MTZ Neue Zündkerzen-Konzepte für moderne Ottomotoren

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ENTWICKLUNG Bild 2: Durch Modifikation der organischen Zuschlagstoffe lässt sich der Porendurchmesser deutlich reduzieren Bild 3: Eigenschaftsverbesserung der Keramik durch modifizierte Zuschlagstoffe die Zunahme der Ladungsdichte mit einem erhöhten elektrischen Spannungsbedarf zu rechnen. Die gegensätzlichen Forderungen – kleinere Wandstärken am Isolator und größerer Spannungsbedarf – machen Neuentwicklungen von Werkstoff, Geometrie und Verfahren nötig. 3.1 Bedeutung der Keramik Als Isolatormaterial für Pkw-Zündkerzen hat sich eine Keramik auf Basis von Tonerde mit einem Al 2 O 3 -Gehalt (Aluminiumoxid) von wenigstens 94 % etabliert, da dieser Werkstoff die elektrischen und mechanischen Forderungen bezüglich Durchschlagfestigkeit auch bei hohen Temperaturen (bis 1000 °C) erfüllt. Überdies sorgen hohe Rohstoffverfügbarkeit und Prozesssicherheit für ein optimales Kosten/Nutzen- Verhältnis. 4 MTZ 02I2007 Jahrgang 68 Zündung Zur Herstellung der Keramik werden dem Al 2 O 3 mineralische Rohstoffe wie Kaolin, Speckstein und Dolomit zugesetzt. Diese liefern zum einen die zum Sinterprozess nötigen Oxide (SiO 2 , CaO und MgO), zum anderen verbessern sie die rheologischen Eigenschaften des Sprühschlickers und die für den Press- und Schleifprozess erforderlichen plastischen Eigenschaften des Granulats. Neben der Morphologie der Al 2 O 3 -Kristallite bestimmen die eingesetzten Oxide die dielektrischen und mechanischen Eigenschaften des Isolators, besonders bei hohen Temperaturen. Als eigenschaftsbestimmende Hauptgröße wird jedoch bei der aktuellen Keramik die Restporosität angesehen, deren Ursache nicht zerstörtes Pressgranulat ist. Vereinzelt ergeben sich Poren bis zu 50 μm Durchmesser. 3.2 Verbesserung der keramischen Eigenschaften Um die Restporosität deutlich zu reduzieren und damit die Durchschlagsfestigkeit und die mechanische Festigkeit zu verbessern, wurden Modifikationen der Zuschlagsstoffe untersucht. Dazu dienten Wachssuspensionen, die dem Schlicker vor der Sprühtrocknung zugegeben wurden. Sie beeinflussen die Adhäsion der Primär-partikel der Granulate, den Trocknungsprozess beim Sprühen und unterstützen die Verdichtung beim Pressen. Die so erzielte Reduzierung der Restporosität ist in Bild 2 dargestellt. Die mit dieser Keramik (Bezeichnung V41) erreichten Eigenschaftsverbesserungen zeigt Bild 3. Es ist geplant, M12-Zündkerzen mit einem Spannungsbedarf > 40 kV zukünftig aus dieser modifizierten Keramik herzustellen. Zudem ist beim Werkstoff Al 2 O 3 durch Reduktion der Sinteradditive, Verwendung von Rohstoffen mit kleineren Korngrößen und durch Prozessmodifikationen weiteres Verbesserungspotenzial vorhanden, womit sich auch Durchschlagsfestigkeiten > 30 kV/mm realisieren lassen. 3.3 Konstruktive Anpassung der Zünd kerze Für Zündkerzen mit M12-Einschraubgewinde lässt die Norm drei verschiedene Dimensionen zu: – M12 x 1,25 mit Hex 16 mm und Isolatorhals 10,5 mm (ISO 2705) – M12 x 1,25 mit Hex 14 mm und Isolatorhals 9,0 mm (ISO 16 246) – M12 x 1,25 mit Bihex 14 mm und Isolatorhals 10,5 mm (ISO 22 977). Dabei muss die Gasdruckdichtheit der Zündkerze beim vorgeschriebenen Anzugsdrehmoment sicher erreicht werden. Entwicklungsziel war, den metallischen Zündkerzenkörper so auszubilden, dass bei maximalem Anzugsdrehmoment von 25 Nm die geforderte Dichtheit sicher erreicht wird. Bild 4 zeigt die Gasdruckdichtheit der Zündkerze in Abhängigkeit des Anzugsdrehmoments. In Übereinstimmung mit der Gasdruckdichtheit beginnt die messbare Verformung des Einschraubgewindes bei 40 Nm, Bild 5. 4 Lebensdaueranforderung Die Lebensdaueranforderung an M12-Zündkerzen beträgt wie bei M14-Zündkerzen 60.000 bis 100.000 km. Der Anstieg des elektrischen Spannungsbedarfs durch Verschleiß an der Zündkerzen-Funkenstrecke soll dabei so gering wie möglich sein. Die Entwicklung neuartiger Elektrodengeometrien, Werkstoffe und Verfahren waren
