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Title:
SPARK PLUG COMPRISING A SEAL MADE OF A NON-CONDUCTING MATERIAL
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2015/090723
Kind Code:
A1
Abstract:
Disclosed is a spark plug (1), especially for an internal combustion engine, comprising a housing (3), an insulator (2) in the housing (3), a central electrode (8) in the insulator (2), and at least one ground electrode (9) at the end of the housing (3) facing the combustion chamber. The spark plug (1) includes at least one seal that contains, is in particular made of, a non-conducting material.

Inventors:
HARTMANN, Detlef (Giselastr. 14, Bamberg, 96049, DE)
DUETSCH, Heribert (Roethenweg 6, Memmelsdorf, 96117, DE)
SCHNEIDER, Arnold (Birkengraben 36, Bamberg, 96052, DE)
BUNDSCHUH, Klaus (Elsa-Braendstroem-Str. 14, Bamberg, 96049, DE)
DIAZ ALFONSO, Jorge (Grasiger Rain 4, Fellbach, 70734, DE)
Application Number:
EP2014/074022
Publication Date:
June 25, 2015
Filing Date:
November 07, 2014
Export Citation:
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Assignee:
ROBERT BOSCH GMBH (Postfach 30 02 20, Stuttgart, 70442, DE)
International Classes:
H01T13/36
Foreign References:
GB586014A1947-03-04
US3295005A1966-12-27
US3012084A1961-12-05
US4417733A1983-11-29
EP1923609A12008-05-21
DE2721843A11977-12-08
Other References:
None
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Claims:
Ansprüche

1. Zündkerze (1), insbesondere für eine Brennkraftmaschine, umfassend ein Gehäuse (3), ein im Gehäuse (3) angeordneten Isolator (2), eine im Isolator (2) angeordnete Mittelelektrode (8) und mindestens eine am brennraumseitigen Ende des Gehäuse (3) angeordnete Masseelektrode (9), wobei die Zündkerze (1) mindestens eine Dichtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung ein nichtleitendes Material enthält.

2. Zündkerze (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das nichtleitende Material plastisch verformbar ist, insbesondere in einem Temperaturbereich von -60°C bis 650°C.

3. Zündkerze (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das nichtleitende Material temperaturbeständig ist, insbesondere für Temperatur bis mindestens 550°C.

4. Zündkerze (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das nichtleitende Material druckbeständig ist, insbesondere für Drücke bis 200 bar. 5. Zündkerze (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das nichtleitende Material oxidationsbeständig und/oder korrosionsbeständig bei den im Betrieb der Zündkerze auftretenden Bedingungen, insbesondere bei Drücken bis 200 bar und Temperaturen bis 400°C ist. 6. Zündkerze (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das nichtleitende Material ein Polymer ist.

7. Zündkerze (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das nichtleitende Material ein keramisches Material ist.

8. Zündkerze (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Material eine Oxidkeramik, insbesondere Strontiumtitanat (SrTi03) ist.

9. Zündkerze (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung eine Innendichtung (11, 12) ist, die insbesondere zwischen Gehäuse und Isolator angeordnet ist.

10. Zündkerze (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Innendichtung (11) zwischen der Fußkehle des Isolators und dem Gehäuse angeordnet ist.

11. Zündkerze (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung aus dem nichtleitenden Material besteht.

12. Zündkerze (1) nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung einen Kern (16) und eine Hülle (15) aufweist, wobei die Hülle (15) aus dem nichtleitenden Material besteht.

13. Zündkerze (1) nach dem Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülle (15) eine Dicke von 2 μηη bis 850 μηη, insbesondere 10 μηη bis 650 μηη.

Description:
Beschreibung Titel

Zündkerze mit Dichtung aus einem nichtleitenden Material

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Zündkerze, insbesondere für eine Brennkraftmaschine, die ein Gehäuse, ein im Gehäuse angeordneten Isolator, eine im Isolator angeordnete

Mittelelektrode und mindestens eine am brennraumseitigen Ende des Gehäuse angeordnete Masseelektrode umfasst, wobei die Zündkerze mindestens eine Dichtung aufweist.

