Titel

Zündkerzenverbindungselement und Zündkerze

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Zündkerzenverbindungselement und eine Zündkerze mit verbesserter Resistenz gegenüber Oxidation.

Zündkerzen, die in einer Verbrennungskammer einer Brennkraftmaschine angeordnet sind, weisen, um die elektromagnetische Verträglichkeit der

Zündkerzen zu verbessern, einen spezifischen elektrischen Widerstand von 1 bis 14 kQ auf. Typischerweise wird hierbei ein Zündkerzenverbindungselement verwendet, das einen elektrischen Anschluss der Zündkerze mit dem Fuß einer Mittelelektrode verbindet, und das Glas, kristalline Oxide und mindestens ein anorganisches nicht-oxidisches elektrisch leitfähiges Material, meistens Ruß, umfasst. Auch kann das Zündkerzenverbindungselement aus mehreren

Einzelkomponenten bestehen, je nach einzustellendem elektrischen Widerstand bzw. elektrischer Leitfähigkeit. Während des Herstellprozesses der Zündkerze werden hohe Temperaturen angewandt, was zur Oxidation der nicht-oxidischen elektrisch leitfähigen Materialien und damit zur Degradation des elektrischen Widerstandswerts des Zündkerzenverbindungselements führt. Eine derartige Oxidation kann auch während des bestimmungsgemäßen Gebrauchs der Zündkerze stattfinden.

Offenbarung der Erfindung

Das erfindungsgemäße Zündkerzenverbindungselement zeichnet sich hingegen durch eine sehr hohe Oxidationsbeständigkeit und damit bei dauerhaft stabilem hohem elektrischem Widerstand durch eine sehr lange Haltbarkeit aus. Das Zündkerzenverbindungselement umfasst dabei ein erstes Kontaktelement, ein zweites Kontaktelement und ein Widerstandselement, wobei das Widerstandselement zwischen dem ersten Kontaktelement und dem zweiten Kontaktelement angeordnet ist. Das erste Kontaktelement ist in einer Zündkerze ferner mit dem elektrischen Anschluss der Zündkerze verbunden. Das zweite Kontaktelement ist in der Zündkerze mit dem Fuß der Mittelelektrode verbunden. Das Widerstandselement dient dazu, der Zündkerze einen spezifischen

Gesamtwiderstand zu verleihen, während das erste und auch das zweite Kontaktelement die elektrische Leitfähigkeit zwischen den angrenzenden Bauteilen verbessern.

Erfindungsgemäß werden eine hohe Oxidationsbeständigkeit und ein guter Widerstandswert des Zündkerzenverbindungselements dadurch erzielt, dass das erste Kontaktelement und das zweite Kontaktelement eine spezifische

Leitfähigkeit von 10 ² S/m bis 10 ⁸ S/m und das Widerstandselement eine spezifische Leitfähigkeit von 10 ³ S/m bis 10 ¹ S/m aufweist. Die spezifische Leitfähigkeit kann dabei gemäß DIN 1324 (Mai 1988) ermittelt werden.

Aufgrund des erfindungsgemäßen Zündkerzenverbindungselements wird eine sehr gute Haltbarkeit desselben erzielt und ein stabil einstellbarer

Widerstandswert erhalten.

Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.

Um den Widerstandswert des Widerstandselements und damit auch den Widerstandswert einer Zündkerze besonders einfach und stabil einstellen zu können, enthält das erste Kontaktelement und/oder das zweite Kontaktelement und/oder das Widerstandselement mindestens ein erstes Oxid. Besonders vorteilhaft, aufgrund der geringen Oxidierbarkeit, enthalten sowohl das erste Kontaktelement, als auch das zweite Kontaktelement und auch das

Widerstandselement mindestens ein erstes Oxid.

Das erste Oxid ist dabei ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Oxiden der nachfolgenden allgemeinen Formel (1):

M _{I -X} D _x 0 ₂ Formel (1) wobei M ausgewählt ist aus Ti, Zr, Sn und Kombinationen daraus, D ausgewählt ist aus V, Nb, Ta, P, As, Sb, Bi und Kombinationen daraus und 0 < x < 0,5. Alternativ oder additiv dazu ist das erste Oxid mindestens eines der

nachfolgenden allgemeinen Formel (2):

Z . _y Q _y O Formel (2), wobei Q ausgewählt ist aus AI, Ga, In, B, Ti, Zr, Hf, Si, Ge, Sn und

Kombinationen daraus und 0 < y < 0,5.

Bei den ersten Oxiden der allgemeinen Formel (1) und der allgemeinen Formel (2) handelt es sich um dotierte elektrisch leitfähige Oxide.

