WO2002009247A1 - Zündkerze für einen verbrennungsmotor und verfahren zur herstellung einer zündkerze - Google Patents

Zündkerze für einen verbrennungsmotor und verfahren zur herstellung einer zündkerze Download PDF

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    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T13/00—Sparking plugs
    • H01T13/20—Sparking plugs characterised by features of the electrodes or insulation
    • H01T13/34—Sparking plugs characterised by features of the electrodes or insulation characterised by the mounting of electrodes in insulation, e.g. by embedding

Definitions

  • the invention relates to a spark plug for an internal combustion engine, with a housing, an insulator, which is arranged in the housing and consists of a sintered ceramic material, and a sintered center electrode and a connecting bolt, which are in electrically conductive connection with one another and are arranged in the insulator ,
  • the invention further relates to a
  • spark plugs with a sintered platinum center electrode have a small gap between the ceramic and the center electrode, which allows air or combustion gases to penetrate. For this reason, the components inside the spark plug must be resistant to these gases. It is therefore not possible, for example, to install a carbon-based combustion resistor in the front area of the spark plug on the combustion chamber side, since the carbon would be oxidized by the penetrating atmospheric oxygen at the high temperatures.
  • a carbon-based combustion resistor in the front area of the spark plug on the combustion chamber side, since the carbon would be oxidized by the penetrating atmospheric oxygen at the high temperatures.
  • only materials that are resistant to the can be used for contact pins. penetrating gases. The use of contact pins with high thermal conductivity, for example made of copper, is therefore not possible. '
  • the object of the invention is to further develop a spark plug of the type mentioned at the outset in such a way that a gas-tight, reliable seal is ensured which can be produced inexpensively.
  • the object of the invention is further to provide a method for producing such a spark plug.
  • the spark plug with the features of claim 1 has the same or similar material properties for both the insulator and for the cermet, which ensures the sealing. Because of the same material properties, there are advantages in both manufacture and operation: insulator and cermet can can be easily sintered together because they have the same course of shrinkage.
  • a ceramic granulate is used to produce the cermet, the grains of which are provided with a surface coating of the material with good electrical conductivity. Due to the size difference between the grains of the granulate, which preferably have a diameter in the range between 90 ⁇ m and 150 ⁇ m, and the powdery metal, the particles of which have dimensions in the order of less than 10 ⁇ m, a ceramic structure results after sintering. a network of thin metal conductor tracks, for example made of platinum, which ensures sufficient electrical conductivity with a low consumption of the metal. It is sufficient, for example, that the metallic phase of the cermet occupies a proportion between 10 and 15% by volume, so that there is economical use of the noble metal that is preferably used.
  • the grains of the ceramic granulate are coated with the electrically highly conductive material by stirring in a dilute suspension.
  • the grains can be coated in a cost-effective manner with the electrically conductive material, for example platinum, so that the electrically conductive network results in the interior of the cermet after the granulate has been sintered.
  • the electrically highly conductive material can also be under Use of an organic binder, for example, can be applied to the granules of the granules or by vapor deposition or sputtering.
  • FIG. 1 in a partially sectioned view of a spark plug according to the invention
  • - Figure 2 is an enlarged view of a section of Figure 1
  • - figure 4 is a magnified turn 'from the micrograph of Fig. 3
  • FIG. 1 shows a spark plug 10 which has a housing 12 which is made of metal and is provided with a screw thread 14 by means of which the spark plug can be screwed into a bore in a cylinder head of an internal combustion engine.
  • An insulator 16 which consists of a sintered ceramic material, for example Al 2 O 3, is accommodated in the interior of the housing 12.
  • a center electrode 18 and a connecting bolt 22 are received, which are in an electrically conductive connection with one another.
  • an ignition spark can be generated between the center electrode 18 and ground electrodes 26, which are attached to the housing 12.
  • the seal and the electrically conductive connection between the connecting bolts 22 ' and the central electrode 18 is carried out in the following manner:
  • the central electrode T8 is followed by a cermet 28, which is followed by a erosion resistor 30 (possibly with an interposed contact package), in turn a contact package 32 follows, in which the connecting pin 22 dips.
  • the insulator 16 has a stepped bore in its interior, the front end 36 of which receives the center electrode.
  • the center electrode which preferably consists of fine-grain stabilized platinum or a fine-grain stabilized platinum alloy, has a nail head 38 which rests on the shoulder for the larger bore diameter.
  • the center electrode is sintered into the insulator and is sealed and additionally fixed by the cermet 28 over the nail head.
  • the Cermet 28 consists of ceramic material and a metallic phase! The same material is used for the ceramic phase as for the insulator, that is, Ai 2 0 3 with the known additions of sintering aids such as Si0 2l CaO, MgO and others. Platinum or a platinum alloy is used for the metallic phase.
  • the cermet is produced by providing granules made of the material of the insulator with a grain size between 90 ⁇ m and 150 ⁇ m.
  • the grains of the ceramic granulate are then coated with the platinum or the platinum alloy serving as the electrical conductor, for example by stirring in a mixer with a dilute platinum suspension and then drying.
  • the platinum or platinum alloy is in powder form in the suspension; the individual particles have dimensions on the order of less than 10 ⁇ m. In this way réelle ⁇ granules obtained which are coated with a small amount of platinum or the platinum alloy.
  • the proportion of platinum or the platinum alloy makes up 10 to 15% by volume of the cermet.
  • the ceramic granules coated in this way are filled into the insulator, which was produced using a conventional method and possibly preheated at a temperature of 1000 ° C. to increase the strength, so that it is above the nail head 38 of the center electrode 18 inserted into the receiving bore 36 lies. Then the granulate is compressed using a stamp with a force of approx. 100 to 150 N. Finally, the insulator is sintered together with the granulate at around 1600 ° C as usual.

