Titel

Zündkerzenwiderstandselementanordnung, Verfahren zur Herstellung desselben und Zündkerze für eine Verbrennungskraftmaschine

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zündkerzenwiderstandselementanordnung mit homogener Stromdichteverteilung und reduzierter elektrischer Last, woraus eine lange Produkthaltbarkeit resultiert. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung der Zündkerzenwiderstandselementanordnung sowie eine Zündkerze für eine Verbrennungskraftmaschine, die sich aufgrund der Verwendung der Zündkerzenwiderstandselementanordnung durch eine verbesserte Laufzeit auszeichnet.

Aus DE 102009 0470 055 A1 ist eine Zündkerze für eine Verbrennungskraftmaschine bekannt, die einen Isolator mit einer Bohrung umfasst, in die ein Panat eingelassen ist, das ein erstes Kontaktpanat, ein zweites Kontaktpanat und ein dazwischenliegendes Widerstandspanat umfasst, wobei das zweite Kontaktpanat mit einer Mittelelektrode der Zündkerze und das erste Kontaktpanat mit einem elektrischen Anschlussbolzen verbunden ist. Die für das Widerstandspanat verwendeten chemischen Verbindungen und/oder chemischen Elemente zeichnen sich durch einen spezifisch eingestellten elektrischen Widerstand aus und werden ohne besondere Aufbereitung durch Mischen und Verdichten einer im Isolator der Zündkerze vorgesehenen Bohrung zum Widerstandspanat geformt. Übliche hierbei erzielte Porositäten liegen in einem Bereich von mehr als 5% und insbesondere von mehr als 10%. Hieraus resultiert eine relativ geringe Lebensdauer der Zündkerze. Offenbarung der Erfindung

Die erfindungsgemäße Zündkerzenwiderstandselementanordnung gemäß dem Anspruch 1 zeichnet sich hingegen aufgrund einer homogenen Stromdichteverteilung und fehlender oder geringer Anzahl an Bereichen mit erhöhter elektrischer Last, durch eine sehr gute Haltbarkeit und dauerhaft hohe Leistung aus. Die erfindungsgemäße Zündkerzenwiderstandselementanordnung weist zudem eine geringere Neigung zu elektrischem Fehlverhalten auf, was sekundär auch ein Komplettversagen einer Zündkerze, in der die Zündkerzenwiderstandselementanordnung verbaut ist, verhindert.

Hierzu umfasst die erfindungsgemäße Zündkerzenwiderstandselementanordnung in dieser Reihenfolge einen brennraumseitigen elektrisch leitfähigen Endabschnitt, ein elektrisches Widerstandselement, das ein Widerstandsmaterial umfasst, und einen anschlussseitigen elektrisch leitfähigen Endabschnitt. Die jeweiligen Endabschnitte sorgen für eine gute Verbindung des Widerstandselements mit, bei bestimmungsgemäßem Gebrauch umliegenden Zündkerzenkomponenten, wie z.B. einer Mittelelektrode am brennraumseitigen Endabschnitt und einem elektrischen Anschlussbereich am anschlussseitigen Endabschnitt. Weitere Komponenten können vorgesehen sein.

Das Widerstandselement umfasst ein Widerstandsmaterial und hat eine Porosität von weniger als 0,3%. Dies bedeutet, dass das Widerstandselement aus einem oder mehreren Widerstandsmaterialien gebildet sein kann, die zusammen das Widerstandselement bilden, wobei jedoch die Porosität des kompletten Widerstandselements in der Zündkerzenwiderstandselementanordnung weniger als 0,3% beträgt. Die Porosität des Widerstandselements wird dabei nach Herstellung desselben mittels mikrostruktureller Charakterisierung an Schliffbildern im Rasterelektronenmikroskop (REM) gemessen (siehe: Bestimmung des Volumenanteils von Phasen durch Auswertung von Mikrogefügeaufnahmen, wobei hier die Porosität analog einer Gefügezweitphase ermittelt wird; hierzu wird auf EN ISO 13383-2:2016 verwiesen).