Als weitere alternative oder additive Möglichkeit ist das erste Oxid mindestens eines, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Zr0 _2-r , Ti0 _2-r , Sn0 _2-r , ZnOi- _r , Hf0 _2-r , V ₂ O _5-1 -, Nb ₂ 0 _5-r und Ta ₂ 0 _5-r , mit 0,5 > r > 0. Vorzugsweise ist r = 0,0001 bis 0,1. Bei diesen Oxiden handelt es sich um reduzierte elektrisch leitfähige Materialien.

Die vorstehend genannten, erfindungsgemäß eingesetzten ersten Oxide sind kristalline Oxide und zeichnen sich durch eine gute elektrische Leitfähigkeit aus. Sie können einzeln eingesetzt oder beliebig miteinander kombiniert werden. Sie sind bei bestimmungsgemäßem Gebrauch des Zündkerzenverbindungselements im Wesentlichen nicht oxidierbar, so dass das Zündkerzenverbindungselement eine dauerhaft gute Resistenz gegenüber Oxidation und damit eine sehr gute Haltbarkeit bei stabil einstellbarem Widerstandswert aufweist.

Weiter vorteilhaft im Sinne einer reduzierten Oxidierbarkeit ist das erste

Kontaktelement und/oder das zweite Kontaktelement und/oder das

Widerstandselement (8) frei von Metallen und kohlenstoffhaltigen Verbindungen und insbesondere ist das erste Kontaktelement und/oder das zweite

Kontaktelement und/oder das Widerstandselement frei von anorganischen, nicht oxidischen elektrisch leitfähigen Materialien, Metallen und Legierungen. Dies bedeutet, dass der Zusammensetzung des jeweiligen bzw. entsprechenden Elements (oder auch der Elemente) des Zündkerzenverbindungselements keine anorganischen, nicht-oxidischen elektrisch leitfähigen Materialien, Metalle und Legierungen zugefügt sind. Ein Gehalt dieser Verbindungen beträgt damit, bis auf technisch unvermeidbare Rückstände, 0 Masse%, bezogen auf die Gesamtmasse des entsprechenden Elements. Sind beispielsweise beide

Kontaktelemente oder mindestens ein Kontaktelement und das

Widerstandselement oder auch das erste Kontaktelement, das zweite

Kontaktelement und das Widerstandselement frei von anorganischen, nicht oxidischen elektrisch leitfähigen Materialien, Metallen und Legierungen, so gilt für jedes dieser Elemente, dass der Gehalt an anorganischen, nicht-oxidischen elektrisch leitfähigen Materialien, Metallen und Legierungen, bis auf technisch unvermeidbare Rückstände, 0 Masse% beträgt.

Zu den zu vermeidenden anorganischen nicht-oxidischen elektrisch leitfähigen Materialien sind z.B. Ruß, Graphit und Carbide, und unter den Carbiden

Siliciumcarbid, Wolframcarbid, Eisencarbid, Borcarbid, Titancarbid,

Zirkoniumcarbid, Hafniumcarbid, Vanadiumcarbid, Niobcarbid, Tantalcarbid, Molybdäncarbid und Mischungen daraus, zu verstehen. Zu vermeidende Metalle sind beispielsweise Eisen, Wolfram, Titan, Kupfer, Silber und Mischungen daraus sowie metallische Legierungen.

Zur Verbesserung der Stabilität des Zündkerzenverbindungselements und ferner zur Verbesserung des Widerstandswerts desselben, enthält das erste

Kontaktelement und/oder das zweite Kontaktelement und/oder das

Widerstandselement vorteilhafterweise ferner mindestens ein zweites Oxid, das ein anorganisches amorphes Oxid ist. Unter einem anorganischen amorphen Oxid wird erfindungsgemäß ein Glas verstanden, das aus einem oder mehreren Metalloxiden gebildet wird. Das Glas ist dabei im Wesentlichen nicht beschränkt und wird im Hinblick auf den einzustellenden Widerstandswert und seine

T emperaturbeständigkeit ausgewählt.

Vorteilhaft wird als zweites Oxid insbesondere ein Silikatglas verwendet, da Silikatgläser sehr stabil und dabei elektrisch gut isolierend sind. Sie bilden eine sehr gute Matrix für das erste Oxid. Aus vorstehend genannten Gründen ist das Glas vorzugsweise ein Borsilikatglas, wie insbesondere ein Lithium- Borsilikatglas, ein Lithium-Calcium-Borsilikatglas oder ein Natrium-Borsilikatglas.