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Abstract

Bei einer Zündkerze für einen Verbrennungsmotor, mit einem Gehäuse (12), einem Isolator (16), der in dem Gehäuse angeordnet ist und aus einem geisterten Keramikmaterial besteht, sowie einer Mittelelektrode (18) und einem Anschlussbolzen (22), die miteinander in elektrisch leitender Verbindung stehen und in dem Isolator angeordnet sind, soll die Abdichtung zwischen dem Isolator und der Mittelelektrode verbessert werden. Zu diesem Zweck ist vorgesehen, dass sich an die Mittelelektrode ein Cermet (28) anschliesst, dessen keramische Phase aus demselben oder einem ähnlichen Material besteht wie der Isolator und dessen metallische Phase aus einem Material mit guter elektrischer Leitfähigkeit besteht. Da das Cermet ähnliche Materialeigenschaften hat wie der Isolator, insbesondere dieselbe Wärmeausdehnung, ergibt sich eine besonders gute Abdichtung zwischen Cermet und Isolierkörper.

Description

, Zündkerze für einen Verbrennungsmotor und Verfahren zur Herstellung einer Zündkerze
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Zündkerze für einen Verbrennungsmotor, mit einem Gehäuse, einem Isolator, der in dem Gehäuse angeordnet ist und aus einem gesinterten Keramikmaterial besteht, sowie einer eingesinterten Mittelelektrode und einem Anschlußbolzeπ, die miteinander in elektrisch leitender Verbindung stehen und in dem Isolator angeordnet sind. Die Erfindung betrifft ferner ein
■ Verfahren zur Herstellung einer Zündkerze.
Zündkerzen mit eingesinterter Mittelelektrode aus Platin weisen aufgrund der unterschiedlichen Wärmedehnungen von Platin und Keramikmaterial einen geringen Spalt zwischen der Keramik und der Mittelelektrode auf, der das Eindringen von Luft bzw. Verbrennungsgasen ermöglicht. Aus diesem Grunde müssen die Bauteile im Inneren der Zündkerze beständig gegenüber diesen Gasen sein. Es ist deshalb zum Beispiel nicht möglich, im brennraumseitigen, vorderen Bereich der Zündkerze einen Abbrandwiderstand auf Kohlenstoffbasis einzubauen, da der Kohlenstoff bei den hohen Temperaturen durch den eindringenden Luftsauerstoff oxidiert würde. Außerdem können für Kontaktstifte nur Materialien verwendet werden, die beständig gegen die. eindringenden Gase sind. Die Verwendung von Kontaktstiften mit hoher Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise aus Kupfer, ist somit nicht möglich. '
Aus der WO 97/49153 ist eine Zündkerze bekannt, bei der vorgeschlagen wird, den Kontaktstift durch eine elektrisch leitende Mischung Keramik-Metall zu ersetzen, so daß durch, die dann gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten mechanische Spannungen vermieden werden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Zündkerze der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß eine gasdichte, zuverlässige Abdichtung gewährleistet ist, die kostengünstig hergestellt werden kann. Die Aufgabe der Erfindung besteht weiterhin darin, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Zündkerze zu schaffen.
Vorteile der Erfindung
Die Zündkerze mit den Merkmaien des Patentanspruchs 1 weist gleiche oder ähnliche Materialeigenschaften sowohl für den Isolator als auch für das Cermet auf, das die Abdichtung gewährleistet, Aufgrund der gleichen Materialeigenschaften ergeben sich Vorteile sowohl bei der .Herstellung als auch beim Betrieb: Isolator und Cermet können problemlos miteinander gesintert werden, weil sie denselben Schwindungsverlauf haben. Da Isolator und Cermet auch die gleiche Wärmeausdehnung haben, ergeben sich keinerlei Spalte aufgrund von unterschiedlichen Wärmeausdehnungen., Aufgrund der erzielten guten Abdichtung können im vorderen Bereich der Zündkerze Materialien "verwendet werden, die bei den im Betrieb auftretenden hohen Temperaturen gegenüber Luft- oder Verbrennungsgasen keine ausreichende Beständigkeit aufweisen, beispielsweise Widerstände mit Kohlenstoff als leitfähiger Phase oder gut wärmeleitende Kontaktstifte aus Kupfer. Für die metallische Phase des Cermets ist nur eine vergleichsweise geringe Menge an Metall erforderlich, was zu niedrigen Kosten der Zündkerze führt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die keramische Phase des Cermets aus A1203 und die metallische Phase aus
