DE69400253T2

DE69400253T2 - Zündkerzenisolator und sein Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE69400253T2
Application number: DE69400253T
Authority: DE
Inventors: Masashiro Konishi; Kenichi Nishikawa; Makoto Sugimoto; Hiroyuki Tanabe
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1993-04-26
Filing date: 1994-04-18
Publication date: 1996-10-24
Anticipated expiration: 2014-04-19
Also published as: JPH06310255A; EP0622881A3; US5508582A; DE69400253D1; EP0622881A2; US5565157A; EP0622881B1; JP2925425B2; BR9400990A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Zündkerzenisolator eines Verbrennungsmotors und ein Verfahren zur Herstellung desselben für die Verwendung in einem Kraftfahrzeug oder einem Flugzeug, und sie betrifft insbesondere einen Zündkerzenisolator mit verbesserter Isolation und höherer Beständigkeit gegenüber Belastungen durch Temperaturschocks.
In einem Verbrennungsmotor ist ein Zündkerzenisolator Umgebungstemperaturen von bis zu 2000ºC während des Verbrennungstaktes und anschließend während des Ansaugtaktes einem Brennstoff-Luftgemisch mit einer Temperatur entsprechend der Atmosphäre ausgesetzt. Damit wird der Isolator wiederholt einem abwechselnden Heiß/Kaltzyklus unterworfen, so daß der Isolator wiederholte thermischen Beanspruchungen erfährt. Der betreffende Isolator ist aus einem gesintertem Keramikmaterial mit Aluminiumoxid (Tonerde) als Hauptkomponente hergestellt.
Mit den jüngsten Forderungen nach hoher Leistung bei gleichzeitig hoher Kraftstoffausnutzung des Verbrennungsmotors wurde es zunehmend schwieriger, die erhöhten Temperaturen des Verbrennungsgases zu beherrschen, das einen Temperaturschock für den Isolator aus Keramikwerkstoff auf Basis von Aluminiumoxid bewirkt. Es hat sich gezeigt, daß die thermische Schockeinwirkung je nach den Prüfbedingungen letztlich Risse in dem aus Keramikmaterial auf der Basis von Aluminiumoxid hergestellten Isolator hervorruft.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen Zündkerzenisolator bereitzustellen, bei dem die Beständigkeit gegenüber Temperaturschocks aufgrund sich wiederholender thermischer Spannungen verbessert werden kann, um Risse in dem Isolator zu vermeiden.
Die JP-A-4-098783 offenbart einen Zündkerzenisolator, der zu 0,5 bis 10 Gew.-% aus Bornitrid und einem Metall besteht.
Gemäß der Erfindung wird ein Zündkerzenisolator mit einem Sinterkörper bereitgestellt, der Bornitrid und ein Metalloxid enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das Bornitrid 80 Gew.-% oder mehr des Sinterkörpers umfaßt, und daß der Sinterkörper einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von weniger als 5,0 · 10&supmin;&sup6;/ºC aufweist.
Vorzugsweise wird gemäß der vorliegenden Erfindung das Metalloxid allein oder in Kombination ausgewählt aus der Gruppe umfassend Magnesiumoxid, Calciumoxid, Siliciumoxid, Boroxid, Yttriumoxid und Aluminiumoxid.
Des weiteren wird gemäß der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Zündkerzenisolators bereitgestellt, das die folgenden Schritte umfaßt: Mischen eines Pulvers aus Bornitrid (BN), einem Metalloxidzusatz und Ethanol zur Bildung einer Mischung in einem Nylontopfmischer mit Hilfe einer Nylonkugel, wobei das Bornitrid 80 Gew.-% oder mehr der Mischung beträgt; Trocknen der Mischung für etwa 10 Stunden in einer Unterdruckumgebung; Pulverisieren der getrockneten Mischung, so daß ihre Korngröße weniger als 350 µm beträgt; Drücken der pulverisierten Mischung in einen rohrförmigen Kohlenstoffpreßring; Warmpreßsintern der Mischung in dem Kohlenstoffpreßring in einer Stickstoffatmosphäre bei einem Druck von etwa 50 MPa bei 1800-1900ºC über einen Zeitraum von 5 bis 10 Stunden, um so einen Preßkörper auf Bornitridbasis zu bilden; und Freigeben des Preßkörpers auf Bornitridbasis aus dem Kohlenstoffpreßring.
Bei Verwendung des Sinterkörpers aus der auf Boroxid basierenden Keramik, der im Vergleich zum Isolator auf Aluminiumbasis eine überlegene Widerstandsfähigkeit gegen Temperaturschocks aufweist, ist es möglich, in wirksamer Weise den erhöhten Temperaturen des Verbrennungsgases zu begegnen, die sich aus den jüngsten Forderungen nach hoher Kraftstoffeffizienz des Verbrennungsmotors ergeben.
