ELEKTRISCH LEITENDE DICHTUNGSMASSE FÜR ZÜNDKERZEN

Beschreibung

Stand der Technik

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrisch leitende Dichtungsmasse für ein Kontaktpaket für Zündkerzen nach der Gattung des Hauptanspruchs. Dichtungsmassen dienen zur dichten Einschmelzung der Mittelelektrode im Isolatorkörper der Zündkerze sowie zur Funkenentstörung. Die Einschmelzung wird auch als Widerstandseinschmelzung bezeichnet. Dabei besteht die Widerstandseinschmelzung aus je einem elektrisch gut leitenden Kontaktpaket am anschlußseitigen und am zündseitgen Teil der Mittelelektrode und aus einem dazwischenliegenden Widerstandspaket.

[0002] Aus der DE-PS 22 45 403 ist eine gattungsbildende Dichtungsmasse für ein Kontaktpaket bekannt, welche Borsilikatglas als schmelzbare Komponente und als elektrisch leitende Komponente Graphit und Ruß enthält. Es wird außerdem darauf hingewiesen, daß Dichtungsmassen, die nur Graphit als leitfähige Komponente enthalten, wegen der benötigten hohen Volumenanteile an Graphit und den daraus resultierenden Schwierigkeiten bei der Aufbereitung sowie wegen unzureichender Gasdichtheit nicht geeignet sind.

[0003] Es konnte beobachtet werden, daß Zündkerzen mit bekannter Zusammensetzung der Dichtungsmasse des Kontaktpakets bei hoher thermischer Belastung dadurch ausfallen, daß der im Kontaktpaket enthaltene Ruß an der Mittelelektrode ausbrennt. Auch der Ersatz des Rußes durch Metallpulver scheitert an unzureichender Stabilität bei hoher elektrischer Belastung.

[0004] Das Widerstandspaket besteht aus Glas und anderen anorganischen Zusätzen als Füllstoffe, die bei den angewandten Einschmelztemperaturen nicht schmelzen, sowie aus Kohlenstoff als elektrisch leitfähige Komponente. Der Kohlenstoff wird dabei als Ruß und/oder mittels eines Kohlenstoff bildenden organischen Binder zugesetzt. Aus der DE-PS 32 26 340 ist u. a. bekannt, als organischen Binder Carboxymethylcellulose (CMC) einzusetzen.

Vorteile der Erfindung

[0005] Es wurde gefunden, daß der für die Funktion als Dicht- und Kontaktpaket für Widerstandseinschmelzungen notwendige Graphitanteil nicht so hoch eingestellt sein muß, daß der in der DE-PS 22 45 403 genannte Nachteil auftritt. Im Gegensatz dazu besitzt die erfindungsgemäße Dichtungsmasse für das Kontaktpaket mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 den Vorteil, daß sich die zur Herstellung des Kontaktpakets eingesetzte Dichtungsmasse deutlich besser aufbereiten läßt als mit dem feinteiligen und zur Agglomeration neigenden Ruß.

[0006] Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der im Hauptanspruch angegebenen Widerstandseinschmelzung möglich. Wegen der höheren Oxidationsneigung von feinkörnigem Graphit ist es besonders vorteilhaft, wenn der Graphit einen möglichst geringen Kornanteil unter 5 µm besitzt. Nach oben hin wird die Korngröße durch die mit zunehmender Korngröße immer geringer werdende Zahl von Kontaktstellen zwischen den Graphitkörnern begrenzt. Als besonders zweckmäßig ist eine möglichst enge Kornverteilung mit einer mittleren Korngröße zwischen ca. 20 und 50 µm, vorzugsweise von 30 bis 40 µm, wobei der Anteil der Korngröße unter 10 µm kleiner 5% und der Korngröße über 96 µm unter 10% liegen sollte. Zur Verminderung der Oxidation des Graphits kann das Kontaktpaket als Reduktionsmittel bis zu 4 Vol.% feinkörniges Aluminiumpulver enthalten. Eine besonders gute Stabilität bei hoher elektrischer Belastung wird erreicht, wenn nach dem Einschmelzen der Dichtungsmasse das Kontaktpaket am anschlußseitigen Teil der Mittelelektrode stärke ist als das Kontaktpaket an der zündseitigen Mittelelektrode.

Zeichnung

[0007] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt eine Zündkerze in Schnittdarstelung.

