РЕЗИСТИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ СВЕЧИ ЗАЖИГАНИЯ С ПОВЫШЕННЫМ СОДЕРЖАНИЕМ ФАЗЫ ZrSiO Российский патент 2022 года по МПК H01T13/20 

Уровень техники

Настоящее изобретение относится к свече зажигания и к способу ее изготовления согласно независимым пунктам формулы изобретения.

Современные свечи зажигания для уменьшения износа их электродов и для предотвращения электромагнитных помех в свече зажигания и в двигателе внутреннего сгорания имеют резистивный элемент с удельным сопротивлением в пределах от 1 до 14 кОм. Резистивный элемент расположен в свече зажигания обычно между контактным стержнем и центральным электродом внутри ее изолятора. Часто резистивный элемент представляет собой смешанный материал из разных проводящих частиц и непроводящих частиц, как например, смесь углерода или сажи, ZrO₂ и боросиликатного стекла. Удельное электрическое сопротивление резистивного элемента определяется помимо прочего составом и распределением его материала.

Как и все резисторы, резистивный элемент также характеризуется максимальной силой тока, с которой он может проходить через резистивный элемент, прежде чем произойдет пробой в резистивном элементе, вызывающий его разрушение. Эта максимальная сила тока является мерой электрической стабильности резистивного элемента и имеет решающее значение для срока службы свечи зажигания.

Помимо этого резистивный элемент подвергается старению с течением времени и по мере увеличения продолжительности эксплуатации, при этом величина сопротивления резистивного элемента возрастает со временем. По этой причине на свечу зажигания для обеспечения ее дальнейшей работы требуется подавать более высокое напряжение. При постоянно увеличивающемся рабочем напряжении возрастает опасность электрического пробоя от контактного стержня или от центрального электрода через изолятор на корпус, из-за чего происходит разрушение изолятора и всей свечи зажигания. Тем самым долговременная стабильность величины сопротивления резистивного элемента является мерой его электрической стабильности и имеет решающее значение для срока службы свечи зажигания.

Раскрытие изобретения

Исходя из вышеизложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача предложить свечу зажигания указанного в начале описания типа с улучшенным резистивным элементом, обладающим высокой электрической стабильностью, и способ изготовления такой свечи зажигания.

Указанная задача в отношении свечи зажигания, имеющей корпус, расположенный в этом корпусе изолятор, расположенный в изоляторе центральный электрод, расположенный в изоляторе контактный стержень, расположенный в изоляторе резистивный элемент, который пространственно расположен между центральным электродом и контактным стержнем и электрически соединяет центральный электрод с контактным стержнем и который содержит резистивный панат, который состоит из смешанного материала, который содержит помимо прочего ZrO₂ и SiO₂, и расположенный с обращенного к камере сгорания торца корпуса боковой электрод, который совместно с центральным электродом образует искровой зазор, решается согласно изобретению благодаря тому, что смешанный материал резистивного паната содержит также ZrSiO₄.

В процессе изготовления свечи зажигания изолятор совместно с содержащимся в нем резистивным элементом, соответственно резистивным панатом нагревают. Перед этим процессом нагрева резистивный панат содержит ZrO₂ и SiO₂ и не содержит ZrSiO₄. При нагреве до температуры, например, по меньшей мере 870°С инициируется превращение ZrO₂ в результате его взаимодействия с SiO₂ в ZrSiO₄. Результаты исследований, проведенных авторами настоящего изобретения, свидетельствуют о том, что свечи зажигания с резистивным панатом, содержащим ZrSiO₄, обладают существенно более высокой стабильностью электрического сопротивления в процессе эксплуатации свечи зажигания. У свечей зажигания с резистивным панатом без ZrSiO₄ сопротивление явно изменяется по истечении немногих сотен часов эксплуатации, в связи с чем для поддержания работоспособности свечи зажигания на нее требуется подавать все более и более высокое напряжение, из-за чего в свою очередь возрастает опасность электрического пробоя от контактного стержня или от центрального электрода через изолятор на корпус с сопутствующим разрушением свечи зажигания.

