DE69111023T2

DE69111023T2 - Glassdichtmittel für Zündkerzenisolator zur Anwendung in Verbrennungsmotoren.

Info

Publication number: DE69111023T2
Application number: DE69111023T
Authority: DE
Inventors: Hiroyasu Ogura; Takafumi Oshima
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1990-10-31
Filing date: 1991-10-31
Publication date: 1995-11-02
Anticipated expiration: 2011-11-01
Also published as: JPH04167385A; DE69111023D1; JP2916813B2; EP0484168A2; EP0484168A3; EP0484168B1; US5172025A

Description

Die Erfindung betrifft ein Dichtungsmittel aus Glas, das mit einem Zündkerzenisolator versehen ist, um eine Mittelelektrode mit einer Endelektrode zu verbinden, die in einer Axialbohrung des rohrförmigen Isolators vorgesehen sind, und die Erfindung betrifft insbesondere eine Zusammensetzung für das Dichtungsmittel aus Glas, die dem Dichtungsmittel aus Glas Wärmebeständigkeit verleiht.
Bei einer Zündkerze zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor ist ein elektrisch leitendes Dichtungsmittel aus Glas luftdicht in einem rohrförmigen Isolator der Zündkerze vorgesehen, um eine Mittelelektrode elektrisch mit einer Endelektrode zu verbinden, die in einer Axialbohrung des rohrförmigen Isolators vorgesehen sind.
Das Dichtungsmittel aus Glas wurde im allgemeinen hauptsächlich aus Borsilicatglas (SiO&sub2; - B&sub2;O&sub3; - Na&sub2;O) und Füllmetallen hergestellt.
Ein Dichtungsmittel dieser Art ist in FR-A-1529044 offenbart. Das Dichtungsmittel ist ein Gemisch, bestehend aus einem Borsilicatglas, Kupfer und einer geringen Menge Zink, Mangan oder Silicium, die mit dem Kupfer legiert und ein Gemisch bildet, das bei 815 - 870 ºC schmilzt und sich mit Metallen und keramischen Materialien verbindet, wobei bei dieser Temperatur ein flüchtiger Bestandteil des Glases freigesetzt wird. solche Dichtungsmittel aus Glas eignen sich für Zündkerzen.
Da das Borsilicatglas einen Erweichungspunkt von 600 700 ºC aufweist, beginnt es zu erweichen, wenn der Motor bei 5000 U/min mit Vollgas gefahren wird. Der Grund dafür ist, daß ein vorderes Ende des Isolators zu einem Brennraum des Motors hin freiliegt, so daß die Temperatur an dem vorderen Ende bis auf 1000 ºC ansteigt.
Das auf diese Weise erweichte Borsilicatglas unterliegt einer Verringerung seiner Viskosität, so daß Hohlräume entstehen, und isoliert die Glaskomponenten so sehr von den Metallkomponenten, daß sich deren elektrische Leitfähigkeit sehr verschlechtert.
Dagegen setzt sich das Füllmetall aus Bor, Kupfer, Zinn und dergleichen zusammen, so daß sich die Dichtheit gegen die Endelektrode erhöht, die aus Stahl besteht. Das Zusatzmaterial aus Bor, Kupfer und Zinn reagiert mit den Edelmetallen der Mittelelektrode und bildet eine Metallverbindung mit einem niedrigen Schmelzpunkt, wodurch die Edelmetalle zu stark korrodieren, als daß sie die elektrische Leitfähigkeit zwischen der Mittelelektrode und der Endelektrode sichern könnten.
