MTZ Neue Zündkerzen-Konzepte für moderne Ottomotoren
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ENTWICKLUNG<br />
Bild 2: Durch Modifikation der organischen Zuschlagstoffe lässt sich der Porendurchmesser deutlich<br />
reduzieren<br />
Bild 3: Eigenschaftsverbesserung der Keramik durch modifizierte Zuschlagstoffe<br />
die Zunahme der Ladungsdichte mit einem<br />
erhöhten elektrischen Spannungsbedarf<br />
zu rechnen. Die gegensätzlichen Forderungen<br />
– kleinere Wandstärken am Isolator<br />
und größerer Spannungsbedarf – machen<br />
<strong>Neue</strong>ntwicklungen von Werkstoff,<br />
Geometrie und Verfahren nötig.<br />
3.1 Bedeutung der Keramik<br />
Als Isolatormaterial <strong>für</strong> Pkw-<strong>Zündkerzen</strong><br />
hat sich eine Keramik auf Basis von Tonerde<br />
mit einem Al 2 O 3 -Gehalt (Aluminiumoxid)<br />
von wenigstens 94 % etabliert, da dieser<br />
Werkstoff die elektrischen und mechanischen<br />
Forderungen bezüglich Durchschlagfestigkeit<br />
auch bei hohen Temperaturen<br />
(bis 1000 °C) erfüllt. Überdies sorgen<br />
hohe Rohstoffverfügbarkeit und Prozesssicherheit<br />
<strong>für</strong> ein optimales Kosten/Nutzen-<br />
Verhältnis.<br />
4<br />
<strong>MTZ</strong> 02I2007 Jahrgang 68<br />
Zündung<br />
Zur Herstellung der Keramik werden<br />
dem Al 2 O 3 mineralische Rohstoffe wie Kaolin,<br />
Speckstein und Dolomit zugesetzt. Diese<br />
liefern zum einen die zum Sinterprozess<br />
nötigen Oxide (SiO 2 , CaO und MgO),<br />
zum anderen verbessern sie die rheologischen<br />
Eigenschaften des Sprühschlickers<br />
und die <strong>für</strong> den Press- und Schleifprozess<br />
erforderlichen plastischen Eigenschaften<br />
des Granulats.<br />
Neben der Morphologie der Al 2 O 3 -Kristallite<br />
bestimmen die eingesetzten Oxide<br />
die dielektrischen und mechanischen Eigenschaften<br />
des Isolators, besonders bei<br />
hohen Temperaturen. Als eigenschaftsbestimmende<br />
Hauptgröße wird jedoch bei<br />
der aktuellen Keramik die Restporosität angesehen,<br />
deren Ursache nicht zerstörtes<br />
Pressgranulat ist. Vereinzelt ergeben sich<br />
Poren bis zu 50 μm Durchmesser.<br />
3.2 Verbesserung der keramischen<br />
Eigenschaften<br />
Um die Restporosität deutlich zu reduzieren<br />
und damit die Durchschlagsfestigkeit und<br />
die mechanische Festigkeit zu verbessern,<br />
wurden Modifikationen der Zuschlagsstoffe<br />
untersucht. Dazu dienten Wachssuspensionen,<br />
die dem Schlicker vor der Sprühtrocknung<br />
zugegeben wurden. Sie beeinflussen<br />
die Adhäsion der Primär-partikel der Granulate,<br />
den Trocknungsprozess beim Sprühen<br />
und unterstützen die Verdichtung beim<br />
Pressen. Die so erzielte Reduzierung der<br />
Restporosität ist in Bild 2 dargestellt. Die mit<br />
dieser Keramik (Bezeichnung V41) erreichten<br />
Eigenschaftsverbesserungen zeigt Bild 3.<br />
Es ist geplant, M12-<strong>Zündkerzen</strong> mit einem<br />
Spannungsbedarf > 40 kV zukünftig aus dieser<br />
modifizierten Keramik herzustellen.<br />
Zudem ist beim Werkstoff Al 2 O 3 durch Reduktion<br />
der Sinteradditive, Verwendung von<br />
Rohstoffen mit kleineren Korngrößen und<br />
durch Prozessmodifikationen weiteres Verbesserungspotenzial<br />
vorhanden, womit sich<br />
auch Durchschlagsfestigkeiten > 30 kV/mm<br />
realisieren lassen.<br />
3.3 Konstruktive Anpassung der<br />
Zünd kerze<br />
Für <strong>Zündkerzen</strong> mit M12-Einschraubgewinde<br />
lässt die Norm drei verschiedene Dimensionen<br />
zu:<br />
– M12 x 1,25 mit Hex 16 mm und Isolatorhals<br />
10,5 mm (ISO 2705)<br />
– M12 x 1,25 mit Hex 14 mm und Isolatorhals<br />
9,0 mm (ISO 16 246)<br />
– M12 x 1,25 mit Bihex 14 mm und Isolatorhals<br />
10,5 mm (ISO 22 977).<br />
Dabei muss die Gasdruckdichtheit der Zündkerze<br />
beim vorgeschriebenen Anzugsdrehmoment<br />
sicher erreicht werden. Entwicklungsziel<br />
war, den metallischen <strong>Zündkerzen</strong>körper<br />
so auszubilden, dass bei maximalem<br />
Anzugsdrehmoment von 25 Nm die geforderte<br />
Dichtheit sicher erreicht wird. Bild 4<br />
zeigt die Gasdruckdichtheit der Zündkerze<br />
in Abhängigkeit des Anzugsdrehmoments.<br />
In Übereinstimmung mit der Gasdruckdichtheit<br />
beginnt die messbare Verformung<br />
des Einschraubgewindes bei 40 Nm, Bild 5.<br />
4 Lebensdaueranforderung<br />
Die Lebensdaueranforderung an M12-<strong>Zündkerzen</strong><br />
beträgt wie bei M14-<strong>Zündkerzen</strong><br />
60.000 bis 100.000 km. Der Anstieg des<br />
elektrischen Spannungsbedarfs durch Verschleiß<br />
an der <strong>Zündkerzen</strong>-Funkenstrecke<br />
soll dabei so gering wie möglich sein. Die<br />
Entwicklung neuartiger Elektrodengeometrien,<br />
Werkstoffe und Verfahren waren