verbesserte Wärmeableitung. Die Temperaturdifferenz zwischen Verbindungsstelle mit dem Gehäuse und der Mittelelektrode im Bereich der Innenkitt­ stelle kann herabgesetzt werden und damit auch die Tempe­ raturbelastung der Mittelelektrode. Als vorteilhaft erweist sich, wenn die Mittelelektrode in der Innenbohrung des Iso­ lierkörpers die gleiche Höhe wie der Metallzylindermantel besitzt. Weiterhin vorteilhaft ist, wenn der Metall-Glas­ kitt zur hermetischen Abdichtung und Herstellung der elek­ trischen Verbindung zwischen Mittelelektrode und Kerzen­ stift eine hohe thermische Leitfähigkeit besitzt und die Mittelelektrode durch flaches Anquetschen oder einen stern­ förmigen Querschnitt und vergrößerter Oberfläche im Bereich der Innenkittstelle sehr nahe an die Keramik heranreicht. Die Verbesserung der Wärmeableitung wirkt unabhängig davon, ob als Mittelelektrode ein Stift aus einer Nickellegierung oder einem Verbundwerkstoff mit Kupferkern zum Einsatz ge­ langt.

Als zweckmäßig für die Wirksamkeit erweist sich die hohe Rauhigkeit der Keramikoberfläche mit einer Rauhtiefe größer 15 Mikrometer im Innern des Gehäuses und das luftblasen­ freie Aufbringen einer Metallhaftschicht, welche dann verstärkt werden kann. Durch die hohe Rauhtiefe der Kera­ mik sowie das luftblasenfreie Aufbringen der Metallhaft­ schicht erhält man eine mehr als 10mal größere Kontakt­ fläche zwischen dem Isolierkörper und dem aufgebrachten Metallzylindermantel. Nur diese erfindungsgemäße Ausfüh­ rung gewährleistet ein genügend gutes Wärmeübergangsverhal­ ten von der Keramik zum Metallzylindermantel. Vorteilhaft ist, wenn die mittlere Wärmeleitfähigkeit des Materials des Metallzylindermantels größer 70 Watt pro Meter und Kelvin ist.

Selbstverständlich kann die Metallisierung auf der Keramik weiter nach oben bis zum Bördelrand 6 des Gehäuses erfolgen, wodurch ein weiterer Wärmekontakt zum Gehäuse 2 der Zünd­ kerze hergestellt wird, und eine Wärmeableitung nun in zwei Richtungen erfolgen kann.

Solch eine wesentlich verbesserte Wärmeableitung kann bei bisher bekannten direkt auf den Isolierkörper aufgeschrumpf­ ten Metallhülsen nicht erreicht werden, da hier stets Hohl­ räume und Lufteinschlüsse verbleiben und ein nur ungenügen­ des Wärmeübergangsverhalten besteht.

Besitzt der Isolierkörper im Innern des Gehäuses eine luft­ blasenfrei aufgebrachte Metallhaftschicht einer Dicke von 50 Mikrometer, so kann nun auch die Wärmeableitung zum Ge­ häuse durch Einpressen eines federnden dünnen Metallprofil­ blechs zwischen Isolierkörper und Gehäuse erfolgen.

Vorteilhafter und kostengünstiger ist jedoch, wenn die Haft­ schicht direkt verstärkt wird und der Metallzylindermantel eine Dicke von 10 Mikrometer bis 500 Mikrometer aufweist.

Die erfindungsgemäße Lösung soll an zwei Ausführungsbei­ spielen erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Zündkerze im Teilschnitt mit einer Gesamtummantelung des Ke­ ramikkörpers innerhalb des Gehäuses mit einem Metallzylindermantel 7 aus Nickel,

Fig. 2 eine schematische Teildarstellung einer Zünd­ kerze im Teilschnitt mit einem Metallzylinder­ mantel auf dem Keramikkörper, bestehend aus einer Ein­ brennglasur und einer Kupferschicht.

Die erfindungsgemäße Zündkerze entspricht grundsätzlich dem Aufbau üblicher Serienzündkerzen, wobei der Isolier­ körper 1 eine leicht geänderte Form besitzt.