Deshalb ist es eine Aufgabe der Erfindung, die oben genannten Nachteile auszuschließen und eine Dichtungsmittelzusammensetzung aus Glas zu schaffen, die in der Lage ist, die elektrische Leitfähigkeit zwischen einer Mittelelektrode und einer Endelektrode sicher aufrechtzuerhalten, wenn sie hohen Temperaturen ausgesetzt ist.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Gemäß der Erfindung wird eine Zündkerze geschaffen, die folgendes umfaßt: eine Metallhülse, in der ein rohrförmiger keramischer Isolator untergebracht ist; eine Mittelelektrode, die aus Edelmetallen hergestellt ist und an einem offenen vorderen Ende des Isolators gleichzeitig dann gehalten wird, wenn der keramische Isolator gesintert wird, wobei ein vorderes Ende der Mittelelektrode einer äußeren Elektrode gegenübersteht, die so von der Metallhülse absteht, daß dazwischen eine Funkenstrecke entsteht; ein elektrisch leitendes Dichtungsmittel aus Glas, das so in dem Isolator untergebracht ist, daß es die Mittelelektrode elektrisch mit einer Endelektrode verbindet, die in dem hinteren offenen Ende des Isolators vorgesehen ist; wobei das Dichtungsmittel aus Glas aus den folgenden Materialien hergestellt ist: (a) 40 Gew.-% bis 50 Gew.-% körniges Aluminiumsilicatglas, bestehend aus Siliciumdioxid (SiO&sub2;), Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;), Alkalimetalloxiden und Erdalkalimetalloxiden, wobei die Korngröße des Aluminiumsilicatglases weniger als 250 u beträgt; (b) 2,5 Gew.-% bis 10 Gew.-% körniges Silicatglas, dessen Korngröße weniger als 74 u beträgt; und (c) 40 Gew.-% bis 60 Gew.-% Metallpulver, dessen Korngröße weniger als 74 u beträgt, und das ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Nickel, Chrom und Nickel-Chrom-Legierung.
Gemäß einer weiteren Aufgabe der Erfindung wird eine Beziehung des Gewichtsverhältnisses zwischen (a), (b) und (c) folgendermaßen bestimmt: 0,8 ≤ [(a) + (b)]/(c) ≤ 1,2 und 0,05 ≤ (b)/[(a) + (b)] ≤ 0,2 .
Weiterhin liegt der Erweichungspunkt sowohl des Aluminiumsilicatglases als auch des Silicatglases über 1000 ºC.
Wird das körnige Aluminiumsilicatglas zugesetzt, kommt es zu einem Anstieg des Erweichungspunktes des Dichtungsmittels aus Glas, während die Korngröße von weniger als 250 u verhindert, daß das Dichtungsmittel aus Glas schrumpft, nachdem das Dichtungsmittel aus Glas in dem Isolator erhitzt wurde.
Beträgt die Korngröße des Silicatglases weniger als 74 u und wird das Metallpulver ausgewählt aus der Gruppe umfassend Nickel, Chrom und Nickel-Chrom-Legierung, verbessert sich die Reaktionsfähigkeit zwischen dem körnigen Silicatglas und dem Metallpulver so, daß die Reaktionsfähigkeit der Metallpulver gegenüber dem Edelmetall eingeschränkt wird, so daß die Metallverbindung mit einem niedrigen Schmelzpunkt reduziert wird.
Durch das im wesentlichen konstante Verhältnis der Komponente auf Glasbasis zu der Komponente auf Metallbasis kann das Dichtungsmittel aus Glas bei einer Betriebstemperatur zwangsläufig verglasen und kann die Wärmedehnungsdifferenz zwischen dem Dichtungsmittel aus Glas und dem Isolator so verringert werden, daß der Isolator gegen Risse geschützt wird, und kann ferner dazu beigetragen werden, eine gute elektrische Leitfähigkeit zwischen der Mittelelektrode und der Endelektrode aufrechtzuerhalten.
Diese und weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden offensichtlich anhand der nun folgenden Beschreibung sowie der beigefügten Ansprüche und Zeichnungen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHUNGEN

Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht in Längsrichtung durch eine Zündkerze gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, wobei jedoch die rechte Hälfte der Zündkerze nicht als Querschnitt zu sehen ist;
Fig. 2 ist eine Ansicht ähnlich der von Fig. 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht in Längsrichtung durch einen Hauptteil der Zündkerze gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 4 zeigt die Struktur eines Dichtungsmittels aus Glas mit einem hohen Erweichungspunkt;
Fig. 5 zeigt eine schematische Ansicht eines Hauptteils der Zündkerze, die eine Kontaktfläche (Ia) zwischen einer Mittelelektrode und einem Dichtungsmittel aus Glas aufweist;
Fig. 6 ist eine Strukturansicht von Fig. 5, die mit Hilfe eines EPMA (Elektronenstrahlmikroanalysators) analysiert wurde; und
Fig. 7 zeigt vergrößerte Strukturansichten der Kontaktfläche (Ia), von körnigem Platin (Pt), körnigem Nickel (Ni), körnigem Aluminium (Al)-, körnigem Silicium (Si) und Sauerstoff (O) in Körnern, die jeweils mit Hilfe des Elektronenstrahlmikroanalyators analysiert wurden.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN

In Fig. 1, die eine Zündkerze zum Gebrauch in einem Verbrennungsmotor zeigt, weist die Zündkerze 1 eine Metallhülse 2 auf, deren Außenseite einen Außengewindeabschnitt 4 aufweist, der benötigt wird, wenn die Zündkerze 1 auf einem Zylinderkopf des Motors befestigt wird. In der Metallhülse 2 ist konzentrisch ein rohrförmiger Isolator 5 untergebracht, der aus Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;) als Hauptbestandteil hergestellt ist. Ein Innenraum des rohrförmigen Isolators 5 dient als Axialbohrung 6, an deren offenem vorderen Ende eine Mittelelektrode 7, die aus Edelmetall besteht, wie z.B. aus einer Pt-Ir-Legierung, gleichzeitig dann gehalten wird, wenn der Isolator 5 bei 1600 ºC in der Atmosphäre gesintert wird. Ansonsten kann die Mittelelektrode 7 aus einer Legierung hergestellt werden, in der Yttriumoxid (Y&sub2;O&sub3;), Zirconiumoxid (ZrO&sub2;) und Thoriumoxid (ThO&sub2;) gleichmäßig in Platin (Pt) dispergiert sind. Ein vorderes Ende der Mittelelektrode 7 steht einer äußeren Elektrode 3 gegenüber, die so von der Metallhülse 2 absteht, daß zwischen der Mittelelektrode 7 und der äußeren Elektrode 3 eine Funkenstrecke (Gp) entsteht.
Andererseits nimmt ein hinteres offenes Ende des Isolators 5 eine Endelektrode 8 auf, die mit der Mittelelektrode 7 in der Axialbohrung 6 fluchtet. In dem Isolator 5 ist luftdicht ein elektrisch leitendes Dichtungsmittel 9 aus Glas untergebracht, indem das Dichtungsmittel 9 aus Glas so erhitzt wird, daß es die Mittelelektrode 7 elektrisch mit der Endelektrode 8 verbindet. Das Dichtungsmittel aus Glas kann zu 12 Preßblöcken aus Glas geformt werden, und die Preßblöcke können mit einem Druck von 60 kg/cm² gepreßt werden. Nach Abschluß des Vorgangs können die Preßblöcke aus Glas mit einer elektrisch leitenden Dichtung 11 und dem Widerstand 10 in der in Fig. 2 dargestellten Weise versiegelt werden. Ein vorderes Ende der Mittelelektrode 7 kann diametral so vergrößert werden, daß es einen vergrößerten Kopf 7a bildet, der in Fig. 3 zu sehen ist.
Das Dichtungsmittel 9 aus Glas ist aus den folgenden Materialien hergestellt:
(a) 40 Gew.-% bis 50 Gew.-% körniges Aluminiumsilicatglas, bestehend aus Siliciumdioxid (SiO&sub2;), Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;), Alkalimetalloxiden und Erdalkalimetalloxiden, wobei die Korngröße des Aluminiumsilicatglases weniger als 250 u beträgt;
(b) 2,5 Gew.-% bis 10 Gew.-% körniges Silicatglas, dessen Korngröße weniger als 74 u beträgt; und
(c) 40 Gew.-% bis 60 Gew.-% Metallpulver, dessen Korngröße weniger als 74 u beträgt, und das ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Nickel, Chrom und Nickel-Chrom-Legierung.
Wird das körnige Aluminiumsilicatglas zugesetzt, führt dies zu einem Anstieg des Erweichungspunktes (gewöhnlich auf 850 950 ºC) des Dichtungsmittels 9 aus Glas.
Ferner reagiert das Silicatglas mit dem Aluminiumsilicatglas zu dem Zeitpunkt, wenn das Dichtungsmittel 9 aus Glas in dem Isolator 5 erhitzt wird, und bildet auf diese Weise eine glasartige Masse mit einem hohen Erweichungspunkt (höher als 1000 ºC). Ein Teil des Aluminiumsilicatglases verbleibt in dem Metallpulver (Füllmetall), der übrige Teil des Aluminiumsilicatglases beeinträchtigt nicht die elektrische Leitfähigkeit des Dichtungsmittels 9 aus Glas, wie aus Fig. 4 zu erkennen ist.
Die Korngröße des Aluminiumsilicatglases muß weniger als 250 u (vorzugsweise weniger als 105 u: weniger als 30 Gew.- %; weniger als 149 u: weniger als 50 Gew.-%; und weniger als 250 u: mehr als 98 Gew.-%) betragen, um zu verhindern, daß das Dichtungsmittel 9 aus Glas schrumpft, nachdem das Dichtungsmittel 9 aus Glas in dem Isolator 5 erhitzt wurde.