Эта проблема отсутствует у предлагаемой в изобретении свечи зажигания, поскольку благодаря наличию ZrSiO₄ в резистивном панате его сопротивление существенно стабильнее и даже по истечении многих сотен часов эксплуатации изменяется лишь слегка, вследствие чего свеча зажигания может длительно работать при нормальном подаваемом на нее напряжении. При исследованиях предлагаемая в изобретении свеча зажигания работала при напряжении 30 кВ, при температуре 250°С и при частоте импульсов 100 Гц.

Различные предпочтительные варианты осуществления изобретения представлены в зависимых пунктах формулы изобретения. Результаты исследований, проведенных авторами настоящего изобретения, свидетельствуют прежде всего о том, что положительный эффект проявляется наиболее ярко в том случае, когда степень превращения q, вычисляемая по приведенной ниже формуле, составляет по меньшей мере 40%:

где w(X) означает долю материала X в масс. % в резистивном панате, при этом X представляет собой ZrSiO₄ или ZrO₂.

Особенно предпочтительно, когда степень превращения q составляет по меньшей мере 50%. По результатам проведенных исследований было установлено, что при 50-55%-ной степени превращения достигается ее предел и что даже при более высокой температуре или при большей продолжительности нагрева не происходит дальнейшего увеличения степени превращения.

Альтернативно этому или дополнительно к этому относительное изменение сопротивления резистивного паната по истечении по меньшей мере 300 часов эксплуатации составляет менее 50%, предпочтительно менее 35%. В идеальном случае относительное изменение сопротивления по истечении по меньшей мере 500 часов эксплуатации составляет менее 50%.

В одном из вариантов резистивный элемент представляет собой слоистую систему, имеющую резистивный панат и по меньшей мере один контактный панат. При этом по меньшей мере один контактный панат пространственно расположен между контактным стержнем и резистивным панатом или между центральным электродом и резистивным панатом либо при наличии двух контактных панатов первый контактный панат пространственно расположен между контактным стержнем и резистивным панатом, а второй контактный панат пространственно расположен между резистивным панатом и центральным электродом.

Еще одним объектом изобретения является способ изготовления свечи зажигания, такой, например, как предлагаемая в изобретении свеча зажигания, заключающийся в выполнении следующих стадий:

- подготавливают изолятор,

- изолятор заполняют смешанным материалом, который предназначен для образования резистивного паната и который содержит ZrO₂ и SiO₂,

- изолятор и находящийся в нем смешанный материал нагревают до температуры Т по меньшей мере 870°С, вследствие чего при этом ZrO₂ и SiO₂ в смешанном материале по меньшей мере частично реагируют между собой с образованием ZrSiO₄.

В предпочтительном варианте смешанный материал для образования резистивного паната нагревают до тех пор, пока не будет достигнута степень превращения q, составляющая по меньшей мере 40%. Степень превращения q вычисляется при этом по следующей формуле:

где w(X) означает долю материала X в масс. % в резистивном панате, при этом X представляет собой ZrSiO₄ или ZrO₂.

Результаты проведенных исследований свидетельствуют о том, что в предпочтительном варианте температура Т лежит в пределах от 870 до 965°С. При температурах ниже 870°С даже при продолжительности нагрева более 30 мин не удавалось получить ZrSiO₄. Нагрев до температур выше 965°С не оказывал никакого дополнительного положительного влияния на превращение. При температуре 965°С уже в течение 30 мин достигался предел степени превращения q.

В одном из вариантов осуществления предлагаемого в изобретении способа резистивный панат в течение по меньшей мере 15 мин и прежде всего максимум 60 мин выдерживают при температуре Т по меньшей мере 870°С, при этом чем выше температура Т, тем короче может быть время выдержки при ней. Благодаря этому обеспечивается свобода выбора в том отношении, что либо для осуществления превращения можно дольше нагревать резистивный панат до более низкой температуры и дать превращению протекать медленно, если другие компоненты в или на изоляторе или свечи зажигания не допускается нагревать до слишком высокой температуры, либо можно ускорить превращение, нагревая в течение более короткого времени до более высокой температуры.