Wenn der Anteil des Bornitrids weniger als 80 Gew.-% beträgt, führt eine erhöhte Abhängigkeit von anderen Zusätzen außer Bornitrid zu einer Einbuße der Widerstandsfähigkeit des auf Bornitrid basierenden Isolators gegenüber Temperaturschocks. Wenn der Wärmeausdehnungskoeffizient des auf Bornitrid basierenden Isolators einen Wert von 5,0 · 10&supmin;&sup6;/ºC überschreitet, wird seine Widerstandsfähigkeit gegenüber Temperaturschocks im wesentlichen auf den Wert von Isolatoren auf Aluminiumoxidbasis reduziert, wodurch die Vorteile gegenüber dem Isolator auf Aluminiumoxidbasis verlorengehen.
Durch den Zusatz eines Metalloxids, das allein oder in Kombination ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Magnesiumoxid, Calciumoxid, Siliciumoxid, Boroxid, Yttriumoxid und Aluminiumoxid, wird es möglich, den Isolator auf Bornitridbasis mit verbesserten Isolationseigenschaften bereitzustellen.
Wenn der Anteil des Metalloxids 20 Gew.-% überschreitet, wird das Bornitrid zersetzt, so daß sich während des Reaktionsprozesses, bei dem das Bornitrid unter Bildung von gasförmigem Stickoxid mit dem Metalloxid reagiert, unerwünschte Fehlstellen in dem Sinterkörper bilden.
Diese und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen und die beigefügten Zeichnungen offensichtlich; es zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht einer Zündkerze gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, wobei die linke Hälfte geschnitten ist;
Fig. 2 ein Flußdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines Zündkerzenisolators; und
Fig. 3 eine Draufsicht einer Zündkerze gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, wobei die linke Hälfte geschnitten ist.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, die eine Zündkerze 1 zeigt, die für Kraftfahrzeug- und Flugzeugmotore verwendet wird, hat die Zündkerze 1 eine metallische Fassung 2, eine L-förmige Masseelektrode 3, eine Mittelelektrode 4 und einen rohrförmigen Isolator 5. Die metallische Fassung 2 bildet eine äußere Struktur der Zündkerze 1 und dient zur Befestigung im Motor und als Träger des Isolators 5. Ein oberes Ende der metallischen Fassung 2 bildet einen sechseckigen Abschnitt 6, der zum Ansetzen eines Schraubenschlüssels oder dergl. dient. Ein unteres Ende der metallischen Fassung 2 bildet ein Außengewinde 7, das in den Zylinderkopf des Motors eingeschraubt wird. Am unteren Stirnende der metallischen Fassung 2 ist die Masseelektrode 3 durch Schweißung o. ä. angebracht. Die Elektroden 3, 4 bestehen aus hitze- und erosionsbeständigem Material wie Legierungen auf Basis von Ni-Cr-Fe oder Ni-Mn-Si, da sie der Hochtemperaturumgebung des Verbrennungsgases in einem Brennraum des Motors ausgesetzt sind. Eine Funkenstrecke G ist zwischen einem Zündende der Masseelektrode 3 und einem Stirnende der Mittelelektrode 4 bereitgestellt. Ein Widerstand 10 zur Unterdrückung von Störabstrahlungen ist zwischen einer Mittelachse 9 einer Anschlußelektrode 8 und der Mittelelektrode 4 angeordnet, die in der Bohrung 51 des Isolators 5 gehaltert ist. Die Mittelelektrode 4 ist axial ausgerichtet, indem ein leitfähiges Dichtungspulver 11 aus Glas zwischen die Mittelelektrode 4 und den Widerstand 10 und zwischen den Widerstand 10 und die Mittelachse 9 eingeschmolzen wird. Der Isolator 5 wird in der metallischen Fassung 2 unter Abdichtung seines hinteren Endes 2a gehaltert. Integral mit dem Isolator 5 ist ein Schenkelabschnitt 13 auf der Seite ausgebildet, der der hohen Temperaturumgebung des Verbrennungsgases in einem Brennraum des Motors ausgesetzt ist. Am hinteren Ende des Isolators 5 ist ein gewellter Abschnitt 14 einstückig ausgebildet, in dem die Mittelachse 9 der Anschlußelektrode 8 eingeschlossen ist.
Der Isolator 5 ist ein Sinterkörper, der aus Bornitrid (BN) und einem hochisolierenden Metalloxid besteht. Der Anteil des Bornitrids (BN) beträgt 80 Gew.-% oder überschreitet 80 Gew.-%, während der Anteil des Metalloxids weniger als 20 Gew.-% beträgt. Der Isolator 5 auf Bornitridbasis hat einen Wärmeausdehnungskoeffizienten kleiner 5,0 · 10&supmin;&sup6;/ºC. Das Metalloxid ist allein oder in Kombination ausgewählt aus der Gruppe umfassend Magnesiumoxid (MgO), Calciumoxid (CaO), Siliciumoxid (SiO&sub2;), Boroxid (B&sub2;O&sub3;), Yttriumoxid (Y&sub2;O&sub3;) und Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;).
