Beschreibung

Titel

Keramischer Zündkerzenisolator, Zündkerze und Verwendung einer Glasur auf einem Zündkerzenisolator

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft einen keramischen Zündkerzenisolator, eine Zündkerze umfassend denselben, sowie eine Verwendung einer Glasur auf einem Zündkerzenisolator.

Um Bauraum im Zylinderkopf eines Kraftfahrzeugs zu sparen, geht der Trend zu langen, schlanken Zündkerzen. Hierzu werden auch die Wandstärken des keramischen Isolators, insbesondere im Fußbereich der Zündkerzen, der die Geometrie der Mittelelektroden bestimmt, ebenfalls verringert. Gerade in brennraumseitigen Bereichen, in denen sich zudem der Querschnitt des Isolators reduziert, führt dies häufig zu Problemen mit der elektrischen Festigkeit, da hier sehr hohe Feldstärken vorliegen. Die Lebensdauer von derartigen, im Bauraum reduzierten Zündkerzen, ist damit gering.

Offenbarung der Erfindung

Der erfindungsgemäße keramische Zündkerzenisolator mit den Merkmalen des Anspruches 1 zeichnet sich hingegen bei verschlankter Geometrie durch eine hohe Durchschlagfestigkeit aus. Dies wird durch den Auftrag einer Glasur auf eine im Isolator ausgebildete Fußkehle, die einen Übergangsbereich zwischen einem im Brennraum liegenden Isolatorbereich und einem außerhalb des Brennraums liegenden Isolatorbereich darstellt, erzielt. Die Fußkehle ist dabei ein Abschnitt des Zündkerzenisolators, in dem sich der Querschnitt in Richtung der Isolatorfußspitze verjüngt bzw. verschlankt. Die Fußkehle spiegelt die

Verringerung der Dimensionierung einer bauraumreduzierten Zündkerze wider. Erst durch das Aufbringen einer Glasur auf einen gesamten zur Außenseite des Zündkerzenisolators gerichteten ersten Oberflächenbereich A der Fußkehle wird es möglich einen in seinen Dimensionen verschlankten Zündkerzenisolator und damit auch eine bauraumsparende Zündkerze bereitzustellen, der bzw. die in elektrischer wie mechanischer Hinsicht keinerlei Einbußen in der Stabilität aufweist. Durch den Glasurauftrag wird die Rauheit des ersten

Oberflächenbereichs A des Zündkerzenisolators, der in Axialrichtung X-X des Zündkerzenisolators eine erste Länge L _A aufweist, reduziert, offene Poren und Vertiefungen, wie sie beispielsweise während des Schleifprozesses des Isolators entstehen, werden verschlossen. Die Länge L _A ist als maximale Länge in Axialrichtung X-X des Zündkerzenisolators definiert. Dadurch werden lokale

Überhöhungen des elektrischen Feldes bei Betrieb der Zündkerze minimiert. Dies hat zur Folge, dass der elektrische Durschlag erst bei höher angelegten Spannungen erfolgt. Die Durchschlagfestigkeit einer Zündkerze mit dem erfindungsgemäßen Keramikisolator ist damit verbessert. Zudem kann durch die Glasur die Oberfläche des Isolators geglättet und somit die Bildung von Kerben in der Fußkehle reduziert werden, was die mechanische Querbelastbarkeit in diesem Bereich optimiert und die Festigkeit der Zündkerze unter

Betriebsbedingungen steigert. Die Glasur bildet hierzu eine Art Schutzschicht, die die Festigkeit des Zündkerzenisolators in mechanisch stark beanspruchten Bereichen, wie z.B. der Fußkehle, erhöht. Dadurch kann insbesondere auch ein

Querschnitt des Zündkerzenisolators im Bereich der Fußkehle sowie in an die Fußkehle angrenzenden Isolatorbereichen reduziert werden. Zudem kann durch das Aufbringen der Glasur nach dem Glasurschmelzen auf der Oberfläche des Isolators eine mechanische Druckspannung aufgebaut werden, die zu einer partiellen Vorkompensation einer Zugspannung bei Einwirkung von

Biegebelastungen auf die Isolatoroberfläche führt. Auch hierdurch wir die mechanische Stabilität des Zündkerzenisolators verbessert.

Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.

Zur Verbesserung der Durchschlagfestigkeit sowie der mechanischen Stabilität des keramischen Zündkerzenisolators umfasst der Zündkerzenisolator einen von der Fußkehle in Richtung des Isolatorkopfes liegenden, benachbarten zweiten Oberflächenbereich B mit einer in Axialrichtung X-X des Zündkerzenisolators definierten zweiten Länge L _B und einen von der Fußkehle brennraumseitig liegenden, benachbarten dritten Oberflächenbereich C mit einer in Axialrichtung X-X des Zündkerzenisolators definierten dritten Länge L _c . Mindestens eine der folgenden Relationen ist demnach erfüllt: L _A = L _B und/oder L _A = L _c /2 und/oder L _B = L _c /2. Die Längen der entsprechenden Oberflächenbereiche sind jeweils als maximale Längen in Axialrichtung X-X des Zündkerzenisolators definiert. Um eine Kerbenbildung im Verlaufsbereich Fußkehle-umliegender Bereich besonders effektiv zu vermeiden und damit die mechanische Querbelastbarkeit des Zündkerzenisolators weiter zu verbessern, ist weiter vorteilhaft vorgesehen, dass der zweite Oberflächenbereich B einen zur Fußkehle benachbart liegenden glasierten vierten Oberflächenbereich D und einen sich an den vierten

Oberflächenbereich D in Richtung des Isolatorkopfes anschließenden

unglasierten fünften Oberflächenbereich E umfasst. Der vierte

Oberflächenbereich D erstreckt sich dabei von der Fußkehle bis zu 4 mm und insbesondere bis zu 3 mm, in Richtung des Isolatorkopfes des

Zündkerzenisolators.

Um den Bereich der hohen elektrischen Felder vom Bereich der höchsten mechanischen Belastung räumlich zu entzerren, ist weiter vorteilhaft vorgesehen, dass der von der Fußkehle brennraumseitig liegende, benachbarte dritte

Oberflächenbereich C einen zur Fußkehle benachbart liegenden glasierten sechsten Oberflächenbereich F mit einer sechsten Länge L _F und einen sich an den sechsten Oberflächenbereich F in Richtung einer Isolatorfußspitze anschließenden unglasierten siebten Oberflächenbereich G mit einer siebten Länge L _G umfasst, wobei die Längen jeweils als maximale Längen in

Axialrichtung X-X des Zündkerzenisolators definiert sind, und folgende Relation erfüllt ist: L _F > L _G .

Aus vorstehend genannten Gründen erstreckt sich der glasierte sechste

Oberflächenbereich F weiter vorteilhaft von der Fußkehle brennraumseitig maximal bis zu 2 mm vor die brennraumseitige Isolatorfußspitze. Alternativ oder additiv dazu erfüllt die sechste Länge L _F des sechsten Oberflächenbereichs F folgende Relation: 4 mm < L _F ^ (L _A + L _E + L _F )/2, wobei die Längen jeweils als maximale Längen in Axialrichtung X-X des Zündkerzenisolators definiert sind. Zudem können so Nebenschlüsse (Gleitfunken) auf der Fußkehle besser vermieden werden.

