ES2926685T3 - Elemento de resistencia de la bujía con proporción de fase ZrSiO4 aumentada - Google Patents

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Abstract

Procedimiento para fabricar una bujía, en particular según las reivindicaciones 1 a 3, que comprende las etapas de: - proporcionar un aislante, - llenar el aislante con una mezcla de materiales destinada a formar un elemento de resistencia, en el que la mezcla de materiales contiene ZrO2 y SiO2, - calentar el aislante y la mezcla de materiales que contiene a una temperatura T de al menos 870°C, de modo que en la mezcla de materiales ZrO2 y SiO2 reaccionen al menos parcialmente para formar ZrSiO4. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Elemento de resistencia de la bujía con proporción de fase ZrSiO4 aumentada
Estado del arte
La presente invención hace referencia a una bujía y a un procedimiento de fabricación de una bujía según las reivindicaciones independientes.
Las bujías actuales presentan un elemento de resistencia con una resistencia específica en el rango de 1 a 14 kü para reducir el desgaste de los electrodos y evitar interferencias electromagnéticas (EMI) en la bujía y en el motor de combustión interna. En el caso de la bujía, el elemento de resistencia por lo general, se dispone entre el perno de conexión y el electrodo central dentro del aislante de la bujía. Con frecuencia, el elemento de resistencia consiste en una mezcla de materiales de diferentes partículas conductoras y partículas no conductoras, como carbón u hollín, ZrO2 y vidrio de borosilicato. La resistencia eléctrica específica para el elemento de resistencia resulta, entre otras cosas, de la composición del material y de la distribución del material.
Al igual que con todas las resistencias, el elemento de resistencia presente una corriente eléctrica máxima que puede fluir a través del elemento de resistencia antes de que se produzca una irrupción de la corriente en el elemento de resistencia que destruya el elemento de resistencia. Esta corriente máxima es, entre otras cosas, una medida de la estabilidad eléctrica del elemento de resistencia y es decisiva para la vida útil de la bujía.
Además, el elemento de resistencia envejece con el tiempo y el aumento del tiempo de funcionamiento, con lo cual el valor resistivo del elemento de resistencia aumenta con el tiempo. Esto hace que resulte necesario que la bujía funcione a tensiones más altas para continuar funcionando. Cuanto mayor sea la tensión de funcionamiento, mayor será el riesgo de que se produzca una ruptura de tensión desde el perno de conexión o del electrodo central a través del aislador a la carcasa, destruyendo el aislador y toda la bujía. Por lo tanto, la estabilidad a largo plazo del valor de resistencia del elemento de resistencia es también una medida de la estabilidad eléctrica del elemento de resistencia y es decisiva para la vida útil de la bujía.
De las solicitudes EP 0874432 A2, US 2016/203579 A1, JP S61 253786 A y DE 102009 047055 A1 se conocen bujías.
Revelación de la presente invención
Por lo expuesto, el objeto de la presente invención consiste en proporcionar una bujía del tipo mencionado en la introducción con un elemento de resistencia mejorado que presente una alta estabilidad eléctrica, y un procedimiento de fabricación para dicha bujía.
En el caso de la bujía que presenta una carcasa, un aislador dispuesto en la carcasa, un electrodo central dispuesto en el aislador, un perno de conexión dispuesto en el aislador, un elemento de resistencia dispuesto en el aislador que está dispuesto espacialmente entre el electrodo central y el perno terminal y que conecta eléctricamente el electrodo central con el perno de conexión; en donde el elemento de resistencia contiene un vidrio conductor resistivo; en donde el vidrio conductor resistivo consiste en una mezcla de materiales que contiene, entre otras cosas, ZrO2 y un SiO2 , y un electrodo de tierra que está dispuesto en una superficie frontal de la carcasa en el lado de la cámara de combustión que, junto con el electrodo central, conforma un espacio de ignición; el objeto mencionado se consigue conforme a la invención porque la mezcla de materiales del vidrio conductor resistivo también contiene ZrSiO4.