Чертежи

На фиг. 1 представлен пример свечи зажигания.

На фиг. 2 в графическом виде представлена зависимость степени превращения q от температуры Т при постоянной продолжительности нагрева образца t=30 мин.

На фиг. 3 в графическом виде в сопоставлении представлена зависимость степени превращения q от продолжительности нагрева t при температурах Т=890°С и Т=950°С.

На фиг. 4 в графическом виде представлено сопротивление у различных образцов после длительных испытаний разной продолжительности.

На фиг. 5 в виде блок-схемы проиллюстрирован способ изготовления предлагаемой в изобретении свечи зажигания.

Описание примера осуществления изобретения

На фиг. 1 в половинном разрезе показана свеча 1 зажигания. Такая свеча 1 зажигания имеет корпус 2. В корпус 2 вставлен изолятор 3. Корпус 2 и изолятор 3 имеют вдоль их продольной оси по отверстию. Продольная ось корпуса 2, продольная ось изолятора 3 и продольная ось свечи 1 зажигания совпадают. В изолятор 3 вставлен центральный электрод 4. Помимо этого в изолятор 3 входит контактный стержень 8. На контактном стержне 8 расположена контактная гайка 9, через которую возможно электрическое подсоединение свечи 1 зажигания к не показанному на данном чертеже источнику напряжения. Контактная гайка 9 образует обращенный от камеры сгорания конец свечи 1 зажигания.

Между центральным электродом 4 и контактным стержнем 8 в изоляторе 3 находится резистивный элемент 7, называемый также панатом (резистивным герметиком). Резистивный элемент 7 электрически соединяет центральный электрод 4 с контактным стержнем 8. Резистивный элемент 7 выполнен, например, в виде слоистой системы из первого контактного паната 72а, резистивного паната 71 и второго контактного паната 72b. Слои резистивного элемента 7 различаются между собой составом своего материала и тем самым величиной своего электрического сопротивления. Первый контактный панат 72а и второй контактный панат 72b могут иметь различающееся между собой или одинаковое электрическое сопротивление. Резистивный элемент 7 может также иметь только один слой резистивного паната или несколько разных слоев резистивного паната с различающимся между собой составом их материалов и различающимися между собой электрическими сопротивлениями.

Изолятор 3 уступом прилегает к посадочной части на корпусе, выполненной с его внутренней стороны. Для уплотнения воздушного зазора между внутренней стороной корпуса и изолятором 3 используется расположенное между его уступом и посадочной частью на корпусе внутреннее уплотнение 10, которое при помещении изолятора 3 в корпус 2 и закреплении в нем пластически деформируется и таким путем уплотняет указанный воздушный зазор.

На корпусе 2 с его обращенной к камере сгорания торцевой стороны расположен электрически соединенный с ним боковой электрод 5. Боковой электрод 5 и центральный электрод 4 расположены друг относительно друга таким образом, что между ними образуется искровой зазор, в котором создается искра зажигания.

Корпус 2 выполнен в виде стержневидной детали. На этой стержневидной детали выполнены многогранник 21, усадочная шейка и резьба 22. Резьба 22 предназначена для ввертывания свечи 1 зажигания в двигатель внутреннего сгорания. Между резьбой 22 и многогранником 21 расположен наружный уплотнительный элемент 6. Этот наружный уплотнительный элемент 6 в данном примере выполнен в виде складчатого уплотнения. Альтернативно этому наружный уплотнительный элемент 6 может также представлять собой уплотнение со сплошным сечением.

В таблице 1 представлены сводные результаты исследований. Каждый образец соответствует при этом одной свече зажигания. Перед нагревом резистивные панаты всех образцов имеют одинаковый состав их материала. Возможно было бы также проведение исследований по превращению на образцах, которые соответствуют только резистивному элементу, соответственно резистивному панату, т.е. имеют соответствующий состав их материалов. Резистивный панат содержит в исходном состоянии, т.е. перед нагреванием и тем самым перед возможным превращением, ZrO₂ и SiO₂- содержащее стекло. Другими компонентами стекла являются, например, В₂О₃, СаО и Li₂O. Другими компонентами материала резистивного паната являются, например, углерод или керамические частицы, такие как Al₂O₃ или TiO₂.