Ohne an eine Theorie gebunden zu sein wird angenommen, dass eine Porosität von weniger als 0,3% zu einer hohen und homogenen Dichte des Widerstandsmaterials mit lediglich wenigen und kleinen Hohlräumen zwischen den Materialpartikeln führt. Hierdurch sind die Materialpartikel im Widerstandsmaterial in jeweils gutem Kontakt zueinander, so dass sich lokal bildende Bereiche mit erhöhter elektrischer Last verhindern oder zumindest deutlich reduzieren lassen, so dass ein elektrisches Fehlverhalten ausgeschlossen werden kann. Dies wiederum verbessert die Laufleistung der Zündkerzenwiderstandselementanordnung. Die bestimmungsgemäße Verwendung der erfindungsgemäßen Zündkerzenwiderstandselementanordnung verbessert damit auch die Laufleistung der Produkte, in denen sie verbaut wird.

Vorzugsweise hat die Zündkerzenwiderstandselementanordnung einen elektrischen Widerstand von 1 bis 14 kQ, insbesondere von 3 bis 10 kQ. Erfindungsgemäß wird der elektrische Widerstand gemäß J IS B 8031 (aus dem Jahr 2006), Ch. 7.13 bei einer Messtemperatur von T=20°C bestimmt.

Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist das Widerstandselement eine Porosität von mindestens 0,05% auf. Die Untergrenze von 0,05% ist dabei vorteilhaft im Lichte einer vereinfachten Herstellung des Widerstandselements. Höhere Verdichtungen würden einen höheren technischen Aufwand bedeuten, der sich direkt auf die Herstellkosten der Zündkerzenwiderstandselementanordnung niederschlägt.

Im Lichte einer Ausgewogenheit zwischen hohen Kosten für die Herstellung der Zündkerzenwiderstandselementanordnung auf der einen Seite und einer verbesserten Stromdichteverteilung auf der anderen Seite, weist das Widerstandselement eine Porosität von 0,05 bis 0,30% und insbesondere von 0,10 bis 0,25% auf.

Zur Verbesserung des elektrischen Anschlusses des Widerstandselements an einen Brennraum bzw. an einen elektrischen Anschluss bei Verwendung der Zündkerzenwiderstandselementanordnung in einer Zündkerze für Verbrennungsmotoren, umfasst der brennraumseitige elektrisch leitfähige Endabschnitt der Zündkerzenwiderstandselementanordnung vorteilhafterweise ein Kontaktpanat und/oder umfasst der anschlussseitige elektrisch leitfähige Endabschnitt vorteilhafterweise ein Kontaktpanat. Ein Kontaktpanat im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein aus unter anderem elektrisch leitfähigen Partikeln gebildetes Element, das sich formgenau an die bei bestimmungsgemäßem Gebrauch jeweils anzuschließende Komponente anbinden lässt und andererseits einen guten elektrischen Kontakt zum Widerstandselement bereitstellt. Insbesondere handelt es sich um Kompositmaterialien, welche mindestens aus elektrisch isolierenden Glaspartikeln und elektrisch leitenden Materialien, wie z.B. Metallen (Eisen, Kupfer, etc.) und/oder kohlenstoffhaltigen Verbindungen (Graphit, carbon black, SiC, etc.) bestehen.

Zur weiteren Verbesserung der Anbindbarkeit der Zündkerzenwiderstandselementanordnung an einen elektrischen Anschluss, umfasst der anschlussseitige elektrisch leitfähige Endabschnitt vorzugsweise einen Kontaktstift. Der Kontaktstift kann als Bolzen ausgebildet sein und gleichzeitig auch für die Herstellung der Zündkerzenwiderstandselementanordnung eingesetzt werden, indem er dazu beiträgt, das Widerstandsmaterial zu verdichten. Zumeist handelt es sich bei dem Kontaktstift um ein auf Metall basierendes mehr oder weniger zylindrisches Element, das in seiner Länge an eine Bohrung im Inneren eines Isolators einer Zündkerze, in die die Zündkerzenwiderstandselementanordnung verbaut werden kann, angepasst ist.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung schließt sich ein Kontaktstift anschlussseitig an das anschlussseitige Kontaktpanat an. Dies dient ebenfalls der verbesserten Verbindung an einen elektrischen Anschluss und vorzugsweise auch der erleichterten Herstellung eines hoch verdichteten Widerstandselements.