Zur weiteren Verschlankung des Zündkerzenisolators ohne Einbußen in der mechanischen und elektrischen Belastbarkeit hinnehmen zu müssen, sind der Isolatorkopf und der Isolatorfuß durch einen Einbaubereich verbunden. Der Einbaubereich schließt isolatorkopfseitig an die Fußkehle an und weist somit den zweiten Oberflächenbereich B auf. Der Einbaubereich umfasst eine Bundkehle und eine sich in Richtung des Isolatorkopfes an die Bundkehle anschließende Bundhöhe. Unter einer Bundkehle wird ein Bereich des Zündkerzenisolators verstanden, der sich in Richtung des Isolatorfußes im Querschnitt verringert. Eine Bundhöhe ist der Bereich des Zündkerzenisolators, der zumeist einen Sechskant umfasst, der die Einbaubarkeit der Zündkerze in einem Motorblock erleichtert. Die Bundhöhe stellt damit einen gegenüber den übrigen, umliegenden

Abschnitten des Zündkerzenisolators im Querschnitt verbreiterten Abschnitt dar.

Zur Erhöhung der mechanischen Stabilität weist auch ein zur Außenseite des Zündkerzenisolators gerichteter achter Oberflächenbereich H der Bundkehle eine Glasur auf. Um die Biegefestigkeit des Zündkerzenisolators weiter zu erhöhen weist nicht nur ein zur Außenseite des Zündkerzenisolators gerichteter Oberflächenbereich der Bundkehle, also der achte Oberflächenbereich H, mit einer achten Länge L _H eine Glasur auf, sondern auch ein sich an die Bundkehle anschließender und damit zur Bundkehle in Richtung des Isolatorkopfes benachbarter, neunter

Oberflächenbereich I der Bundhöhe. Der neunte Oberflächenbereich I der

Bundhöhe ist damit auf einer neunten Länge U glasiert. An den neunten

Oberflächenbereich I schließt sich in Richtung des Isolatorkopfes ein zehnter Oberflächenbereich J mit einer zehnten Länge Lj an. Der zehnte

Oberflächenbereich J weist keine erfindungsgemäß vorgesehene Glasur auf und folgende Relation ist erfüllt:

Eine besonders funkenstabile und mechanisch belastbare Glasur ist durch folgende Zusammensetzung gekennzeichnet:

Si0 ₂ : 37,0 bis 46,0 Gew.-%, bevorzugt 37.0 bis 44.0 Gew.-%

B ₂ 0 ₃ : 12,0 bis 28,0 Gew.-%, bevorzugt 17,5 bis 23,0 Gew.-%

Al ₂ 0 ₃ : 4,0 bis 21 ,0 Gew.-%, bevorzugt 8,5 bis 16,0 Gew.-%

ZnO: 6,0 bis 1 1 ,4 Gew.-%, bevorzugt 7,8 bis 1 1 ,4 Gew.-%

F: 0,6 bis 4 Gew.-%, bevorzugt 0,6 bis 3,0 Gew.-%

Li ₂ 0: 1 ,5 bis 4 Gew.-%, bevorzugt 1 ,9 bis 3,5 Gew.-%

Na ₂ 0: 0,1 bis 2,5 Gew.-%, bevorzugt 0,1 bis 2,0 Gew.-% K ₂ 0: 0,5 bis 4.5 Gew.-%, bevorzugt 3,0 bis 4,5 Gew.-%

CaO: 1 ,8 bis 6 Gew.-%, bevorzugt 2,1 bis 4,2 Gew.-%

SrO: 0,1 bis 3,6, bevorzugt 0,1 bis 1 ,2 Gew.-% und

BaO 0,8 bis 6,8 Gew.-%, bevorzugt 4,5 bis 6,5 Gew.-%, wobei sich die angegebenen Werte jeweils auf das Gesamtgewicht der Glasur beziehen.

Um bei maximaler Ausprägung der schützenden Glasur Oberflächendefekte in der Glasur zu vermeiden, beträgt eine Schichtdicke der Glasur durchschnittlich 5 bis 40 μηι und insbesondere 7 bis 25 μηι.