Die Korngröße des Silicatglases muß weniger als 74 u (vorzugsweise weniger als 44 u) betragen, um die Reaktionsfähigkeit zwischen dem Silicatglas und dem Aluminiumsilicatglas zu fördern.
Als Metallpulver ist ein oxidationsbeständiges Metall wie Nickel, Chrom oder Chrom-Nickel-Legierung erforderlich, um eine chemische Reaktion des Metallpulvers mit dem Edelmetall der Mittelelektrode 7 einzuschränken, wodurch die Entstehung einer Metallverbindung eingeschränkt wird, die einen niedrigen Schmelzpunkt besitzt.
Eine Beziehung des Gewichtsverhältnisses zwischen (a), (b) und (c) wird folgendermaßen bestimmt:
0,8 ≤ [(a) + (b)]/(c) ≤ 1,2
und 0,05 ≤ (b)/[(a) + (b)] ≤ 0,2.
Das Gewichtsverhältnis der Komponente auf Glasbasis zu der Komponente auf Metallbasis ist auf einen Bereich von 0,8 bis 1,2 (vorzugsweise 1,0) beschränkt. Eine übermäßig große Menge der Komponente auf Metallbasis bewirkt eine Erhöhung des Wärmedehnungsoeffizienten des Dichtungsmittels 9 aus Glas und führt auf diese Weise zu Rissen an dem Isolator 5 zu dem Zeitpunkt, wo das Dichtungsmittel 9 aus Glas in dem Isolator 5 erhitzt wird. Eine zu geringe Menge der Komponente auf Metallbasis macht es schwierig, die elektrische Leitfähigkeit zwischen der Mittelelektrode 7 und der Endelektrode 8 ausreichend zu sichern.
Das Gewichtsverhältnis des Silicatglases zu der Glaskomponente ist auf einen Bereich von 0,05 bis 0,2 beschränkt. Einerseits ist das Gewichtsverhältnis von mehr als 0,05 erforderlich, um zumindest den Erweichungspunkt des Dichtungsmittels 9 aus Glas zu erhöhen. Andererseits ist das Gewichtsverhältnis von weniger als 0,2 erforderlich, um zu verhindern, daß der Erweichungspunkt zu sehr ansteigt, und um dadurch zu sichern, daß das Dichtungsmittel 9 aus Glas bei einer Betriebstemperatur zwangsläufig verglast. Das Gewichtsverhältnis des Silicatglases zu der Komponente auf Glasbasis kann in einem Bereich von 0,10 bis 1,15 liegen, wenn das Dichtungsmittel 9 aus Glas praktisch in Gebrauch genommen wird.
Durch eine geänderte Zusetzung des Silicatglases sowie einer Menge der Kombination aus den glasartigen Komponenten SiO&sub2;, Al&sub2;O&sub3;, CaO, MgO, BaO und P&sub2;O&sub5;, die jeweils auf dem Aluminiumsilicatglas basieren, kann jeder Erweichungspunkt der hergestellten Dichtungsmittel aus Glas gemessen werden. Somit ergeben sich, wie in Tabelle 1 zu sehen ist, Erweichungspunkte von über 1000 ºC. Tabelle 1 Glasartige Komponenten (Gew.-%) Zusetzung von Silicatglas (Gew.-%) Erweichungspunkt (ºC) Aluminiumsilicatglas
Der Belastbarkeitstest erfolgt, indem Probestücke des Dichtungsmittels aus Glas (C) - (F), (H) und (I) und Vergleichsprobestücke des Dichtungsmittels aus Glas (A), (B), (G) und (J) hergestellt werden, und indem die Probestücke (C) - (F), (H) und (I) und die Vergleichsprobestücke (A), (B), (G) und (J) 100 Stunden lang getestet werden, wobei ein 2000 cm³-Sechszylindermotor eingesetzt wird, den man abwechselnd mit Vollgas (eine Minute lang) und im Leerlauf laufen läßt, um der Reihe nach jedes der Dichtungsmittel aus Glas zu erhitzen und abzukühlen. Dadurch wird festgestellt, daß sich die Belastbarkeit der Probestücke der Dichtungsmittel aus Glas stark erhöht, wie in Tabelle 2 dargestellt ist. TABELLE 2 Ergebnisse der Belastungsprobe Aluminiumsilicatglas (a) Gew.-% Silicatglas (b) Gew.-% Metallpulver (c),(Ni) Gew.-% Erweichungspunkt (ºC) Risse an Isolator Elektrische Leitfähigkeit Vergleich-Dichtungsmittel aus Glas Dichtungsmittel aus Glas Keine Aufgetreten Nicht gut Gut
Fig. 5 zeigt eine schematische Ansicht eines Hauptteils der Zündkerze, die im Querschnitt eine Kontaktfläche (Ia) zwischen einer Mittelelektrode und dem Dichtungsmittel aus Glas zeigt. Fig. 6 zeigt Fig. 5 in mit Hilfe eines EPMA (Elektronenstahlmikroanalysators) analysiertem Zustand. Ferner zeigt Fig. 7 vergrößerte Strukturansichten der Kontaktfläche (Ia), von körnigem Platin (Pt), körnigem Nickel (Ni), körnigem Aluminium (Al), körnigem Silicium (Si) und Sauerstoff (O) in Körnern, die jeweils mit Hilfe des Elektronenstrahlmikroanalysators analysiert wurden.
Wie aus der obigen Beschreibung zu erkennen ist, kann das Dichtungsmittel aus Glas durch die Erfindung eine elektrische Leitfähigkeit zwischen der Mittelelektrode und der Endelektrode gewährleisten und so verbessern, daß sich der Erweichungspunkt des Dichtungsmittels aus Glas erhöht. Außerdem ermöglicht die Erfindung die Herstellung einer Mittelelektrode aus korrosionsbeständigen Edelmetallen und einem Keramik-Metallgemisch, wobei letzteres nicht zusammengeschweißt zu werden braucht.