Platin oder einer Platin-Legierung besteht. Dieses Cermet läßt sich problemlos zusammen mit dem Isolator sintern, da es dieselben Sintereigenschaften aufweist wie der Isolator. ' ' '
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß zur Herstellung des Cermets ein Keramikgranulat verwendet wird, dessen Körner mit einer Oberflächenbeschichtung aus dem Material mit guter elektrischer Leitfähigkeit versehen sind. Aufgrund des Größenunterschiedes , zwischen den Körnern des Granulats, die einen Durchmesser vorzugsweise im Bereich zwischen 90 μm und 150 μm haben, und dem pulverförmigen Metall, dessen Partikel Abmessungen in der Größenordnung von unter 10 μm haben, ergibt sich nach dem Sintern ein Keramikgefüge mit. einem Netzwerk dünner Metall-Leiterbahnen, beispielsweise aus Platin, das bei einem geringen Verbrauch des Metalls eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit sicherstellt. Es ist beispielsweise ausreichend, daß die metallische Phase des Cermets einen Anteil zwischen 10 und 15 Vol% einnimmt, so daß sich ein sparsamer Umgang mit dem vorzugsweise verwendeten Edelmetall ergibt.
Hinsichtlich der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielten Vorteile wird auf die obigen Erläuterungen verwiesen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, daß die Körner des Keramikgranulats mit dem elektrisch gut leitenden Material durch Rühren in einer verdünnten Suspension beschichtet werden. Auf diese Weise lassen sich die Körner in kostengünstiger Weise mit dem elektrisch leitenden Material, beispielsweise Platin, beschichten, so daß sich nach dem Sintern des Granulats das elektrisch leitende Netz im Inneren des Cermets ergibt. Alternativ kann das elektrisch gut leitende Material auch unter Verwendung eines beispielsweise organischen Bindemittels auf die Kömer des Granulats aufgebracht werden oder durch Aufdampfen oder Sputtern.
Zeichnungen
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen "dargestellt ist. in den Zeichnungen zeigen:
- Figur 1 in einer teilgeschnittenen Ansicht eine erfindungsgemäße Zündkerze; - Figur 2 in einer vergrößerten Ansicht einen Ausschnitt aus Figur 1 ; " - Figur 3 in einem vergrößerten Schliffbild einen Teil des Isolators der erfindungsgemäßen Zündkerze mit eingesinterter Mittelelektrode; - Figur 4 einen wiederum vergrößerten Ausschnitt' aus dem Schliffbild von Figur 3.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In Figur 1 ist eine Zündkerze 10 zu sehen, die ein Gehäuse 12 aufweist, das aus Metall besteht und mit einem Eiπschraubgewinde 14 versehen ist, mittels dem die Zündkerze in eine Bohrung in einem Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors eingeschraubt werden kann. Im Inneren des Gehäuses 12 ist ein Isolator 16 aufgenommen, der aus einem gesinterten Keramikmaterial besteht, beispielsweise Al203. Im Inneren des Isolators sind eine Mittelelektrode 18 sowie ein Anschlußbolzen 22 aufgenommen, die miteinander in elektrisch -leitender Verbindung stehen. Somit kann in bekannter Weise durch Anlegen eines Spannungspotentials zwischen einer auf den Anschlußbolzen 22 aufgeschraubten Anschlußmutter 24 und dem Gehäuse 12 ein Zündfunke zwischen der Mittelelektrode 18 und Masseelektroden 26 erzeugt werden, die am Gehäuse 12 angebracht sind. Die Abdichtung und die elektrisch leitende • Verbindung zwischen Anschlußbolzen 22' und Mittelelektrode 18 wird in folgender Weise ausgeführt: An die Mittelelektrode T8 schließt sich ein Cermet 28 an, das gefolgt wird von einem Abbrandwiderstand 30 (ggf. mit dazwischenliegendem Kontaktpaket), auf den wiederum ein Kontaktpaket 32 folgt, in welches der Anschlußbolzen 22 eintaucht. • "