Eine besonders vorteilhafte Zusammensetzung eines Glases (die Mengenan gaben beziehen sich auf die Gesamtmasse dieser Zusammensetzung) ist: S1O2: 35 bis 65 Masse%,

B2O3: 20 bis 55 Masse%,

Li0 ₂ : 0,5 bis 10 Masse%,

Na ₂ 0: 0 bis 10 Masse%,

K2O: maximal 2 Masse%,

CaO: 0 bis 15 Masse%,

SrO: 0 bis 15 Masse%,

BaO: 0 bis 10 Masse%,

MgO: 0 bis 15 Masse%,

AI2O3: 0 bis 15 Masse% und

PbO: 0 bis 5 Masse%.

Weiter vorteilhaft enthält das erste Kontaktelement und/oder das zweite

Kontaktelement und/oder das Widerstandselement mindestens ein drittes Oxid, das ein kristallines Oxid, ausgewählt aus ZrÜ2, T1O2, AI2O3 und Mischungen daraus ist. Durch diese dritte Oxid kann der elektrische Widerstand des

Zündkerzenverbindungselements verbessert werden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform beträgt der Gesamtgehalt an erstem Oxid in dem ersten Kontaktelement und/oder in dem zweiten

Kontaktelement und/oder in dem Widerstandselement maximal 100 Masse%, insbesondere 40 bis 95 Masse% und insbesondere 60 bis 85 Masse%, jeweils bezogen auf die Gesamtmasse des jeweiligen Elements. Wird das erste Oxid in einem der Elemente des Zündkerzenverbindungselements mit einem Gehalt von 100 Masse% eingesetzt, besteht das entsprechende Element aus dem ersten Oxid. D.h. es sind keine anderen Oxide oder andere Materialien zugesetzt. Durch diese Ausführungsform lässt sich ein gewünschter Widerstandswert bzw. eine gewünschte Leitfähigkeit besonders einfach einstellen.

Eine Anpassung des Gehalts an erstem Oxid im Bereich von 40 bis 95 Masse% und insbesondere von 60 bis 85 Masse% ermöglicht den Zusatz weiterer Komponenten zu dem Zündkerzenverbindungselement, insbesondere den Zusatz mindestens eines zweiten Oxids, das die Stabilität des

Zündkerzenverbindungselements verbessern und den elektrischen Widerstand des Widerstandselements bzw. die Leitfähigkeit des ersten Kontaktelements und/oder des zweiten Kontaktelements stabilisieren kann. Aus den vorstehend genannten Gründen ist es weiter vorteilhaft, dass der Gesamtgehalt an zweitem Oxid in dem ersten Kontaktelement und/oder in dem zweiten Kontaktelement und/oder in dem Widerstandselement mehr als 0 bis 75 Masse%, insbesondere mehr als 0 bis 45 Masse%, insbesondere 20 bis 40 Masse% und insbesondere 28 bis 38 Masse%, jeweils bezogen auf die

Gesamtmasse des jeweiligen Elements (erstes Kontaktelement, zweites

Kontaktelement, Widerstandselement) beträgt.

In einer weiteren Ausführungsform enthält das Zündkerzenverbindungselement ein drittes Oxid, um den Widerstandswert des Widerstandselements bzw. die Leitfähigkeit des ersten Kontaktelements und/oder des zweiten Kontaktelements noch einfacher anpassen zu können. Der Gesamtgehalt an drittem Oxid in dem ersten Kontaktelement und/oder in dem zweiten Kontaktelement und/oder in dem Widerstandselement beträgt daher vorteilhafterweise mehr als 0 bis 20 Masse%, insbesondere 2 bis 10 Masse% und insbesondere 3 bis 5 Masse%, jeweils bezogen auf die Gesamtmasse des jeweiligen Elements.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform besteht das erste

Kontaktelement und/oder das zweite Kontaktelement und/oder das

Widerstandselement aus mindestens einem ersten Oxid und mindestens einem Additiv. Der Gesamtgehalt an Additiv, bezogen auf die Gesamtmasse des jeweiligen Elements, beträgt dabei weniger als 5 Masse%, insbesondere weniger als 0,5 Masse% und kann auch 0 Masse% betragen. Besonders bevorzugt bestehen das erste Kontaktelement, das zweite Kontaktelement und das

Widerstandselement aus mindestens einem ersten Oxid und mindestens einem Additiv, wobei der Gesamtgehalt an Additiv in jedem der Elemente weniger als 5 Masse% und insbesondere weniger als 0,5 Masse% beträgt und auch 0 Masse% betragen kann.