Um eine Porosität des Widerstandselements von weniger als 0,3% zu erzielen, ist vorteilhaft vorgesehen, ein Widerstandsmaterial zu verwenden, das eine maximale primäre Partikelgröße von weniger als 10 pm aufweist. Unter einer primären Partikelgröße wird dabei die Partikelgröße des jeweiligen Ausgangsmaterials vor Vermengen desselben und Bilden des Widerstandselements verstanden. Werden zwei oder mehrere Widerstandsmaterialien verwendet, so weist jedes der eingesetzten Widerstandsmaterialien eine primäre Partikelgröße von weniger als 10 pm auf. Widerstandsmaterialien mit einer primären Partikelgröße von weniger als 10 pm haben sich als besonders leicht kompaktierbar und zu einem hoch verdichteten Widerstandselement verarbeitbar herausgestellt. Die primäre Partikelgröße wird gemäß der vorliegenden Erfindung durch mikrostrukturelle Charakterisierung an Schliffbildern im Rasterelektronenmikroskop (REM) ermittelt, nämlich über die Bestimmung der Korngröße und Korngrößenverteilung nach Verfahren B in Ch. 9.3 in EN ISO 13383-1 :2012.

Im Lichte einer guten Verarbeitbarkeit unter Vermeidung von Staubbildung, wird insbesondere ein Widerstandsmaterial mit einer minimalen primären Partikelgröße von 5 nm und insbesondere von 10 nm eingesetzt.

In Abwägung der vorstehend genannten Effekte für eine minimale und eine maximale primäre Partikelgröße des oder der Widerstandsmaterialien, weist das Widerstandsmaterial eine primäre Partikelgröße von 5 nm bis weniger als 10 pm, insbesondere von 10 nm bis weniger als 10 pm und insbesondere von 100 nm bis 5 pm auf. Diese Materialien lassen sich leicht herstellen, sind gut handhabbar und neigen kaum zu Staubbildung. Alle vorstehenden Größenangaben gelten dabei für alle in der Zündkerzenwiderstandselementanordnung verwendeten Widerstandsmaterialien.

Aufgrund der sehr guten Einstei Ibarkeit eines vordefinierten Widerstandswertes, umfasst das Widerstandsmaterial ein Borsilikatglas und ZrÜ2. Weitere Verbindungen und Elemente können enthalten sein, wie beispielsweise auf Kohlenstoff-basierte Stoffe, wie Ruße und dergleichen, oder Titandioxid.

Des Weiteren erfindungsgemäß wird auch ein Verfahren zur Herstellung einer wie vorstehend beschriebenen Zündkerzenwiderstandselementanordnung offenbart. Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren einen Schritt des Zerkleinerns des Widerstandsmaterials auf eine primäre Partikelgröße von weniger als 10 pm, insbesondere von 5 nm bis weniger als 10 pm, insbesondere von 10 nm bis weniger als 10 pm und insbesondere von 100 nm bis 5 pm. Durch das Zerkleinern, das mit einer beliebigen Vorrichtung, wie z.B. einer Perlenmühle oder einer Rührwerkskugelmühle ausgeführt werden kann, ergibt sich, dass das Widerstandsmaterial sehr hoch verdichtet werden kann, um das Widerstandselement zu bilden. Zwischen den einzelnen Partikeln können sich bei Formung bzw. Bildung des Widerstandselements weniger Hohlräume bilden, was primär zu einer Porosität des Widerstandselements von weniger als 0,3% und daraus folgend, beim Verbau der Zündkerzenwiderstandselementanordnung in einer Zündkerze für Verbrennungsmotoren zu einer besonders homogenen Stromdichteverteilung führt. Lokale Bereiche mit erhöhter elektrischer Last können durch Verbau von erfindungsgemäß zerkleinertem Widerstandsmaterial im Widerstandselement effektiv verhindert werden. Das Verfahren ist hocheffizient und kann technisch einfach umgesetzt werden.