Die gasdichte Abdichtung wird nachfolgend anhand der Figuren 2 bis 4 im Detail beschrieben.
Der Isolator 16 weist in seinem Inneren eine abgesetzte Bohrung auf, deren vorderes Ende 36 die Mittelelektrode aufnimmt. Die Mittelelektrode, die vorzugsweise aus feinkornstabilisiertem Platin oder einer feinkornstabilisierten Platinlegierung besteht, weist einen Nagelkopf 38 auf, der auf dem Absatz zum größeren Bohrungsdurchmesser aufliegt. Die Mittelelektrode ist in den Isolator eingesintert und wird durch das Cermet 28 über .dem Nagelkopf abgedichtet und zusätzlich fixiert. Das Cermet 28 besteht aus keramischem Material und einer metallischen Phase! Für die keramische Phase wird dasselbe Material verwendet wie für den Isolator, also Ai203 mit den bekannten Zusätzen an Sinterhilfsmitteln wie Si02l CaO, MgO u.a. Für die metallische Phase wird Platin oder eine Platinlegierung verwendet.
Das Cermet wird hergestellt, indem ein Granulat aus dem Material des Isolators mit einer Korngröße zwischen 90 μm und 150 μm bereitgestellt wird. Die Körner des Keramikgranulats werden anschließend mit dem als elektrischen Leiter dienenden Platin oder der Platin-Legierung beschichtet, beispielsweise durch Rühren in einem Mischer mit einer verdünnten Platinsuspension und anschließendem Trocknen. Das Platin oder die Platin- Legierung liegt in der Suspension pulverförmig vor; die einzelnen Partikel haben Abmessungen in der Größenordnung von unter 10 μm. Auf diese Weise werdeπ Granulatkörner erhalten, die mit einer geringen Menge an Platin oder der Platin-Legierung beschichtet sind. Zur Erzielung der später notwendigen elektrischen Leitfähigkeit hat es sich als ausreichend herausgestellt, wenn der Anteil an Platin oder der Platin-Legierung 10 bis 15 Vol% des Cermets ausmacht.
Das so beschichtete Keramikgranulat wird in den Isolator, der mit einem üblichen Verfahren hergestellt wurde und eventuell bei einer Temperatur von 1000° C zur Erhöhung der Festigkeit vorgegiüht wurde, eingefüllt, so daß es oberhalb des Nagelkopfes 38 der in die Aufnahmebohrung -36 eingesetzten Mittelelektrode 18 liegt. Dann wird das Granulat mittels eines Stempels mit einer Kraft von ca. 100 bis 150 N verdichtet. Schließlich wird der Isolator zusammen mit dem Granulat wie üblich bei ca. 1600°C gesintert. Dabei ergibt sich eine sehr gute Verbindung zwischen dem Isolator und dem Cermet, da als Grundmaterial, für das Cermet dasselbe Material wie für den Isolator verwendet wird, sowie eine gute elektrische Leitfähigkeit des Cermets aufgrund des Platins oder der Platin-Legierung, da beim Sintern ein Netzwerk mit dünnen Leiterbahnen aus Platin oder der Platin-Legierung entsteht. Dies ist in den Figuren 3 und 4 gezeigten Schnittbildern zu erkennen: Es entsteht ein nahezu einheitliches Gefüge aus Isolator 16 und Cermet 28, das sich nur durch die im Cermet 28 vorhandenen Leiterbahnen aus Platin oder der Platin-Legierung unterscheidet.
Da für die keramische Phase des Cermets dasselbe Material verwendet wird wie für den Isolator, ergibt sich eine besonders gute Abdichtung auf der rückwärtigen Seite der Mittelelektrode 18. Diese Abdichtung wird auch über lange Betriebsdauern aufrechterhalten, da das Cermet und der Isolator dieselbe Wärmeausdehnung haben, so daß es zu keinen Wärmespannungen und daraus resultierenden Rissen oder Spalten kommen kann. Somit kann für den Abbrandwiderstaπd 30 als elektrisch leitendes Material beispielsweise Kohlenstoff verwendet werden, obwohl dieses Material bei den Betriebstemperatureh gegenüber Luft oder Verb'rennungsgasen keine ausreichende Beständigkeit aufweist; die Abdichtung ist so zuverlässig, daß der Kohlenstoff mit der Luft oder den Verbrennungsgasen nicht in Berührung kommt.