Durante el proceso de fabricación, el aislador se calienta junto con el elemento de resistencia o el vidrio conductor resistivo contenido allí. Antes de este proceso de calentamiento, el vidrio conductor resistivo contiene ZrO2 y SiO2 y ninguna presencia de ZrSiO4. Calentando a una temperatura de al menos 870°C, por ejemplo, se inicia una transformación del ZrO2 junto con el SiO2 en ZrSiO4. Las investigaciones realizadas por el solicitante han demostrado que las bujías con un vidrio conductor resistivo que contiene ZrSiO4 presentan una estabilidad de resistencia significativamente mayor durante el funcionamiento de la bujía. En el caso de bujías con un vidrio conductor resistivo sin ZrSiO4, la resistencia cambia significativamente después de unas 100 horas de funcionamiento, por lo cual para mantener la función de la bujía, se deben conectar tensiones cada vez más altas a la bujía, lo que a su vez, aumenta el riesgo de que la tensión del perno de conexión o del electrodo central atraviese el aislador hacia la carcasa y destruya la bujía.
La bujía conforme a la invención no presenta este problema, ya que la resistencia del vidrio conductor de resistencia es mucho más estable debido al ZrSiO4 en el vidrio conductor de resistencia y cambia sólo ligeramente incluso después de varios cientos de horas de funcionamiento, de modo que la bujía puede funcionar con una tensión normal durante mucho tiempo. Para las pruebas, la bujía conforme a la invención se hizo funcionar a una tensión de 30 kV, a una temperatura de 250°C y a una pulso de frecuencia de 100 Hz.
Otras configuraciones ventajosas de la presente invención son objeto de las reivindicaciones relacionadas.
De acuerdo con la invención, está previsto que una tasa de transformación q alcance al menos el 40%; en donde w(ZrSiOt)
q ~ (w(ZrSt04) w(Zr¿j)j
en donde w(X) es la proporción de material X en % en peso en el vidrio conductor resistivo; en donde X es ZrSiO4 o ZrO2.
Resulta particularmente ventajoso cuando la tasa de transformación q alcanza al menos el 50%. Las pruebas han demostrado que la tasa de transformación se satura al 50-55 % y que la tasa de transformación no aumenta aún más con una temperatura más alta o un período de calentamiento más prolongado.
Alternativa o adicionalmente, está previsto que un cambio relativo de resistencia del vidrio conductor resistivo sea inferior al 50%, preferentemente inferior al 35%, después de al menos 300 horas de funcionamiento. Idealmente, el cambio relativo en la resistencia es inferior al 50 % con al menos 500 horas de funcionamiento.
En otro perfeccionamiento, el elemento de resistencia consiste en un sistema de capas que presenta el vidrio conductor resistivo y al menos un vidrio conductor de contacto. El, al menos un, vidrio conductor de contacto está dispuesto espacialmente entre el perno de conexión y el vidrio conductor resistivo o entre el electrodo central y el vidrio conductor resistivo, o cuando hay dos vidrios conductores de contacto, un primer vidrio conductor de contacto está ubicado entre el perno de conexión y el vidrio conductor resistivo y un segundo vidrio conductor de contacto está ubicado entre el vidrio conductor resistivo y el electrodo central.
Otro aspecto de la invención hace referencia a un procedimiento de fabricación de una bujía, por ejemplo, como la bujía conforme a la invención, que comprende los siguientes pasos:
• provisión de un aislante;
• rellenado del aislador con una mezcla de materiales, que está configurada para conformar un vidrio conductor de resistencia, en donde la mezcla de materiales contiene ZrO2 y SiO2 ;
• calentamiento del aislador y de la mezcla de materiales allí contenidos a una temperatura T de al menos 870°C, de manera que en la mezcla de materiales el ZrO2 y el SiO2 reaccionen al menos parcialmente conformando ZrSiO4. De acuerdo con la invención, está previsto que la mezcla de materiales para el vidrio conductor resistivo se caliente hasta que se establezca una tasa de transformación q de al menos el 40%. en donde la tasa de transformación q resulta de la fórmula:
q ~ (wfZrJrO+) w(ZrO -¿))
en donde w(X) es la proporción de material X en % en peso en el vidrio conductor resistivo; en donde X es ZrSiO4 o ZrO2.
Las investigaciones han demostrado que, ventajosamente, la temperatura T se encuentra en el rango de 870°C a 965°C. Con temperaturas inferiores a los 870°C, no se pudo producir ZrSiO4 ni siquiera con tiempos de calentamiento de más de 30 minutos. Las temperaturas superiores a los 965°C no tienen ningún efecto beneficioso adicional sobre la transformación. A los 965°C, la tasa de transformación q ya estaba saturada dentro de los 30 minutos.