nötig, um den Verschleiß an der Funkenstrecke der Zündkerze zu minimieren. 4.1 Verschleiß bei Low-Cost-Zündkerzen Der Verschleißmechanismus an Nickellegierungen, Bild 6, wird wesentlich von der Oxidation bestimmt, weil die sich bildende Oxidschicht bei der Funkenentladung bis zum Basismaterial durchquert und dabei zerstört wird. Je dicker die Oxidschicht ist, umso tiefer sind die Krater und desto höher ist der Materialverlust. Daraus ergibt sich die Forderung nach Nickellegierungen mit einer stabilen und dünnen Oxidschicht. Bild 7 zeigt den im Motorbetrieb ermittelten Einfluss unterschiedlicher Legierungszusätze auf die Verschleißkennzahl. 4.2 Verschleißreduktion bei High-End-Zündkerzen Der Verschleiß von Zündkerzen, deren Elektroden mit oxidationsstabilisiertem Edelmetall armiert sind, ist grundsätzlich geringer. Jedoch ist eine dauerhafte Verbindung des Edelmetalls auf den nickelbasierten Zündkerzen-Elektroden sicherzustellen. Dazu gilt es vor allem, den durch unterschiedliche Längendehnungskoeffizienten in der Fügezone der Schweißung entstehenden thermomechanischen Spannungen entgegenzuwirken. Dies gelingt – Bild 8 (A), am Beispiel einer Körperelektrode – mittels Laserschweißung durch Bildung einer zusätzlichen Legierungszone im Randbereich der Edelmetall-Armierung. 5 Fertigung von High-End-Zündkerzen Eine Voraussetzung für eine sichere Entflammung bei Ottomotoren mit strahlgeführter Direkteinspritzung ist auch die präziser gefertigte Zündkerze mit positionierbarer Körperelektrode. Dies erfordert sowohl definierte Anströmungsverhältnisse der Funkenstrecke als auch die Verringerung der Zuordnungstoleranzen von Injektor und Zündkerze mit einem eng tolerierten Funkenort. 5.1 Edelmetallzündkerzen mit hoher Überdeckung Zündkerzen für hohe Laufleistungen werden üblicherweise mit einer Edelmetallarmierung an Mittel- und Körperelektrode ausgebildet. Besondere Bedeutung für die Lebensdauer der Zündkerze hat dabei die Überdeckung der Edelmetalle, Bild 8 (B). BERU hat ein Verfahren entwickelt, das eine Überdeckung der Edelmetallflächen von mindestens 92 % sicherstellt. Das erlaubt einen reduzierten Edelmetalleinsatz. Bild 4: Streuung der Leckage-Menge einer M12-Zündkerze in Abhängigkeit des Anzugsdrehmoments Bild 5: Streuung der Gewindedehnung einer M12-Zündkerze in Abhängigkeit des Anzugsdrehmoments Bild 6: Einfluss der Nickellegierung auf die Ausbildung der Oxidschicht im Motorbetrieb 5.2 Reduzierung der Fertigungstoleranz Unter Addition aller Toleranzen erreichen herkömmliche Zündkerzen eine Genauigkeit der Funkenstreckenlage im Brennraum von bis zu 1,7 mm. Damit sind sie für die beschriebenen Bedürfnisse ungeeignet, da es dadurch zu Verbrennungsaussetzern kommen kann [6]. Durch Optimierung der Fertigungsprozesse und den Einsatz verschiedener Dicken des inneren Dichtrings ist es gelungen, die Toleranzen der Funkenlage soweit einzuengen, dass die Position der Funkenstrecke mit einer Genauigkeit von maximal ± 0,2 mm sichergestellt ist, Bild 9. 5.3 Positionsorientierte Körperelektrode Im gleichen Maße wie der exakte Funkenort ist auch eine definierte Ausrichtung der Körperelektrode erforderlich, damit die Gemischbildung nicht behindert wird. Diese lagegenaue Positionierung der Körperelektrode benötigt ebenfalls einen definierten Gewindeanschnitt im Zylinderkopf. Für das positionsgenaue Schweißen der Körperelektrode werden Form und Lage des Gewindeprofils als Referenz genutzt. Dabei wird der Körper am äußeren Dichtsitz angeschlagen und mit einer Drehbewegung wird das Gewindeprofil des Kör- MTZ 02I2007 Jahrgang 68 5
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