Ebenfalls erfindungsgemäß wird auch eine Zündkerze für eine

Verbrennungskraftmaschine beschrieben, die ein metallisches Gehäuse, eine Mittelelektrode, mindestens eine Masseelektrode, die am Gehäuse angeordnet ist, und einen wie vorstehend beschriebenen keramischen Zündkerzenisolator umfasst, um die Mittelelektrode von der Masseelektrode zu trennen. Die erfindungsgemäße Zündkerze zeichnet sich bei bauraumsparender Bauweise aufgrund der partiell auf der zur Außenseite des Zündkerzenisolators gerichteten applizierten Glasur durch eine hohe Durschlagfestigkeit und gute mechanische Belastbarkeit aus. Die elektrische Festigkeit sowie die mechanische Festigkeit der Zündkerze, und damit auch ihre Lebensdauer, sind hoch.

Vorteilhaft ist die Glasur auch so ausgebildet, dass auf eine innere Dichtung, in der Regel einen Dichtring, zum gasdichten Abdichten des Brennraums zwischen der Masseelektrode und der Mittelelektrode, verzichtet werden kann.

Zur Vereinfachung des Glasurauftrages und damit zur Erhöhung der Taktung für die Zündkerzenisolatorherstellung, kann die Glasur auch alle

Oberflächenbereiche des Zündkerzenisolators bedecken.

Ferner erfindungsgemäß wird auch die Verwendung einer Glasur auf sich im Querschnitt reduzierenden Bereichen eines Zündkerzenisolators, insbesondere in einem Bereich einer Fußkehle, einem Übergangsbereich zwischen dem im Brennraum liegenden Isolatorbereich und dem außerhalb des Brennraums liegenden Isolatorbereich, zur Erhöhung der Durchschlagfestigkeit einer Zündkerze beschrieben. Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. Hierbei beziffern gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile. In der Zeichnung ist:

Figur 1 eine Teilschnittansicht einer ersten erfindungsgemäßen

Zündkerze,

Figur 2 eine Teilschnittansicht der Zündkerze aus Figur 1 ,

Figur 3 ein vergrößerter Ausschnitt der Teilschnittansicht der

Zündkerze aus Figur 2 und

Figur 4 ein vergrößerter Ausschnitt einer Teilschnittansicht einer

zweiten erfindungsgemäßen Zündkerze.

Ausführungsformen der Erfindung

Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, umfasst die erfindungsgemäße Zündkerze 100 eine Masseelektrode 13, eine Mittelelektrode 8 und einen keramischen

Zündkerzenisolator 10. Ein metallisches Gehäuse 7 umgibt den

Zündkerzenisolator 10 zumindest teilweise. Am Gehäuse 7 ist ein Gewinde 15 angeordnet, welches für eine Befestigung der Zündkerze 100 in einem

Zylinderkopf 14 ausgelegt ist. Ein Dichtring 1 1 riegelt den Brennraum der Zündkerze 100 gasdicht ab.

Figur 2 ist eine Teilschnittansicht der Zündkerze 100 aus Figur 1 und

veranschaulicht insbesondere den Bereich des Zündkerzenisolators 10. Der Zündkerzenisolator 10 weist einen in Richtung eines elektrischen

Anschlussbereichs 5 ausgerichteten Isolatorkopf 1 und einen brennraumseitigen Isolatorfuß 2 auf. Zwischen dem Isolatorkopf 1 und dem Isolatorfuß 2 ist ein Einbaubereich 3 angeordnet, der eine Querschnittsreduzierung, eine sogenannte Bundkehle 9a und eine Bundhöhe 9b umfasst.

Im Isolatorfuß 2 gibt es ebenfalls einen Bereich, in dem der Querschnitt reduziert wird, eine sogenannte Fußkehle 4, einen Übergangsbereich zwischen dem im Brennraum liegenden Isolatorfuß 2 und dem außerhalb des Brennraums liegenden Isolatorbereich. Der Brennraum kann, wie hier gezeigt, vom Bereich außerhalb des Brennraums durch einen Dichtring 1 1 gasdicht abgeriegelt sein.