Mit anderen Worten kann das erste Kontaktelement und/oder das zweite

Kontaktelement und/oder das Widerstandselement einzig aus dem ersten Oxid bestehen. Ein solches Element lässt sich sehr einfach hersteilen, da keine spezifischen Verfahrensschritte zum Vermengen unterschiedlicher Materialien angewendet werden müssen. Hilfreich kann jedoch ein Zusatz von Additiven, wie z.B. ein Bindemittel, sein, das jedoch häufig bei der Fertigstellung des

Zündkerzenverbindungselements unter Temperatureinwirkung zersetzt wird und damit in der fertiggestellten Zündkerzenelektrode nicht mehr nachweisbar ist. Optional kann das erste Kontaktelement und/oder das zweite Kontaktelement und/oder das Widerstandselement ferner mindestens ein zweites Oxid und optional auch mindestens ein drittes Oxid enthalten. Hierbei sind insbesondere die vorstehend für das zweite Oxid und das dritte Oxid offenbarten

Gesamtmengen, bezogen auf die Gesamtmasse des jeweiligen Elements, anwendbar.

Ebenfalls erfindungsgemäß wird auch eine Zündkerze beschrieben, die mindestens ein wie vorstehend offenbartes Zündkerzenverbindungselement umfasst. Aufgrund der spezifischen Leitfähigkeiten des ersten Kontaktelements und des zweiten Kontaktelements sowie der spezifischen Leitfähigkeit (des spezifischen Widerstandes) des Widerstandselements des

Zündkerzenverbindungselements zeichnet sich die Zündkerze durch eine sehr hohe Oxidationsbeständigkeit, auch bei bestimmungsgemäßem Gebrauch und damit durch eine hohe chemische und damit auch mechanische Stabilität aus.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:

Figur 1 eine teilgeschnittene Ansicht einer Zündkerze gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung und

Figur 2 eine schematische Schnittansicht eines Widerstandselements gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.

Ausführungsformen der Erfindung

In den Figuren sind nur die wesentlichen Merkmale der Erfindung dargestellt. Alle übrigen Merkmale sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen. Ferner beziffern gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile.

Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, umfasst die Zündkerze 1 gemäß einer ersten Ausführungsform eine Masseelektrode 2 und eine Mittelelektrode 3. Ein Isolator 4 ist derart vorgesehen, dass die Mittelelektrode 3 in bekannter Weise etwas vom Isolator 4 vorsteht. Der Isolator 4 selbst ist teilweise von einem Gehäuse 5 umgeben. Das Bezugszeichen 6 bezeichnet eine elektrische Anschlussmutter 6. Von der elektrischen Anschlussmutter 6 ist eine elektrisch leitfähige Verbindung über einen Anschlussbolzen 7, ein erstes Kontaktelement 9a, ein

Widerstandselement 8 und ein zweites Kontaktelement 9b zur Mittelelektrode 3 vorgesehen. Das erstes Kontaktelement 9a, das zweites Kontaktelement 9b und das zwischen dem ersten Kontaktelement 9a und dem zweiten Kontaktelement 9b angeordnete Widerstandselement 8 werden zusammen als

Zündkerzenerfindungselement 12 angeführt. Das erste Kontaktelement 9a und das zweite Kontaktelement 9b weisen eine spezifische Leitfähigkeit von 10 ² S/m bis 10 ⁸ S/m auf. Hierdurch wird die von der elektrischen Anschlussmutter 6 über den Anschlussbolzen 7 auf das erste Kontaktelement 9a übertragene Spannung weitestgehend widerstandsfrei weitergeleitet. Auch wird die vom

Widerstandselement 8 über das zweite Kontaktelement 9b an die Mittelelektrode 3 weitergeleitete Spannung durch das zweite Kontaktelement 9b aufgrund der sehr gut leitenden Eigenschaften weitestgehend verlustfrei weitergeleitet. Mit anderen Worten weisen das erste Kontaktelement 9a und das zweite

Kontaktelement 9b eine hohe elektrische Leitfähigkeit und damit einen geringen elektrischen Widerstand auf.

Das Widerstandselement 8, das in Figur 2 im Detail dargestellt ist, weist eine sehr gute Oxidationsbeständigkeit und damit verbunden einen dauerhaft stabilen Widerstandswert auf. Hierdurch sind nicht nur die chemische und damit auch die mechanische Stabilität des Zündkerzenelements 8, sondern auch die

entsprechenden Eigenschaften der Zündkerze 1 verbessert. Die Zündkerze 1 hat damit auch bei bestimmungsgemäßem Gebrauch eine lange Haltbarkeit.

Figur 2 ist eine schematische Schnittansicht des Widerstandselements 8 aus Figur 1. Das Widerstandselement 8 hat eine spezifische Leitfähigkeit von 10 ³ S/m bis 10 ¹ S/m und umfasst mindestens ein erstes Oxid 11.