Auführungsbeispiel

[0008] Die dargestellte Zündkerze besteht aus einem in ein metallisches Kerzengehäuse 10 gasdicht eingebördelten Isolator 11, in dessen Isolatorbohrung 12 eine anschlußseitige Mittelelektrode 13 und eine zündseitige Mittelelektrode 14 eingesetzt sind. Im mittleren Abschnitt der Isolatorbohrung 12 ist eine Widerstandseinschmelzung 15, 16, 17 eingesetzt, welche die anschlußseitige Mittelelektrode 13 mit der zündseitigen Mittelelektrode 14 elektrisch verbindet. Die Widerstandseinschmelzung besteht im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus einem ersten an die anschlußseitige Mittelelektrode 13 angrenzenden Kontaktpaket 15, einem mit der zündseitigen Mittelelektrode 14 in Kontakt stehenden zweiten Kontaktpaket 15 und einem zwischen den beiden Kontaktpaketen 15, 16 angeordneten Widerstandspaket 17. Auf die Zusammensetzung der Kontaktpakete 15 und 16 sowie des Widerstandspakets 17 wird weiter unten eingegangen. Die Masseelektrode der Zündkerze ist mit 18 bezeichnet.

[0009] Im eingeschmolzenen Zustand beträgt die Mindesthöhe zwischen der zündseitigen Mittelelektrode 14 und dem Widerstandspaket 17 0,5 mm und zwischen dem Widerstandspaket 17 und der anschlußseitigen Mittelelektrode 13 2 mm. Der Grund für diese Forderung liegt in der Abdichtfunktion der Kontaktpakete 15, 16 gegen eindringenden Sauerstoff beim Einschmelzprozeß. Wenn Sauerstoff bis zum Widerstandspaket 17 vordringt, wird ein Teil des Kohlenstoffs oxidiert, wodurch der Widerstandswert partiell erhöht wird. Beim Betrieb der Zündkerze unter hoher elektrischer Belastung wird an der Stelle mit dem erhöhten Widerstandswert mehr Energie umgesetzt. Dadurch erhöht sich die Temperatur an dieser Stelle, was zum Ausfall der Kerze führen kann.

[0010] Für die beiden Kontaktpakete 15, 16 und das Widerstandspaket 17 werden Widerstands- bzw. elektrisch leitfähige Dichtungsmassen eingesetzt. Die Dichtungsmassen sowohl der Kontaktpakete 15, 16 als auch des Widerstandspaketes 17 enthalten im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Li-Ca-Borosilikatglas folgender Zusammensetzung in Masseprozent:

SiO2	51
Al2O3	1
CaO	7
B2O3	37
Li2O	4

[0011] Die zur Herstellung der Kontaktpaxete 15, 16 eingesetzte elektrisch leitende Dichtmasse besitzt folgende Zusammensetzung in Vol.%:

Glas (Korngröße 63 bis 400 µm)	64,2
SiC (Korngröße 150 bis 210 µm)	15,0
Aluminiumpulver (Korngröße ca. 8 µm)	0,8
Graphit (Korngröße 5 bis 80 µm)	20,0

[0012] Glas, SiC und das Aluminiumpulver werden trocken gemischt. Anschließend wird der Graphit mittels einer wässrigen Dextrinlösung als Binder auf die Proben Glas, SiC- und Aluminiumkörner aufpaniert. Der Anteil an Dextrin beträgt ca. 1%. Danach wird die Mischung getrocknet. Grobanteile werden anschließend durch Absieben zerstört bzw. abgetrennt.

[0013] Zur Herstellung der Widerstandsmasse wird eine Widerstandsvormischung erzeugt. Die Widerstandsvormischung für einen 6-Kiloohm-Widerstand besitzt folgende Zusammensetzung in Masseprozent:

Thermalruß	3,7
ZrO2	81,0
Glas (Korngröße < 63 µm)	15,3

[0014] Die Widerstandsvormischung wird schließlich mit weiterem Glas und Schmelzkorund in folgender Zusammensetzung in Vol.% zusammengebracht:

Glas (Korngröße 63 bis 400 m)	59,0
Schmelzkorund (Korngröße 120 bis 250 m)	25,0
Widerstandsvormischung	16,0

[0015] Das Glas und der Schmelzkorund werden trocken gemischt. Anschließend wird die vorgemahlene Widerstandsvormischung mittels einer wässrigen Lösung von gereinigter Ca-Carboxymethylcellulose (CMC) auf die groben Glas- und Korundkörner aufpaniert. Der Anteil an CMC in der fertigen Widerstandsmasse beträgt 0,1 bis 1,0 Masse%, vorzugsweise 0,2 Masse%. Die Mischung wird schließlich getrocknet und die Grobbestandteile werden durch Absieben zerstört bzw. abgetrennt. Der Widerstandswert des Widerstandspakets 17 kann durch Änderung des Rußanteils, der Widerstandsvormischung und der CMC-Menge eingestellt werden.