En un perfeccionamiento del procedimiento de fabricación conforme a la invención, el vidrio conductor resistivo se mantiene a la temperatura T de al menos 870°C durante un tiempo de al menos 15 min y, en particular, durante un máximo de 60 min; en donde cuanto más alta sea la temperatura T, más acotado puede ser el tiempo. Esto permite la libertad de calentar el vidrio conductor resistivo a una temperatura más baja durante un tiempo más prolongado y dejar que la transformación suceda lentamente, cuando otros componentes en o sobre el aislador o la bujía no deben calentarse demasiado, o acelerar la transformación calentando a una temperatura más alta durante un tiempo más acotado.
Dibujo
Figura 1: muestra un ejemplo de una bujía.
Figura 2: muestra la tasa de transformación q en función de la temperatura T para un tiempo de calentamiento constante t=30 min de la muestra.
Figura 3: muestra la tasa de transformación q en función del tiempo de calentamiento t para las temperaturas T=890°C y T=950°C en comparación.
Figura 4: muestra la resistencia de diferentes muestras después de diferentes tiempos de prueba de resistencia.
Figura 5: muestra esquemáticamente el proceso de fabricación de la bujía conforme a la invención.
Descripción del ejemplo de ejecución
La figura 1 muestra una bujía 1, en una vista parcialmente recortada. La bujía 1 comprende una carcasa 2. En la carcasa 2 se utiliza un aislante 3. La carcasa 2 y el aislante 3 presentan respectivamente uno un orificio a lo largo de su eje longitudinal X. El eje longitudinal de la carcasa 2, el eje longitudinal del aislante 3 y el eje longitudinal de la bujía 1 coinciden. En el aislante 3 está introducido un electrodo central 4. Además, un perno de conexión 8 se extiende hacia el interior del aislante 3. En el perno de conexión 8 está dispuesta una tuerca de conexión 9, a través de la cual la bujía 1 se puede poner en contacto eléctrico con una fuente de tensión no representada aquí. La tuerca de conexión 9 conforma el extremo de la bujía 1 que está orientado hacia el lado contrario a la cámara de combustión.
Entre el electrodo central 4 y el perno de conexión 8 se ubica un elemento de resistencia 7 en el aislante 3, también llamado vidrio conductor. El elemento de resistencia 7 conecta eléctricamente el electrodo central 4 con el perno de conexión 8. El elemento de resistencia 7 está construido, por ejemplo, como un sistema de capas a partir de un primer vidrio conductor de contacto 72a, un vidrio conductor resistivo 71 y un segundo vidrio conductor de contacto 72b. Las capas del elemento de resistencia 7 difieren en su composición material y en la resistencia eléctrica que resulta de ella. El primer vidrio conductor de contacto 72a y el segundo vidrio conductor de contacto 72b pueden presentar una resistencia eléctrica diferente o la misma. El elemento de resistencia 7 también puede presentar sólo una capa de vidrio conductor resistivo o varias capas diferentes de vidrio conductor resistivo con diferentes composiciones de materiales y resistencias.
El aislante 3 descansa con un reborde sobre un asiento de carcasa conformado en el lado interno de la carcasa. Para sellar el espacio de aire entre el interior de la carcasa y el aislante 3, entre el reborde del aislante y el asiento de la carcasa, se dispone una junta interna 10 que se deforma plásticamente cuando el aislante 3 se sujeta en la carcasa 2 sellando así el espacio de aire.
En la carcasa 2, en su superficie frontal del lado de la cámara de combustión, está dispuesto un electrodo de tierra 5 con conductividad eléctrica. El electrodo de tierra 5 y el electrodo central 4 están dispuestos entre sí de tal manera que entre ellos se conforma un espacio de ignición, en el que se genera la chispa de encendido.
La carcasa 2 presenta un vástago. En este vástago están conformados un polígono 21, una ranura de contracción y una rosca 22. La rosca 22 se utiliza para enroscar la bujía 1 en un motor de combustión interna. Entre la rosca 22 y el polígono 21 está dispuesto un elemento de sellado externo 6 . En este ejemplo de ejecución, el elemento de sellado externo 6 está realizado como junta plegada. Alternativamente, el elemento de sellado externo 6 también puede ser una junta total.