Каждый образец нагревали до определенной температуры Т с выдержкой при ней в течение определенного времени t (продолжительность нагрева). Затем путем анализа рентгеновских дифрактограмм (РДГ) по методу Ритвельда определяли относительное содержание различных материалов, ZrO₂ и ZrSiO₄. На основании этого в свою очередь определяли степень превращения q. Степень превращения q вычисляется по следующей формуле:

где w(X) означает долю материала X в масс. % после превращения, при этом X представляет собой ZrSiO₄ или ZrO₂.

Результаты, приведенные выше в таблице, составляют базу данных для построения следующих диаграмм, представленных на фиг. 2 и фиг. 3.

На фиг. 2 в графическом виде представлена степень превращения q в % в зависимости от температуры Т в °С. Каждая точка на графике при этом соответствует образцу, который нагревали до соответствующей температуры Т с выдержкой при ней в течение 30 мин. Штриховой линией показана теоретическая кривая, получаемая на основании результатов измерения посредством простой аппроксимирующей функции где Т означает температуру в печи, q_предел означает предельное значение степени превращения, а Т₀ означает параметр аппроксимации. Из данной диаграммы следует, что при продолжительности нагрева t, равной 30 мин, степень превращения q начиная с температуры примерно 920°С достигает предела в 50-55%.

На фиг. 3 показана диаграмма, на которой в графическом виде представлена зависимость степени превращения q в % для двух образцов в зависимости от продолжительности нагрева t. Первый образец (кружки) нагревали до 950°С. Второй образец (крестики) нагревали до 890°С. Для обоих образцов по истечении разного времени нагрева определяли степень превращения q, как описано выше. Штриховыми линиями и в данном случае показаны теоретические кривые, получаемые на основании соответствующих результатов измерения посредством простой аппроксимирующей функции где t означает продолжительность нагрева, q_предел означает предельное значение степени превращения, a t₀ означает параметр аппроксимации. Из данной диаграммы также можно сделать вывод о том, что степень превращения q при значении 50-55% достигает своего предела. Дополнительно из данной диаграммы следует также, что такой предел при более высокое температуре достигается быстрее по времени.

На фиг. 4 в сопоставлении между собой в графическом виде представлено сопротивление свечей зажигания по истечении определенной продолжительности эксплуатации t. Все свечи зажигания имели перед началом длительного испытания начальное сопротивление (точка в виде кружка) R(t=0)=1,5 кОм.

Сравнительная свеча зажигания (точка в виде четырехугольника) и ее резистивный элемент обрабатывались соответственно образцу H1 в таблице 1 и имеют степень превращения q=0%. По истечении 350 часов эксплуатации сравнительная свеча зажигания имела сопротивление R(350 ч)=13,7 кОм, что соответствует его относительному изменению rW, составляющему 813%.

Относительное изменение сопротивления (rW) вычисляют по следующей формуле:

где R(t=0) означает сопротивление свечи зажигания перед началом длительного испытания, a R(t) означает сопротивление той же свечи зажигания по истечении соответствующего времени ее эксплуатации t.

Новые свечи зажигания (точка в виде треугольника) и их резистивные элементы обрабатывались соответственно образцу Н3 в таблице 1 и имеют степень превращения q=50%. Каждая точка на графике соответствует свече зажигания, которую подвергали испытанию и у которой затем определяли сопротивление. Относительное изменение сопротивления у всех этих новых свечей зажигания составляет менее 50%. Наибольшее относительное изменение сопротивления rW, равное 33%, наблюдается у новой свечи зажигания, которая по истечении почти 450 часов эксплуатации имеет сопротивление примерно 1 кОм.

На фиг. 5 в виде блок-схемы проиллюстрирован способ 100 изготовления свечи зажигания, при этом отдельные стадии изготовления отдельных компонентов свечи 1 зажигания, такие, например, как стадия изготовления изолятора 3 или стадия приготовления и смешивания материала для резистивного элемента 7, на данной блок-схеме не представлены.