[0016] Zur Herstellung der Widerstandseinschmelzung wird in die Isolatorbohrung 12 des Isolators 11 mit eingelegter zündseitiger Mittelelektrode 14 zuerst die elektrisch leitende Dichtmasse des zündseitigen Kontaktpakets 16, dann die Widerstandsmasse des Widerstandspakets 17 und schließlich die elektrisch leitende Dichtmasse des Kontaktpakets 15 eingefüllt und mittels eines Stempels vorgepreßt. Auf das obere Kontaktpaket 15 wird die anschlußseitige Mittelelektrode 13 aufgesetzt und angepreßt. Der so vormontierte Isolator 11 wird auf eine Temperatur von 850 bis 900°C erhitzt. Bei diesen Temperaturen wird die anschlußseitige Mittelelektrode 13 in die erweichte Kontaktmasse des Kontaktpakets 15 eingedrückt.

[0017] Die Füllmengen der elektrisch leitenden Dichtungsmassen und der Widerstandsmasse werden so gewählt, daß nach dem Füllen und dem Vorpressen die anschlußseitige Mittelelektrode 13 ca. 6 bis 8 mm über die Stirnfläche des Isolators 11 hinausragt, und daß nach Erhitzen und Eindrücken der Mittelelektrode 13 folgende Pakethöhen erhalten werden:

zündseitiges Kontaktpaket	0,5 bis 2 mm
Widerstandspaket	5 bis 8 mm
anschlußseitiges Kontaktpaket	> 2 mm

[0018] Zündkerzen mit der erfindungsgemäßen Widerstandseinschmelzung wurden im Vergleich zu Zündkerzen mit Ruß und Graphit als leitfähige Phase im Kontaktpaket in einem Motor bei hoher thermischer Belastung betrieben. Bei den Zündkerzen mit den rußhaltigen Kontaktpaketen traten bereits nach ca. 200 Betriebsstunden Widerstandserhöhungen bis zu >20 Megaohm auf. Bei diesen Zündkerzen war ein deutlicher poröser Saum um den Mittelelektrodenkopf erkennbar, der durch Ausbrennen von Ruß aufgrund der hohen thermischen Belastung im Motorbetrieb entstanden ist. Die Zündkerzen mit der erfindungsgemäßen Widerstandseinschmelzung gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel zeigten selbst nach 500 Betriebsstunden nur geringe Widerstandsänderungen und es war keinerlei Porosität um den Mittelelektrodenkopf erkennbar, die auf eine Oxidation des Graphits hingewiesen hätte.

[0019] Folgende Tabelle zeigt die Prüfungsergebnisse von Kontaktpaketen verschiedener Zusammensetzung und Höhe.

Leitfähige Komponente im Kontaktpaket	Höhe Kontaktpak. an zündseitiger Mittelelektrode/anschlußseitiger Mittelektrode	Ausfälle in % *) nach h
Fe + Graphit	1,0 / 3,5	25% 110 h
Graphit	2,0 / 4,5	0% 200 h

*) Ausfall: R-Anstieg > 30%

Ansprüche

1. Elektrisch leitende Dichtungsmasse für eine Zündkerze zum Einschmelzen zwischen einem anschlußseitigen und einem zündseitigen Teil einer Mittelelektrode, die im wesentlichen eine schmelzbare Glaskomponente und eine pulverförmige, elektrisch leitende Komponente enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende Komponente Graphit enthält, welcher zumindest annähernd frei von Kristallstrukturen des Rußes ist, wobei der Ruß allenfalls als Verunreinigung im Graphit vorliegt.

2. Dichtungsmasse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Graphit frei von Kristallstrukturen des Rußes ist.

3. Dichtungsmasse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Graphit mit 10 bis 30 Vol.% bezogen auf die in der Dichtungsmasse enthaltenen Pulverbestandteile eingesetzt ist.

4. Dichtungsmasse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Graphit mit 18 bis 22 Vol.% bezogen auf die in der Dichtungsmasse enthaltenen Pulverbestandteile eingesetzt ist.

5. Dichtungsmasse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Graphit eine mittlere Korngröße von 20 bis 50 µm aufweist.

6. Dichtungsmasse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Graphit eine Korngröße von 30 bis 40 µm aufweist, und daß der Anteil der mittleren Korngröße unter 10 µm < 5% und der Anteil der Korngröße über 96 µm < 10% ist.

7. Dichtungsmasse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungsmasse an der anschlußseitigen Mittelelektrode (13) ein anschlußseitiges Kontaktpakt (15) und an der zündseitigen Mittelelektrode (14) ein zündseitiges Kontaktpaket (16) bildet und daß die in Achsrichtung der Mittelelektrode (13, 14) gemessene Höhe des anschlußseitigen Kontaktpakets (15) größer ist als die Höhe des zündseitigen Kontaktpakets (16).

8. Dichtungsmasse nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem anschlußseitigen Kontaktpaket (15) und dem zündseitigen Kontaktpaket (16) ein Widerstandspaket (17) angeordnet ist und daß der Abstand zwischen der dichtungsseitigen Stirnfläche der zündseitigen Mittelelektrode (14) und dem Widerstandspaket (17) mindestens 0,5 und der Abstand zwischen der dichtungsseitigen Stirnfläche der anschlußseitigen Mittelelektrode (13) und dem Widerstandspaket (17) mindestens 2 Millimeter beträgt.