Bei der Herstellung des Isolators 5 wurde Pulver aus Bornitrid (BN) mit einer Reinheit von 99,0% (mittlere Korngröße 1 µm) zusammen mit Keramikmaterialien, die zu 0,90% aus B&sub2;O&sub3;, 0,02% aus CaO oder dergleichen als verunreinigende Substanzen bestanden, verwendet. Als Zusatz zum Bornitridpulver (BN) wurde MgO, CaO (umgewandelt in CaCO&sub3;), SiO&sub2;, B&sub2;O&sub3;, Al&sub2;O&sub3;, Y&sub2;O&sub3;, TiO&sub2; und ZrO&sub2; allein oder in Kombination verwendet, wie nachfolgend für die Probestücke 1-7 der Tabelle 1 beschrieben. Jeder der Zusätze weist eine Reinheit von 99,0% auf und hat eine mittlere Korngröße von weniger als 1 µm.
Die Probestücke für den Isolator 5 wurden folgendermaßen hergestellt:
Das Bornitridpulver (BN), der Zusatz und Ethanol werden vermischt, um eine Mischung in einem Nylontopfmischer mit Hilfe einer Nylonkugel zu bilden (Mischprozeß gemäß Fig. 2).
Anschließend wird die Mischung für 10 Stunden in einer Unterdruckumgebung getrocknet (Trocknungsprozeß gemäß Fig.
2). Danach wird die getrocknete Mischung pulverisiert, so daß ihre Korngröße weniger als 350 µm beträgt (Pulverisierungsprozeß gemäß Fig. 2). Die pulverisierte Mischung wird in einen rohrförmigen Kohlenstoffpreßring mit einem Durchmesser von 25 mm und einer Länge von 100 mm gedrückt. Die Mischung in dem Kohlenstoffpreßring wird in einer Stickstoffatmosphäre bei einem Druck von 50 MPa bei 1800-1900ºC über einen Zeitraum von 5 bis 10 Stunden warmpreßgesintert (Sinterprozeß gemäß Fig. 2). Die Mischung, die auf diese Weise dem Sinterprozeß unterworfen wurde, bildet so einen Preßkörper auf Bornitridbasis (Probestücke 1-7 und Vergleichsstücke 1-5 nach Tabelle 1).
Anschließend wird der Preßkörper auf Bornitridbasis aus dem Kohlenstoffpreßring freigegeben (Freigabeprozeß). Eine geringe Menge des Preßkörpers wird entnommen, um die enthaltenen Komponenten zu analysieren. Beim Analyseprozeß wird ein Sauerstoffanteil mit Hilfe einer Infrarot-Gasanalyse nachgewiesen, und CaO, Y&sub2;O&sub3;, Al&sub2;O&sub3;, MgO und dergl. werden mit Hilfe der Röntgen-Fluoreszenzanalyse bestimmt. Durch die Messung einer Menge des verbleibenden Sauerstoffanteils nach Überführung in die Metalloxide wird der Anteil B&sub2;O&sub3; berechnet. Das Bornitrid (BN) wird durch Abziehen der Metalloxide vom Gesamtgewicht bestimmt. In jedem der Probestücke wird ein vernachlässigbarer Anteil an Kohlenstoff festgestellt, weshalb der Gehalt an Kohlenstoff in Tabelle 1 nicht angegeben ist.
Der Preßkörper auf Bornitridbasis wird zu dem für die Zündkerze 1 geeigneten Isolator 5 geformt (Fertigformungsprozeß). Nachdem die Mittelelektrode 4 in den Isolator 5 eingesetzt ist, werden das leitfähige Dichtungspulver 11 aus Glas und der Widerstand 10 in den Isolator 5 eingebracht. Der Mittelteil des Isolators 5 wird auf 900-1000ºC erhitzt, während gleichzeitig die Anschlußelektrode 8 in den Isolator 5 eingepreßt wird, um die Verbindung zwischen dem hinteren Ende der Mittelelektrode 4 und der Achse 9 dicht abzuschließen. Der Isolator 5 wird in die metallische Fassung 2 eingesetzt, an deren vorderem Ende 2b die Masseelektrode 3 angeschweißt wird (Montageprozeß).
Die physikalischen Eigenschaften der Probestücke und der Vergleichsstücke werden auf Basis der experimentellen Testergebnisse verglichen, die in den Tabellen 1 und 2 aufgeführt sind.
Tabelle 1 zeigt den Anteil von Bornitrid (Gew.-%), den Zusatz (Gew.-%), die Sinterbedingungen, die relative Dichte (%) und das Auftreten von Fehlstellen im Isolator 5 für die Zündkerze 1 (Probestücke 1-7 und Vergleichsstücke 1-5).
Tabelle 2 zeigt Testergebnisse im Motor sowie Meßwerte des Wärmeausdehnungskoeffizienten (/ºC), des Isolationswertes (MΩ) und der Temperaturschockbeständigkeit (ºC) für den Isolator 5 der Zündkerze 1 (Probestücke 1-7 und Vergleichsstücke 1, 4 und 5). Beim Vergleichsstück 6 wurden die entsprechenden physikalischen Eigenschaften an einem Isolator auf Aluminiumbasis für eine Zündkerze gemessen. TABELLE 1 Nr. Bomitrid Zusatz Sinterbedingungen relative Dichte Anmerkung Probestück Vergleichsstück verstärktes Auftreten von Fehlstellen TABELLE 2 Nr. Wärmeausdehnungskoeffizient Isolationswert Beständigkeit gegen Temperaturschock Test im Motor Probestück Vergleichsstück gut Vorzündung nicht gut