Zusätzlich zu dem vorstehend beschriebenen Schritt können sich weitere Verfahrensschritte, wie z.B. ein Anordnen von einem brennraumseitigen elektrisch leitfähigen Endabschnitt sowie einem anschlussseitigen elektrisch leitfähigen Endabschnitt am Widerstandselement, anschließen. Auch ein Kompaktieren des Widerstandsmaterials zur Bildung des Widerstandselements kann ausgeführt werden, z.B. mittels eines Kontaktstifts, der von Seiten des anschlussseitigen elektrisch leitfähigen Endabschnitts geführt wird.

Ferner erfindungsgemäß wird auch eine Zündkerze für eine Verbrennungskraftmaschine offenbart, die eine wie vorstehend beschriebene Zündkerzenwiderstandselementanordnung umfasst. Aufgrund des Verbaus der erfindungsgemäßen Zündkerzenwiderstandselementanordnung in der erfindungsgemäßen Zündkerze ergibt sich auch für die Zündkerze eine verlängerte Lebensdauer bzw. Laufzeit, da elektrisches Fehlverhalten vermieden und eine homogene Stromdichteverteilung erzielt wird.

Die Zündkerze kann neben der erfindungsgemäßen Zündkerzenwiderstandselementanordnung weitere Komponenten umfassen, wie beispielsweise im angegebenen Stand der Technik offenbart, wie z.B. eine Mittelelektrode, eine Masseelektrode, ein Gehäuse, das einen Isolator beinhaltet, wobei die Zündkerzenwiderstandselementanordnung in einer Bohrung im Isolator angeordnet ist und brennraumseitig mit der Mittelelektrode und anschlussseitig mit dem elektrischen Anschluss der Zündkerze verbunden ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:

Figur 1 eine teilgeschnittene Ansicht einer Zündkerze gemäß einer

Ausführungsform der Erfindung. Ausführungsform der Erfindung

Fig. 1 zeigt eine Zündkerze 1 gemäß einer Ausführungsform. Die Zündkerze 1 weist einen Isolator 2, ein Gehäuse 3, einen als Anschlussbolzen ausgebildeten Kontaktstift 7, eine Zündkerzenwiderstandselementanordnung 20, eine Mittelelektrode 9, eine Masseelektrode 10 und eine Anschlussmutter 18 auf. Der Isolator 2 weist über seine gesamte Länge einen durchgehenden Hohlraum 6 auf. In diesem Hohlraum 6 stecken der Reihe nach die Mittelelektrode 9, die Zündkerzenwiderstandselementanordnung 20 und der Kontaktstift 7. Bezugszeichen 5 bezeichnet einen Isolatorkopf.

Auf den Anschlussbolzen außerhalb des Isolators 2 ist die Anschlussmutter 18 aufgeschraubt. Die Zündkerzenwiderstandselementanordnung 20 umfasst ein als erstes Kontaktpanat ausgebildeten anschlussseitigen elektrisch leitfähigen Endabschnitt 21 , einen als zweites Kontaktpanat ausgebildeten brennraumseitigen elektrisch leitfähigen Endabschnitt 22 und ein zwischen dem ersten Kontaktpanat und dem zweiten Kontaktpanat angeordnetes Widerstandelement 8.

Der Hohlraum 6 im Isolator ist zylinderförmig und erstreckt sich vom anschlussseitigen (brennraumfernen) Anfang des Isolators 2 bis zu einer mehrstufig ausgeführten Verjüngung 12. An der mehrstufigen Verjüngung 12 bietet der Hohlraum 6 im Isolator 2 eine Auflage für einen Mittelelektrodenkopf 13 der Mittelelektrode 9.