Claims

1. Zündkerze, umfassend:

eine Metallhülle, in der ein rohrförmiger keramischer Isolator untergebracht ist;

eine Mittelelektrode, die aus Edelmetallen hergestellt ist und an einem offenen vorderen Ende des Isolators gleichzeitig dann gehalten wird, wenn der keramische Isolator gesintert wird, wobei ein vorderes Ende der Mittelelektrode einer äußeren Elektrode gegenübersteht, die so von der Metallhülle absteht, daß dazwischen eine Funkenstrecke entsteht;

ein elektrisch leitendes Dichtungsmittel aus Glas, das so in dem Isolator untergebracht ist, daß es die Mittelelektrode mit einer Endelektrode, die in dem hinteren offenen Ende des Isolators vorgesehen ist, elektrisch verbindet;

wobei das Dichtungsmittel aus Glas aus den folgenden Materialien hergestellt ist:

(a) 40 Gew.-% bis 50 Gew.-% körniges Aluminiumsilicatglas, bestehend aus Siliciumdioxid (SiO&sub2;), Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;), Alkalimetalloxiden und Erdalkalimetalloxiden, wobei die Korngröße des Aluminiumsilicatglases weniger als 250 u beträgt;

(b) 2,5 Gew.-% bis 10 Gew.-% körnigem Silicatglas, dessen Korngröße weniger als 74 u beträgt; und

(c) 40 Gew.-% bis 60 Gew.-% Metallpulver, dessen Korngröße weniger als 74 um beträgt, wobei das Metallpulver ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Nickel, Chrom und Nickel-Chrom-Legierung.

2. Zündkerze nach Anspruch 1, bei der eine Beziehung des Gewichtsverhältnisses zwischen (a), (b) und (c) folgendermaßen bestimmt wird:

0,8 ≤ [(a)+(b)]/(c) ≤ 1,2 und

0,05 ≤ (b)/[(a)+(b)] ≤ 0,2 .

3. Zündkerze nach Anspruch 1, bei der der Erweichungspunkt sowohl des Aluminiumsilicatglases als auch des Silicatglases höher liegt als 1000ºC.

4. Zündkerze nach Anspruch 1, bei der die Mittelelektrode aus einer Legierung besteht, in der Yttriumoxid (Y&sub2;O&sub3;), Zirconiumoxid (ZrO&sub2;) und Thoriumoxid (ThO&sub2;) in Platin (Pt) dispergiert sind.

5. Dichtungsmittelzusammensetzung aus Glas, umfassend

(a) 40 Gew.-% bis 50 Gew.-% körniges Aluminiumsilicatglas, bestehend aus Siliciumdioxid (SiO&sub2;), Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;), Alkalimetalloxiden und Erdalkalimetalloxiden, wobei die Korngröße des Aluminiumsilicatglases geringer ist als 250 u;

(b) 2,5 Gew.-% bis 10 Gew.-% körniges Silicatglas, dessen Korngröße geringer ist als 74 u; und

(c) 40 Gew.-% bis 60 Gew.-% Metallpulver, dessen Korngröße geringer ist als 74 u, wobei das Metallpulver ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Nickel, Chrom und Nickel-Chrom-Legierung.