Dabei wird die relative Dichte (%) durch (scheinbare Dichte)/(berechnete Dichte) abgeschätzt. Die strukturelle Untersuchung der Isolatorproben wird mittels eines Rasterelektronenmikroskops (SEM für Scanning Type Electronic Microscope) vorgenommen. Der Wärmeausdehnungskoeffizient der Isolatorproben ist zwischen 25ºC (Raumtemperatur) und 1000ºC unter Stickstoffatmosphäre mittels eines Druck-Zug- Wärmedehnungsmessers gemessen.
Mit Hilfe eines Isolationsprüfers (mit 1000 V) wird das Isolationsvermögen durch Messung des Widerstandes zwischen der Masseelektrode und der Anschlußelektrode bestimmt, wobei die Probestücke in der Stickstoffatmosphäre auf 500ºC erhitzt werden.
Die Beständigkeit gegen Temperaturschocks wird bestimmt auf Basis des Unterschieds zwischen der Temperatur von Wasser (20ºC) und der jeweiligen Temperatur der Probestücke, bei der Risse auftreten, wenn die abgelängten Probestücke 1-7 und die Vergleichsstücke 1, 4, 5 und 6 ( 20 mm x 20 mm) nach der Entnahme aus dem entsprechend erwärmten Ofen (180-1000ºC) in das Wasser getaucht werden.
Ein Prüflauf im Motor wird durchgeführt, wobei die Probestücke in einen Einzylinder-Viertaktmotor eingebaut werden. Nach Ablauf von weiteren fünf Minuten, nachdem ein erhitzter Teil 12 des Isolators die Temperatur für Vorzündung erreicht hat, wird untersucht, ob an den Probestücken 1-7 und den Vergleichsstücken 1, 4, 5 und 6 Risse aufgetreten sind oder nicht. Abhängig davon, ob Risse auftreten oder nicht, wird der Zustand des Motors in Tabelle 2 als gut oder nicht gut vermerkt.
Wie aus den obigen Untersuchungen deutlich hervorgeht, wird ein erhöhtes Auftreten von Fehlstellen in der Struktur der Vergleichsstücke 1-3 beobachtet, da diese Bornitrid (BN) mit einem Anteil von weniger als 80 Gew.-% enthalten. Insbesondere zeigt sich, daß die Probestücke 1 und 5 hinsichtlich der Beständigkeit gegenüber Temperaturschocks schlechter abschneiden, da bei ihnen Risse während des Prüflaufs im Motor auftreten.
Das Vergleichsstück 4 hat einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 6,0 · 10&supmin;&sup6;/ºC, der größer ist als derjenige der Probestücke 1-7. Dies führt zu Rissen beim Prüflauf im Motor, obwohl das Vergleichsstück 4 mit einem Bornitridanteil von mehr als 80 Gew.-% das Vergleichsstück 6 hinsichtlich der Beständigkeit gegenüber Temperaturschocks übertrifft.
Das Probestück 3 hat aufgrund des Zusatzes von TiO&sub2; eine Isolationsfähigkeit von nur 20 MΩ und bewirkt das Auftreten von Fehlzündungen durch elektrische Überschläge beim Start des Motors.
Wie aus der vorhergehenden Beschreibung ersichtlich, ist es möglich, einen Isolator bereitzustellen, der gegenüber dem Isolator auf Aluminiumoxidbasis überlegene Eigenschaften hinsichtlich Temperaturschocks aufweist, indem ein keramischer Sinterkörper auf Bornitridbasis mit 80 oder mehr als 80 Gew.-% verwendet wird, während das Metalloxid mit dem Wärmeausdehnungskoeffizienten von weniger als 5,0 · 10&supmin;&sup6;/ºC weniger als 20 Gew.-% einnimmt. Auf diese Weise wird es möglich, die Beständigkeit gegenüber Temperaturschocks durch sich wiederholende Temperaturbelastungen wesentlich zu verbessern, so daß damit den erhöhten Temperaturen des Verbrennungsgases aufgrund der jüngsten Anforderungen an die Kraftstoffeffizienz von Verbrennungsmotoren entsprochen wird.
Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung, bei der ein zweiteiliger Isolator 15 in die metallische Fassung 2 der Zündkerze 1 eingesetzt ist. Der zweiteilige Isolator 15 umfaßt den Schenkelabschnitt 13 und einen Keramikkörper 17 auf Aluminiumoxidbasis, der mit dem Schenkelabschnitt 13 mittels einer Zapfenverbindung verbunden ist. Der Schenkelabschnitt 13 ist aus einem Keramikkörper 16 auf Bornitridbasis hergestellt und seitlich an dem heißen Abschnitt 12 angeordnet. Das hintere Ende des Keramikkörpers 17 auf Aluminiumoxidbasis hat einen gewellten Abschnitt 14. Bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung wirkt es sich insbesondere kostengünstig aus, wenn der Zündkerzenisolator in der Serienfertigung mit dem Schenkelabschnitt 13 und dem Keramikkörper 16 auf Bornitridbasis hergestellt wird.
Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf spezielle Ausführungsformen beschrieben wurde, ist es klar, daß diese Beschreibung nicht in einschränkender Weise aufzufassen ist, da die speziellen Ausführungsformen durch den Fachmann eine Vielzahl von Modifikationen und Ergänzungen erfahren können, ohne dabei den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims

1. Zündkerzenisolator mit einem Sinterkörper, der Bornitrid und ein Metalloxid umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß das Bornitrid 80 Gew.-% oder mehr des Sinterkörpers umfaßt, und daß der Sinterkörper einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von weniger als 5,0 · 10&supmin;&sup6;/ºC aufweist.

2. Zündkerzenisolator nach Anspruch 1, bei dem das Metalloxid einen oder mehrere Stoffe aus der Gruppe von Magnesiumoxid, Calciumoxid, Siliziumoxid, Boroxid, Yttriumoxid und Aluminiumoxid umfaßt.

3. Verfahren zum Herstellen eines Zündkerzenisolators mit den folgenden Schritten:

Mischen eines Pulvers aus Bornitrid (BN), einem Metalloxidzusatz und Ethanol zur Bildung einer Mischung in einem Nylontopfmischer mit Hilfe einer Nylonkugel, wobei das Bornitrid 80 Gew.-% oder mehr der Mischung beträgt, Trocknen der Mischung für etwa 10 Stunden in einer Unterdruckumgebung,

Pulverisieren der getrockneten Mischung, so daß ihre Korngröße weniger als 350 µm beträgt,

Drücken der pulverisierten Mischung in einen rohrförmigen Kohlenstoffpreßring,

Warmpreßsintern der Mischung in dem Kohlenstoffpreßring in einer Stickstoffatmosphäre bei einem Druck von etwa 50 MPa bei 1800-1900ºC über einen Zeitraum von 5 bis 10 Stunden, um so einen Preßkörper auf Bornitridbasis zu bilden, und

Freigeben des Preßkörpers auf Bornitridbasis aus dem Kohlenstoffpreßring.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der Zusatz einen oder mehrere Stoffe aus der Gruppe von Magnesiumoxid, Calciumoxid, Siliziumoxid, Boroxid, Yttriumoxid und Aluminiumoxid enthält.

5. Zündkerze mit einem Isolator nach Anspruch 1 oder 2.