Die Zündkerzenwiderstandselementanordnung 20 erstreckt sich in etwa von der Mitte der Isolatorschulter 4 bis zu dem mehrstufigen Übergang 12 . Im Bereich des Übergangs 12 befindet sich bevorzugt nur das zweite Kontaktpanat, jedoch kein Widerstandselement 8, so dass eine größtmögliche Streuung des Widerstandswertes entsteht.

Auf einer brennraumnahen Seite steckt der Mittelelektrodenkopf 13 im zweiten Kontaktpanat. Auf einer brennraumfernen Seite steckt der Anschlussbolzen im ersten Kontaktpanat. Die Zündkerzenwiderstandselementanordnung 20 umfasst ein Widerstandsmaterial, das bevorzugt durch Gießen in den Hohlraum 6 eingepasst und nach dem Erstarren als Widerstandselement 8 gebildet wird.

Der Anschlussbolzen ist in das erste Kontaktpanat eingetaucht und wird fest mit der fertig ausgebildeten Zündkerzenwiderstandselementanordnung 20 verbunden.

Außen auf dem Isolator 2 sitzt das Gehäuse 3. Dieses Gehäuse 3 erstreckt sich von einer anschlussseitigen (brennraumfernen) Seite der Isolatorschulter 4 bis zum brennraumseitigen Ende des Isolators 2. An diesem brennraumseitigen Ende des Isolators 2 ist die Masseelektrode 10 am Gehäuse 3 angebracht. Das Gehäuse 3 umfasst des Weiteren einen Außensechskant 14, ein Außengewinde 15 und einen Bördelkragen 16. Der Außensechskant 14 und das Gewinde 15 dienen zum Einschrauben der Zündkerze 1 in eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere in einen Zylinderkopf.

Am anschlussseitigen Ende ragt der Anschlussbolzen mit einem hinausragenden Anteil 17 über den Isolator 2 hinaus. Dieser hinausragende Anteil 17 ist mit einem Gewinde versehen, auf welches die Anschlussmutter 18 aufgeschraubt ist. Die Länge des hinausragenden Anteils 17 ist so gewählt, dass er gemeinsam mit der Anschlussmutter 18 den bündigen Abschluss 11 bildet.

Das Widerstandselement 8 umfasst ein Widerstandsmaterial, insbesondere ein Borsilikatglas und ZrÜ2, wobei ZrÜ2 ein keramisches Material ist. Zudem kann das Widerstandsmaterial weitere Komponenten enthalten, wie z.B. Ruß oder andere elektrisch leitende Kohlenstoffmaterialien. Das Widerstandsmaterial bzw. alle für das Widerstandselement 8 verwendeten Widerstandsmaterialien weisen eine maximale primäre Partikelgröße vor dem Verarbeiten zu dem Widerstandselement 8 von weniger als 10 pm auf und haben insbesondere eine minimale primäre Partikelgröße von 0,5 nm, insbesondere von 5 nm und insbesondere von 10 nm. Die gewünschte Partikelgröße kann durch Zerkleinern des jeweiligen Widerstandsmaterials erzielt werden.

Das Widerstandselement 8 ist aus dem zerkleinerten Widerstandsmaterial bzw. den zerkleinerten Widerstandsmaterialien insbesondere durch Gießen und/oder Verdichten im Hohlraum 6 gebildet, wobei eine Porosität des Widerstandselements 8 weniger als 0,3% und insbesondere 0,05 bis 0,28% beträgt. Hierdurch wird ein hoch kompaktiertes Widerstandselement 8 erhalten, in dem die Partikel des Widerstandsmaterials sehr nahe aneinander anliegen und wenig Hohlräume zwischen den Partikeln vorliegen. Dadurch wird eine sehr homogene Stromdichteverteilung erhalten, die sich durch niedriges elektrisches Fehlverhalten auszeichnet und damit der Zündkerzenwiderstandselementanordnung 20 und somit auch der Zündkerze 1 eine hohe Lebensdauer und hohe Laufleistung verleiht.