Claims

Patentansprüche
1. Zündkerze für einen Verbrennungsmotor, mit einem Gehäuse (12), einem Isolator (16), der in dem Gehäuse angeordnet ist und aus einem gesinterten Keramikmaterial besteht,- sowie einer eingesinterten Mittelelektrode (18) und einem Anschlußbolzen (22), die miteinander in elektrisch leitender
Verbindung stehen und in dem Isolator angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß sich an die Mittelelektrode ein Cermet (28) anschließt, dessen keramische Phase aus demselben oder einem ähnlichen Material besteht wie der -Isolator und dessen metallische Phase aus einem Material mit guter elektrischer Leitfähigkeit besteht.
•
2. Zündkerze nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die keramische Phase aus Al203 besteht.
3. Zündkerze nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die keramische Phase Sinterhilfsmittel aufweist.
4. Zündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Phase aus einem bei Sintertemperatur beständigen Metall aus der Platin-Gruppe besteht.
5. Zündkerze nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Phase aus Platin oder einer Platin-Legierung besteht.
6. Zündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung des Cermets (28) ein Keramikgranulat verwendet wird, dessen Körner mit einer Oberflächenbeschichtung aus . dem Material mit guter elektrischer Leitfähigkeit versehen sind.r
7. - Zündkerze nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Granulat eine Korngröße im Bereich zwischen 90 μm und 150 μm hat.
8. Zündkerze nach Anspruch 6 und Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Material mit guter elektrischer Leitfähigkeit pulverförmig ist und die einzelnen Partikel eine Größe von weniger als 10 μm haben.
9. Zündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Phase des Cermets einen Anteil zwischen 10 und 15 Vol% einnimmt.
10. Zündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mitteielektrode (18) einen Durchmesser zwischen 0,3 mm und 0,8 mm hat.
11. Zündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren des Isolators ein Abbrandwiderstand (30) angeordnet ist, dessen Seitfähige Phase aus Kohlenstoff besteht.
12. Verfahren zur Herstellung einer Zündkerze unter Verwendung der folgenden Schritte: - es wird ein Keramikmaterial gepreßt, um einen Isolator (16) zu bilden, der mit einer Aufnahmebohrung (36) für eine Mittelelektrode versehen ist;
- in die Aufnahmebohrung wird die Mittelelektrode (18) eingesetzt;
- es wird ein Keramikgranulat, dessen Körner mit einer Beschichtung aus einem elektrisch gut leitenden Material versehen sind, in den Isolator eingefüllt und verdichtet; - der Isolator wird gesintert.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß als Keramikmaterial Al203 verwendet wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch' gekennzeichnet, daß Sinterhilfsmittel verwendet werden.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für den Isolator Al203 verwendet wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß als elektrisch gut leitendes Material ein bei Sintertemperatur beständiges Metall aus der Platin-Gruppe verwendet wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß als elektrisch gut leitendes Material Platin oder eine Platin-Legierung verwendet wird.
18. Verfahren nach. einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Körner des Keramikgranulats mit dem elektrisch gut leitenden
Material durch Rühren in einer verdünnten Suspension beschichtet werden.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch gut leitende Material unter Verwendung eines
Bindemittels auf die Körner des Granulats aufgebracht wird.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel ein organisches Bindemittel ist.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch gut leitende Material auf die Körner des Granulats aufgedampft wird.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch gut leitende Material auf die Körner des Granulats durch Sputtern aufgebracht wird.
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