En la tabla 1 están resumidos los resultados de las pruebas. Cada muestra corresponde a una bujía. Antes del calentamiento, los vidrios conductores resistivos de todas las muestras presentan la misma composición de materiales. También sería posible realizar los ensayos de transformación sobre muestras que sólo correspondan al elemento de resistencia o al vidrio conductor resistivo, es decir, que presenten la correspondiente composición material. En el estado inicial, es decir, antes del calentamiento y, por lo tanto, antes de una posible transformación, el vidrio conductor resistivo contiene vidrio que contiene ZrO2 y SiO2. Otros componentes del vidrio son, por ejemplo, el B2O3, el CaO y el U2O. Otros componentes de la composición del material del vidrio conductor resistivo son, por ejemplo, partículas de carbono o de cerámica como AhO3 o TiO2.
Cada muestra se calentó a una temperatura específica T durante un tiempo de calentamiento específico t. A continuación, se determinaron las proporciones de los diferentes materiales, ZrO2 y ZrSiO4, mediante análisis XRD-Rietveld. A partir de esto, a su vez, se determinó la tasa de transformación q. La tasa de transformación q se calcula mediante la siguiente fórmula:
_____iv(ZrSí04)___
^ _ (w l.ZrSiaA)+ w lZ ro 1)') 1
en donde w(X) es la proporción del material X en% en peso después de la transformación, allí X es ZrSiO4 o ZrO2.
Tabla 1:
Figure imgf000005_0001
Los resultados de esta tabla son la base de datos para los siguientes diagramas en la figura 2 y la figura 3.
En la figura 2 se representa la tasa de transformación q en % con respecto a la temperatura T en °C. Cada punto de datos representa una muestra que se calentó a la respectiva temperatura T durante 30 min. La línea discontinua es una curva teórica que puede resultar de los datos de medición usando una función de ajuste simple q(T) = qsat *(e(-t+to))-i , con la temperatura del horno T, el valor de saturación de la tasa de transformación qsat y un parámetro de ajuste To. De este diagrama se puede ver que para un tiempo de calentamiento t de 30 minutos, la tasa de transformación q alcanza una saturación del 50-55% para una temperatura de aproximadamente 920°C.
En la figura 3 se muestra un diagrama en el cual se representa la tasa de transformación q en % para dos muestras en función del tiempo de calentamiento t. La primera muestra (círculos) se calentó a 950°C. La segunda muestra (cruces) se calentó a 890°C. La tasa de transformación q, tal como se describió anteriormente, se determinó para ambas muestras después de diferentes tiempos. Las líneas discontinuas son nuevamente curvas teóricas que pueden derivar de los respectivos datos de medición usando una función de ajuste simple q(t) = qsat * (e(-t+t0))-1, con el tiempo de calentamiento t, el valor de saturación de la tasa de transformación qsat y un parámetro de ajuste to. De este diagrama también se obtiene el resultado de que la tasa de transformación q entra en saturación a un valor de 50-55%. Además, el diagrama también muestra que esta saturación se alcanza más rápidamente a temperaturas más altas.
En la figura 4 se muestra una comparación de la resistencia de las bujías después de ciertos tiempos de funcionamiento t. Antes del inicio de la prueba de resistencia, todas las bujías presentaban una resistencia inicial (círculo de puntos de datos) de R(t=0)=1,5kü.
La bujía de referencia (cuadrado de puntos de datos) y su elemento de resistencia se trataron de acuerdo con la muestra H1 de la Tabla 1 y presentan una tasa de transformación q=0%. Después de más de 350 horas de funcionamiento, la bujía de referencia tenía una resistencia de R(350h)=13,7 kü, lo que corresponde a un cambio relativo de resistencia rW del 813%.
El cambio relativo de resistencia (rW) se calcula con:
Figure imgf000006_0001
en donde R(t=0) es la resistencia de la bujía antes del inicio de la prueba de resistencia y R(t) es la resistencia de la misma bujía después del tiempo de funcionamiento t.
Las bujías nuevas (triángulo de puntos de datos) y sus elementos de resistencia se trataron de acuerdo con la muestra H3 de la Tabla 1 y presentan una tasa de transformación q = 50%. Cada punto de datos es una bujía para la cual se realizó la prueba y una posterior determinación de la resistencia. El cambio relativo de resistencia de todas estas bujías nuevas es inferior al 50 %. El mayor cambio relativo de resistencia con rW= 33% se da en la bujía nueva, que después de casi 450 horas de funcionamiento presenta una resistencia de aproximadamente 1 kü. En la figura 5 se muestra el procedimiento de fabricación 100 para una bujía; en donde los pasos individuales para la fabricación de los componentes individuales de la bujía 1, como, por ejemplo, la fabricación del aislante 3 o la fabricación y mezcla del material para el elemento de resistencia 7, no están representados aquí.