На первой стадии 103 подготавливают изолятор 3 свечи зажигания. На второй стадии 104 в изолятор вставляют центральный электрод. На третьей стадии 107 изолятор заполняют материалом для образования резистивного элемента 7. При необходимости эта стадия 107 может состоять из трех следующих подстадий: заполнение контактным панатом 1072b, заполнение резистивным панатом 1071, заполнение вторым контактным панатом 1072а, при этом после каждого заполнения может в качестве промежуточной стадии осуществляться уплотнение соответствующего помещенного в изолятор материала. На следующей стадии 108 в изолятор вставляют контактный стержень 8. На следующей стадии 120 контактный стержень 8 и изолятор 3 спрессовывают друг с другом и одновременно нагревают. При этом материал резистивного элемента 7 также нагревается, в результате чего на данной стадии 108 в резистивном элементе 7, соответственно в резистивном панате 71 происходит превращение ZrO₂ и SiO₂ в ZrSiO₄. Температура на этой стадии составляет по меньшей мере 870°С. Затем выполняются следующие стадии 130, на которых изолятор собирают и соединяют с корпусом, а также выверяют положение электродов друг относительно друга.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к свече зажигания, обладающей высокой электрической стабильностью, и способу ее изготовления. Повышение срока службы свечи зажигания является техническим результатом изобретения, который достигается за счет того, что подготавливают изолятор, который заполняют смешанным материалом, предназначенным для образования резистивного паната и содержащим ZrO₂ и SiO₂, при этом изолятор и находящийся в нем смешанный материал нагревают до температуры Т по меньшей мере 870°С, вследствие чего ZrO₂ и SiO₂ в смешанном материале частично реагируют между собой с образованием резистивного паната, содержащего ZrSiO₄. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

1. Свеча (1) зажигания, имеющая корпус (2), расположенный в этом корпусе (2) изолятор (3), расположенный в изоляторе (3) центральный электрод (4), расположенный в изоляторе (3) контактный стержень (8), расположенный в изоляторе (3) резистивный элемент (7), который пространственно расположен между центральным электродом (4) и контактным стержнем (8) и электрически соединяет центральный электрод (4) с контактным стержнем (8) и который содержит резистивный панат (71), который состоит из смешанного материала, который содержит ZrO₂ и SiO₂, и расположенный с обращенного к камере сгорания торца корпуса (2) боковой электрод (5), который совместно с центральным электродом (4) образует искровой зазор, отличающаяся тем, что смешанный материал резистивного паната (71) содержит также ZrSiO₄.

2. Свеча (1) зажигания по п. 1, отличающаяся тем, что степень превращения q, вычисляемая по приведенной ниже формуле, составляет по меньшей мере 40%:

где w(X) означает долю материала X в мас.% в резистивном панате (71).

3. Свеча (1) зажигания по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что относительное изменение сопротивления резистивного паната (71) по истечении 300 часов эксплуатации составляет менее 50%.

4. Способ (100) изготовления свечи зажигания, прежде всего свечи зажигания по одному из пп. 1-3, заключающийся в выполнении следующих стадий:

подготавливают (103) изолятор,

изолятор (3) заполняют (107) смешанным материалом, который предназначен для образования резистивного паната (71) и который содержит ZrO₂ и SiO₂,

изолятор (3) и находящийся в нем смешанный материал нагревают (120) до температуры Т по меньшей мере 870°С, вследствие чего при этом ZrO₂ и SiO₂ в смешанном материале по меньшей мере частично реагируют между собой с образованием ZrSiO₄.

5. Способ (100) по п. 4, отличающийся тем, что степень превращения q, вычисляемая по приведенной ниже формуле, составляет по меньшей мере 40%:

где w(X) означает долю материала X в мас.% в резистивном панате (71).

6. Способ (100) по п. 4 или 5, отличающийся тем, что температура Т лежит в пределах от 870 до 965°С.

7. Способ (100) по одному из пп. 4-6, отличающийся тем, что температуру Т поддерживают в течение по меньшей мере 15 мин и прежде всего максимум 60 мин, при этом чем выше температура Т, тем короче может быть время выдержки при ней.