Claims

1. Electrically conducting sealing compound for a spark plug for sealing in between a terminal-side section and a spark-side section of a centre electrode, which sealing compound essentially contains a fusible glass component and a powdered, electrically conducting component, characterized in that the electrically conducting component contains graphite which is, at least almost, free of soot crystal structures, the soot being present in the graphite at most as an impurity.

2. Sealing compound according to Claim 1, characterized in that the graphite is free of soot crystal structures.

3. Sealing compound according to Claim 1 or 2, characterized in that the graphite is used in an amount of 10 to 30% by volume, based on the powdered components contained in the sealing compound.

4. Sealing compound according to Claim 3, characterized in that the graphite is used in an amount of 18 to 22% by volume, based on the powdered components contained in the sealing compound.

5. Sealing compound according to one of Claims 1 to 4, characterized in that the graphite has a mean grain size of 20 to 50 µm.

6. Sealing compound according to Claim 5, characterized in that the graphite has a grain size of 30 to 40 µm, and in that the proportion of the mean grain size below 10 µm is < 5% and the proportion of the grain size above 96 µm is < 10%.

7. Sealing compound according to one of the preceding claims, characterized in that the sealing compound on the terminal-side centre electrode (13) forms a terminal-side contact core (15) and on the spark-side centre electrode (14) forms a spark-side contact core (16), and in that the height, measured in the axial direction of the centre electrode (13, 14), of the terminal-side contact core (15) is greater than the height of the spark-side contact core (16).

8. Sealing compound according to Claim 7, characterized in that a resistance core (17) is arranged between the terminal-side contact core (15) and the spark-side contact core (16), and in that the spacing between that end face of the spark-side centre electrode (14) which is on the sealing side and the resistance core (17) is at least 0.5 and the spacing between that end face of the terminal-side centre electrode (13) which is on the sealing side and the resistance core (17) is at least 2 millimetres.

Revendications

1. Pâte d'étanchéité conductrice électrique pour une bougie d'allumage, destinée à être fondue entre une partie d'une électrode centrale du côté du connecteur et une partie du côté de l'allumage, cette pâte contenant principalement des composants de verre, fusibles et des composants pulvérulents, conducteurs électriques,
caractérisée en ce que
les composants conducteurs électriques contiennent du graphite pratiquement sans structure cristalline du noir de fumée, le noir de fumée existant toutefois comme impureté dans le graphite.

2. Pâte d'étanchéité selon la revendication 1,
caractérisée en ce que
le graphite est libre de structure cristalline du noir de fumée.

3. Pâte d'étanchéité selon la revendication 1 ou 2,
caractérisée en ce que
le graphite est utilisé entre 10 et 30 % en volume par rapport aux composants de poudre contenus dans la pâte d'étanchéité.

4. Pâte d'étanchéité selon la revendication 3,
caractérisée en ce que
le graphite est utilisé entre 18 et 22 % en volume des composants de poudre contenus dans la pâte d'étanchéité.

5. Masse d'étanchéité selon l'une des revendications 1 à 4,
caractérisée en ce que
le graphite a une granulométrie moyenne comprise entre 20 et 50 µm.

6. Masse d'étanchéité selon la revendication 5,
caractérisée en ce que
le graphite a une granulométrie comprise entre 30 et 40 µm et la teneur en grains moyens en dessous de 10 µm est < à 5 % et la teneur en grains de dimension supérieure à 96 µm est inférieure à 10 %.

7. Pâte d'étanchéité selon l'une des revendications précédentes,
caractérisée en ce que
la masse d'étanchéité forme sur l'électrode centrale (13) du côté du connecteur, un paquet de contact (15) et du côté de l'électrode centrale (14) du côté de l'allumage, un paquet de contact (16) d'allumage et la hauteur du paquet de contact (15) du côté du connecteur, mesurée dans la direction axiale de l'électrode centrale (13, 14) étant supérieure à la hauteur du paquet de contact (16) du côté de l'allumage.

8. Pâte d'étanchéité selon la revendication 7,
caractérisée en ce qu'
entre le paquet de contact (15) du côté du connecteur et le paquet de contact (16) du côté de l'allumage, il y a un paquet résistant (17) et la distance entre la surface frontale du côté de l'étanchéité pour l'électrode centrale (14) du côté de l'allumage et le paquet résistant (17) est au moins égale à 0,5 mm et la distance entre la surface frontale du côté de l'étanchéité pour l'électrode centrale (13) du côté du connecteur et le paquet résistant (17) est au moins égale à 2 mm.

Zeichnung