En un primer paso 103, se proporciona el aislante 3 de la bujía. En un segundo paso 104, el electrodo central se inserta en el aislante. En el tercer paso 107, el material para el elemento de resistencia 7 se introduce en el aislante. Opcionalmente, este paso 107 puede constar de tres etapas parciales: introducir vidrio conductor de contacto 1072b, introducir vidrio conductor resistivo 1071, introducir segundo vidrio conductor de contacto 1072a, en donde después de cada rellenado se puede realizar una compresión como paso intermedio. En un paso posterior 108, el perno de conexión 8 se inserta en el aislante. En el paso subsiguiente 120, el perno de conexión 8 y el aislante 3 se presionan uno con otro y se calientan al mismo tiempo. El material del elemento de resistencia 7 se calienta al mismo tiempo, de modo que en este paso 108 tiene lugar la transformación de ZrO2 y SiO2 en ZrSiO4 en el elemento de resistencia 7 o en el vidrio conductor resistivo 71. La temperatura alcanza al menos los 870°C. A continuación siguen otros pasos 130, en los cuales el aislante se enchufa y se conecta a la carcasa, y los electrodos se alinean entre sí.

Claims (5)

REIVINDICACIONES
1. Bujía (1) que presenta:
• una carcasa (2);
• un aislante (3) dispuesto en la carcasa (2);
• un electrodo central (4) dispuesto en el aislante (3);
• un perno de conexión dispuesto en el aislante (3);
• un elemento de resistencia (7) dispuesto en el aislante (3), que está dispuesto espacialmente entre el electrodo central (4) y el perno de conexión (8) y que conecta eléctricamente el electrodo central (4) con el perno de conexión (8); en donde el elemento de resistencia (7) contiene un vidrio conductor resistivo (71), en donde el vidrio conductor resistivo (71) consta de una mezcla de materiales que contiene ZrO2 y SiO2; y • un electrodo de tierra (5) dispuesto en una superficie frontal de la carcasa (2) en el lado de la cámara de combustión, que junto con el electrodo central (4) conforma un espacio de ignición;
en donde la mezcla de materiales del vidrio conductor resistivo (71) también contiene ZrSiO4, caracterizada porque una tasa de transformación q alcanza al menos el 40%; en donde
Figure imgf000007_0001
en donde w(X) es la proporción de material X en % en peso en el vidrio conductor resistivo (71).
2. Bujía (1) según la reivindicación 1, caracterizada porque después de 300 horas de funcionamiento, el vidrio conductor resistivo (71) presenta un cambio relativo de resistencia inferior al 50%.
3. Procedimiento para la fabricación (100) de una bujía, en particular, según la reivindicación 1 ó 2, que comprende los siguientes pasos:
• provisión de un aislante (103);
• rellenado del aislador (3) con una mezcla de materiales (107), que está configurada para conformar un vidrio conductor resistivo (71), en donde la mezcla de materiales contiene ZrO2 y SiO2 ;
• calentamiento (120) del aislador (3) y de la mezcla de materiales allí contenidos a una temperatura T de al menos 870°C, de manera que en la mezcla de materiales el ZrO2 y el SiO2 reaccionen al menos parcialmente conformando ZrSiO4;
caracterizado porque una tasa de transformación q alcanza al menos el 40%; en donde
Figure imgf000007_0002
w(X) es la proporción de material X en % en peso en el vidrio conductor resistivo (71).
4. Procedimiento (100) según la reivindicación 3, caracterizado porque la temperatura T se ubica en el rango entre los 870°C y los 965°C.
5. Procedimiento (100) según una de las reivindicaciones 3 ó 4, caracterizado porque la temperatura T se mantiene durante un tiempo, como mínimo, de 15 minutos y, en particular, como máximo, de 60 minutos; en donde mientras más elevada sea la temperatura T, más acotado puede ser el tiempo.
ES18779354T 2017-10-10 2018-09-26 Elemento de resistencia de la bujía con proporción de fase ZrSiO4 aumentada Active ES2926685T3 (es)

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