Dieser Isolierkörper 1 wird fest in ein metallisches Gehäu­ se 2 eingebördelt, wobei an der Innendichtfläche 5 und am Bördelrand 6 zwischen Gehäuse 2 und Isolierkörper 1 kreis­ ringförmige Kontaktflächen bestehen, während über den ge­ samten Umfang zwischen Isolierkörper 1 und Gehäuse 2 ein Luftspalt zur Gewährleistung der thermischen Ausdehungs­ prozesse besteht. Die Herstellung der Hochspannungsdurch­ führung erfolgt in üblicher Weise. Dazu wird z. B. eine Unterteilung in eine untere abbrandfeste Mittelelektrode 3 und einen Gewindestift 8 als Hochspannungsabschluß vorge­ nommen. Die Verbindung erfolgt über eine Kittstelle 4 mittels eines leitfähigen Glaskittes. Hierzu erhält die Mittelelektrode 3 eine übliche Verdickung und Oberflächen­ vergrößerung, z. B. als Art eines angequetschten Nagelkopfes oder durch einen sternförmigen Querschnitt, und es wird ein Kitt mit hohem Metallpulveranteil zur Erhöhung des Wärmeübergangsverhaltens von der Mittelelektrode 3 zum Isolierkörper 1 verwendet. In dieser Ausführungsform nach Fig. 1 ist der Isolierkörper 1 erfindungsgemäß innerhalb des Gehäuses 2 vollständig mit einem Metallzylindermantel 7 aus Nickel, bzw. einer Nickellegierung einer Schicht­ dicke von 100 Mikrometer versehen. Bei einem sehr billi­ gen Verfahren werden auf die zu metallisierenden Keramik­ bereiche Keimbildner aufgebracht, z. B. durch Erhitzen von Metallchloriden, wonach in einem großtechnischen chemisch reduktiven Verfahren eine metallische Nickelschicht oder NiPh-Legierung auf der Keramikoberfläche haftfest und weitgehend luftblasenfrei abgeschieden werden kann.

An den Verbindungsstellen des Isolierkörpers 1 zum Gehäuse, der Innendichtfläche 5 und dem Bördelrand 6 erfolgt die Kontaktierung nun über den Metallzylindermantel 7 und gewährleistet ein gutes Wärmeübergangsverhalten.

Als günstig erweist sich, wenn im Bereich des Metallzy­ lindermantels 7, der den Isolierkörper 1 umgibt, die Wand­ stärke der Keramik soweit verringert ist, wie es die me­ chanische Stabilität und Hochspannungsfestigkeit erlaubt und nur im Bereich des Bördelrandes 6 eine ausreichend haltbare Verdickung verbleibt. Hierdurch kann nun der Wärmestrom über die verringerte Wandstärke und große Fläche der gesamten Zylinderwand zum Metallzylindermantel 7 erfol­ gen und von dort zum Gehäuse. Der Metallzylindermantel 7 kann nach bekannten Verfahren hergestellt werden.