Die Fußkehle 4 hat einen zur Außenseite des Zündkerzenisolators 10 gerichteten ersten Oberflächenbereich A mit einer in Axialrichtung X-X des

Zündkerzenisolators definierten ersten Länge L _A und weist eine Glasur 12 auf und ist somit glasiert. An einem von der Fußkehle 4 in Richtung des

Isolatorkopfes 1 liegenden, benachbarten Abschnitt des Zündkerzenisolators 10, dem Einbaubereich 3, weist der Zündkerzenisolator 10 einen zur Außenseite des Zündkerzenisolators 10 gerichteten zweiten Oberflächenbereich B auf. In einem von der Fußkehle 4 brennraumseitig liegenden, benachbarten Abschnitt des Zündkerzenisolators 10 weist der Isolatorfuß 2 einen zur Außenseite des Zündkerzenisolators 10 gerichteten dritten Oberflächenbereich C auf. Der Oberflächenbereich C ist unglasiert.

Die Bundkehle 9a weist auf einem zur Außenseite des Zündkerzenisolators 10 gerichteten achten Oberflächenbereich H mit einer achten Länge L _H eine Glasur 12 auf. Die Bundhöhe 9b weist einen Oberflächenbereich I mit einer neunten Länge U und einen sich in Richtung des Isolatorkopfes 1 an den neunten

Oberflächenbereich I anschließenden unglasierten zehnten Oberflächenbereich J mit einer zehnten Länge Lj auf, wobei der neunte Oberflächenbereich I eine Glasur 12 aufweist und vorteilhaft folgende Relation erfüllt ist:

Figur 3 ist eine Detailansicht eines Ausschnitts des Übergangsbereichs zwischen dem im Brennraum liegenden Isolatorfuß 2 und dem außerhalb des Brennraums liegenden Bereich des Zündkerzenisolators 10 der Zündkerze 100 aus Figuren 1 und 2. Hier fällt der Oberflächenbereich der Fußkehle 4 mit dem ersten

Oberflächenbereich A zusammen, d.h., dass ausschließlich in einem sich im Querschnitt reduzierenden Bereich der Fußkehle 4, und hier in ihrem gesamten ersten Oberflächenbereich A, eine Glasur 12 vorgesehen ist. Dabei ist der Querschnitt in den benachbarten unglasierten Bereichen der Fußkehle 4 im

Wesentlichen konstant. Die Glasur 12 hat vorteilhafterweise eine durchschnittliche Schichtdicke von 5 bis 40 μηι, insbesondere von 7 bis 25 μηι.

Durch die Glasur 12 wird die Biegefestigkeit des Keramikisolators signifikant erhöht. Sie liegt für die erfindungsgemäße Zündkerze 100 bei über 850 N, während entsprechende unglasierte Zündkerzen lediglich Biegefestigkeiten von etwa 660 N aufweisen. Auch die Durchschlagfestigkeiten der

erfindungsgemäßen Zündkerze 100 sind deutlich erhöht und betragen mindestens etwa 42 kV, während vergleichbare herkömmliche Zündkerzen Durchschlagfestigkeiten von lediglich etwa 35 kV haben.

Der erste Oberflächenbereich A hat eine erste Länge L _A , der zweite

Oberflächenbereich B hat eine zweite Länge L _B und der dritte

Oberflächenbereich C eine dritte Länge L _c . Die jeweiligen Längen sind

Maximallängen und sind in Axialrichtung X-X des Zündkerzenisolators definiert. Eine Gesamtlänge des Isolatorfußes 2 in Axialrichtung X-X des

Zündkerzenisolators 10 ergibt sich somit aus: L _A + L _c .

Vorteilhaft besteht zwischen den Längen der einzelnen Oberflächenbereiche mindestens eine der folgenden Beziehungen: L _A = L _B und/oder L _A = L _c /2 und/oder L _B = L _c /2.

Figur 4 ist eine Detailansicht eines Ausschnitts des Übergangsbereichs zwischen dem im Brennraum liegenden Isolatorfuß 2 und dem außerhalb des Brennraums liegenden Bereich des Zündkerzenisolators 10 einer zweiten erfindungsgemäßen Zündkerze 100.