Das erste Oxid 11 kann ein Oxid der nachfolgenden allgemeinen Formel (1) oder Mischungen dieser unter Formel (1) fallenden Oxide sein:

MI-XD _x 02 Formel (1). ln Formel (1) ist M ausgewählt aus Ti, Zr, Sn und Kombinationen daraus, D ist ausgewählt aus V, Nb, Ta, P, As, Sb, Bi und Kombinationen daraus und x erfüllt folgende Relation: 0 < x < 0,5.

Alternativ oder additiv zu dem oder den Oxiden der Formel (1) kann das erste Oxid 11 auch mindestens ein Oxid der nachfolgenden allgemeinen Formel (2) umfassen:

Zrn- _y Q _y O Formel (2).

In Formel (2) ist Q ausgewählt aus AI, Ga, In, B, Ti, Zr, Hf, Si, Ge, Sn und Kombinationen daraus und y erfüllt die folgende Relation: 0 < y < 0,5.

Alternativ oder additiv zu dem Oxid bzw. den Oxiden der Formeln (1) und (2) kann das erste Oxid 11 auch ein Oxid umfassen, das aus der Gruppe bestehend aus: Zr0 _2-r , Ti02-r, Sn02-r, ZnOi- _r , Hf02-r, V ₂ 05- _r , Nb ₂ 05- _r und Ta ₂ Os-r ausgewählt ist. r erfüllt dabei die Relation 0,5 > r > 0.

Die vorstehend genannten Oxide können jeweils einzeln oder aber in beliebigen Kombinationen eingesetzt werden. Der Gesamtanteil an erstem Oxid 11 beträgt dabei insbesondere 60 bis 85 Masse%, bezogen auf die Gesamtmasse des Widerstandselements 8.

Das Widerstandselement 8 ist frei von anorganischen, nicht-oxidischen elektrisch leitfähigen Materialien, Metallen und Legierungen.

Neben dem ersten Oxid 11 enthält das Widerstandselement 8 mindestens ein zweites Oxid 10, das ein anorganisches amorphes Oxid ist. Das zweite Oxid 10 liegt in Form eines Glases vor und bildet z.T. eine Matrix für das kristalline erste Oxid 11. Dadurch wird eine sehr hohe Stabilität des Widerstandselements 8 erzielt. Das Glas ist aufgrund seiner hohen Stabilität auch bei hohen

Temperaturen insbesondere ein Silikatglas.

Der Gesamtgehalt an zweitem Oxid 10 beträgt insbesondere 5 bis 30 Masse%, bezogen auf die Gesamtmasse des Widerstandselements 8, so dass eine besonders stabile oxidische Matrix des Widerstandselements 8 erhalten wird. Optional kann das Widerstandselement 8 mindestens ein drittes Oxid enthalten, das ausgewählt ist aus ZrÜ2, T1O ₂ , AI ₂ O ₃ und Mischungen daraus.

Das Widerstandselement 8 zeichnet sich durch eine besonders hohe

Oxidationsbeständigkeit aus, so dass bei der Herstellung einer Zündkerze unter

Verwendung des Widerstandselements 8 keine Degradation des Materials des Widerstandselements 8 stattfindet. Dadurch kann der gewünschte

Widerstandswert dauerhaft stabil gehalten werden. Das Widerstandselement 8 weist auch bei bestimmungsgemäßem Gebrauch somit nicht nur eine hohe chemische Stabilität, sondern auch eine sehr gute mechanische Stabilität auf.

Das erste Kontaktelement 9a und das zweite Kontaktelement 9b können in der chemischen Zusammensetzung ähnlich wie das Widerstandselement 8 aufgebaut sein, also ebenfalls ein erstes Oxid (11), optional ein zweites Oxid (10) und optional ein drittes Oxid, wie vorstehend definiert, umfassen und

insbesondere frei sein von Metallen und kohlenstoffhaltigen Verbindungen. Die Zusammensetzungen unterscheiden sich aber insoweit, dass das erste

Kontaktelement (9a) und das zweite Kontaktelement (9b) eine spezifische Leitfähigkeit von 10 ² S/m bis 10 ⁸ S/m aufweisen. Dies kann durch

unterschiedliche Dotierungen der entsprechenden Oxide oder aber durch unterschiedliche Gehalte der Oxide erzielt werden. Das erste Kontaktelement 9a und das zweite Kontaktelement 9b zeichnen sich ebenfalls durch eine gute Oxidationsbeständigkeit bei gleichzeitig sehr hoher elektrischer Leitfähigkeit aus.