Zu einer deutlichen Verbesserung der Wärmeableitung kann die vorgelegte Lösung nur beitragen, wenn die geometrischen und stofflichen Eigenschaften des Metallzylindermantels 7 so gewählt werden, daß das Produkt aus Wärmeleitfähigkeit und Querschnitt des Metallzylindermantels größer 10^-4 Joule mal Meter pro Sekunde und Kelvin ist. Fig. 2 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausführung einer Zündkerze als Teildarstellung. Der prinzipielle Aufbau ist mit dem von Fig. 1 identisch. Es wurde hier in Fig. 2 eine gebräuch­ liche Ausführungsform mit vorgezogener Spitze des Isolier­ körpers 1 sowie weit vorgezogener Funkenanlage F gewählt. Hierbei gelangen gewöhnliche Verbundelektroden mit Kupfer­ kern zum Einsatz oder sogar massive Silberelektroden. Nun reicht die angequetschte Verdickung der Mittelelektrode 3 etwa bis zum oberen Ende des Metallzylindermantels 7. Dieser besteht z. B. aus einer etwa 10 Mikrometer dicken Haftschicht einer silberhaltigen Einbrennpaste und einer 200 Mikrometer dicken Kupferschicht. Diese Kupferschicht kann im Bedarfsfall noch gegen Korrosion oberflächenge­ schützt werden. Die über die Mittelelektrode 3 mit guter Wärmeleitfähigkeit im Innern der Zündkerze zum Bereich der Kittstelle geleitete Wärme kann nun sehr effektiv über die gesamte Höhe des metallisierten Isolierkörpers 1 in radialer Richtung nach außen geleitet werden und über den Metallzylindermantel 7 in axialer Richtung nach unten zur Innendichtfläche 5 zum Gehäuse. Die bei konstanter Temperaturdifferenz pro Wegstrecke durch ein Material geleitete Wärme ist proportional dem Produkt von Wärme­ leitfähigkeit und durchströmter Fläche A. Die verbesser­ te Wärmeleitung durch die Keramik wird damit durch die er­ findungsgemäße Vergrößerung der von der Wärme durchström­ ten Fläche und die Wärmeableitung in radialer Richtung zum Metallzylindermantel 7 erzielt.

Eine effektive Wärmeableitung vom Metallzylindermantel 7 zum Gehäuse 2 kann nur bei Gewährleistung der erfindungs­ gemäßen Ausführung bzgl. der Größe des Produkts aus Wär­ meleitfähigkeit und Querschnitt der wärmedurchströmten Fläche erfolgen. So erbringen z. B. in der Elektrotechnik übliche Keramikmetallisierungen mit Haftschichten von einigen Nanometern und Leitschichten im Bereich von einem Mikrometer nicht den gewünschten Effekt.

Erst die Entwicklung von Verfahren zum Aufbringen sehr dicker Metallschichten von 10-500 Mikrometern mit hoher Temperaturwechselbeständigkeit auf Keramiksubstraten so­ wie Verfahren zur Verringerung des Edelmetalleinsatzes lassen die Anwendung der erfinderischen Lösung ökonomisch sinnvoll erscheinen.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

1 Isolierkörper
2 Gehäuse
3 Mittelelektrode
4 Kittstelle
5 Innendichtfläche
6 Bördelrand
7 Metallzylindermantel
8 Gewindestift
9 Metallprofilblech
F Funkenanlage

Claims (6)

1. Zündkerze mit verbesserten Eigenschaften, gekennzeich­ net dadurch, daß der Isolierkörper (1) im Innern des Gehäu­ ses (2) eine rauhe Oberfläche besitzt, auf welcher luftbla­ senfrei ein Metallzylindermantel (7) in einer Höhe von min­ destens 5 mm, bestehend aus einer metallischen Schicht oder einem Schichtsystem, aufgebracht ist, zwischen Metall­ zylindermantel (7) und Gehäuse (2) ein Luftspalt größer 0,05 mm und wenigstens eine kreisringförmige Kontaktfläche mit einem Querschnitt größer 2 mm² besteht und das Pro­ dukt aus Querschnitt des Metallzylindermantels (7) und seiner Wärmeleitfähigkeit größer 10-4 Joule mal Meter pro Sekunde und Kelvin ist.

2. Zündkerze nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß im Innern des Gehäuses (2) die Mikrorauhtiefe der Oberfläche des Isolierkörpers (1) größer 15 Mikrometer ist.

3. Zündkerze nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Dicke bzw. Wandstärke des Metallzylindermantels (7) größer 10 Mikrometer und kleiner 500 Mikrometer ist.

4. Zündkerze nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die mittlere Wärmeleitfähigkeit des Materials des Metallzylin­ dermantels (7) größer 70 Watt pro Meter und Kelvin ist.

5. Zündkerze nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Mittelelektrode (3) in der Innenbohrung des Isolierkörpers (1) die gleiche Höhe wie der Metallzylindermantel (7) besitzt.

6. Zündkerze nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß bei einer Dicke des Metallzylindermantels (7) von 10-50 Mikro­ meter zwischen Isolierkörper (1) und Gehäuse (2) ein federn­ des Metallprofilblech (9) eingepreßt ist.