Im Unterschied zu der Zündkerze 100 aus Figuren 1 bis 3, umfasst der zweite Oberflächenbereich B einen zur Fußkehle 4 benachbart liegenden vierten Oberflächenbereich D und einen sich an den vierten Oberflächenbereich D in Richtung des Isolatorkopfes 1 anschließenden fünften Oberflächenbereich E. Der vierte Oberflächenbereich D weist, ebenso wie der erste Oberflächenbereich A, eine Glasur 12 auf. Der glasierte Oberflächenbereich ist somit ausgehend von der Fußkehle 4 in Richtung des Isolatorkopfes 1 erweitert, und zwar erstreckt sich der glasierte vierte Oberflächenbereich D von der Fußkehle 4 bis zu 4 mm, insbesondere bis zu 3 mm, in Richtung des Isolatorkopfes 1 . Ferner umfasst der dritte Oberflächenbereich C einen zur Fußkehle 4 benachbart liegenden glasierten sechsten Oberflächenbereich F und einen sich an den sechsten Oberflächenbereich F in Richtung der Isolatorfußspitze 6

anschließenden unglasierten siebten Oberflächenbereich G, so dass sich die Glasur von der Fußkehle 4 ausgehend auch in Richtung der brennraumseitig liegenden Isolatorfußspitze 6 erstreckt. Der glasierte sechste Oberflächenbereich F erstreckt sich hierbei von der Fußkehle 4 brennraumseitig maximal bis zu 2 mm vor die brennraumseitige Isolatorfußspitze 6, was einer Kerbenbildung durch mechanische Belastung vorbeugt.

Vorteilhaft hat der glasierte sechste Oberflächenbereich F eine sechste Länge L _F und folgende Relation ist erfüllt: 4 mm < L _F < (L _A + L _F + L _G )/2, wobei die Längen jeweils als maximale Längen in Axialrichtung X-X des Zündkerzenisolators definiert sind.

In Figur 4 stellt der Oberflächenbereich A' einen Glasur bedeckten

Gesamtoberflächenbereich dar. Der glasierte Gesamtoberflächenbereich A' umfasst den Oberflächenbereich der Fußkehle A und erstreckt sich hier in Richtung des Isolatorkopfes 1 über den ersten Oberflächenbereich A der Fußkehle 4 hinaus auf den vierten Oberflächenbereich D und brennraumseitig auf den sechsten Oberflächenbereich F. Dies trägt zur Querbelastbarkeit des Zündkerzenisolators 10 bei.

Zusammenfassend hat demnach der erste Oberflächenbereich A eine erste Länge L _A , der zweite Oberflächenbereich B eine zweite Länge L _B , der dritte

Oberflächenbereich C eine dritte Länge L _c und der vierte Oberflächenbereich D eine vierte Länge L _D , der fünfte Oberflächenbereich E eine fünfte Länge L _E , der sechste Oberflächenbereich F eine sechste Länge L _F und der siebte

Oberflächenbereich G eine siebte Länge L _G . Der glasierte

Gesamtoberflächenbereich A' hat damit eine Gesamtlänge von: L _A = L _A + L _D +

L _F . Die Gesamtlänge des Isolatorfußes 2 ergibt sich ferner aus: L _A + L _F + L _G . Die jeweiligen Längen sind Maximallängen und sind in Axialrichtung X-X des Zündkerzenisolators 10 definiert.

Vorteilhafterweise hat der sechste glasierte Oberflächenbereich F eine Länge L _F und der unglasierte, zur Isolatorfußspitze 6 gerichtete siebte Oberflächenbereich G eine Länge L _G und folgende Relation ist erfüllt: L _F > L _G . Die Zündkerzen 100 zeichnen sich bei bauraumsparender Bauweise durch eine hohe Durchschlagfestigkeit und sehr gute mechanische Belastbarkeit aus.