Bei heutigen Zündkerzen werden an unterschiedlichen Stellen der Zündkerze Dichtungen verwendet, damit die im Motorblock bzw. im Zündkerzenschacht eingebaute Zündkerze gasdicht gegenüber den im Brennraum befindlichen Gasen ist. Neben einer äußeren Dichtung zur Abdichtung des Zündkerzengehäuse-Zündkerzenschacht-Übergangs gibt es mindestens eine Innendichtung, auch innere Dichtscheibe oder innerer Dichtring genannt, die den Übergang zwischen Gehäuse und Isolator abdichtet.

Aufgrund der spezifischen Anforderungen, wie z.B. Temperaturbeständigkeit und plastische Verformbarkeit, an eine Zündkerzendichtung und insbesondere an die

Innendichtungen werden bisher Metall-Dichtungen, z.B. aus Stahl oder Kupfer, bei Zündkerzen verwendet.

Bei bestimmungsgemäßer Funktion einer Zündkerze wird die angelegte elektrische Spannung als Zündfunken zwischen Mittelelektrode und Masseelektrode einer Zündkerze abgebaut und dabei wird das im Brennraum befindliche Gasgemisch entzündet. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass es bei metallischen Innendichtungen gelegentlich zu unerwünschten Überschlägen zwischen dem Gehäuse und der im Isolator

angeordneten Mittelelektrode im Bereich der Innendichtung kommt. Diese unerwünschten Überschläge führen im Brennraum zu Fehlzündungen, d.h. Zündungen zum falschen Zeitpunkt des Motortakts. Unter anderen kann auch keine Zündung stattfinden, wenn bereits ein unerwünschter Überschlag stattfindet bevor eine für eine Zündung

ausreichende elektrische Spannung an die Zündkerze angelegt werden konnte. Diese unerwünschten Überschläge entstehen bei Zündkerzen aus dem Stand der Technik, da die metallische Innendichtung auf dem gleichen elektrischen Potential wie das Gehäuse liegt und somit den effektiven Abstand zwischen auf unterschiedlichen elektrischen Potentialniveaus befindenden Gehäuse und Mittelelektrode verkleinert. Zusätzlich haben die metallischen Innendichtungen fertigungsbedingt Kanten, an denen es zu lokalen Erhöhungen des elektrischen Felds kommen kann. Die Felderhöhung erstreckt sich bis in den Isolator und reduziert dessen Durchschlagsfestigkeit. Die Kombination des reduzierten Abstandes zwischen Gehäuse und Mittelelektrode sowie die lokale Erhöhung des elektrischen Feldes begünstig das Auftreten von Überschlägen im Bereich der metallischen Innendichtung.

Vorteil der Erfindung/ Offenbarung der Erfindung

Demgemäß ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Zündkerzen der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass die vorstehenden Nachteile beseitigt bzw. minimiert werden.

Diese Aufgabe wird bei der Zündkerze der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Dichtung ein nichtleitendes Material enthält. Vorzugsweise besteht die Dichtung vollständig aus einem nichtleitenden Material. Bei einer alternativen Ausgestaltung weist die Dichtung einen Kern und eine Hülle auf, wobei die Hülle aus dem nichtleitenden Material besteht. Vorzugsweise ist die Hülle mindestens teilweise, insbesondere vollständig, auf der Oberfläche des Kerns ausgebildet. Die erfindungsgemäße Vorsehung einer Zündkerze mit einer Dichtung aus einem nichtleitenden Material hat den Vorteil, dass eine nichtleitende Dichtung vom elektrischen Potential angrenzender metallischen oder elektrisch leitenden Komponenten

unbeeinflusst bleibt und somit der effektive Abstand zwischen beispielsweise

Mittelelektrode und Gehäuse in einer Zündkerze im Gegensatz zum Stand der Technik nicht verkleinert wird. Desweiteren hat die nichtleitende Dichtung keine metallischen Kanten, die für lokale Erhöhungen des elektrischen Feldes in der Nähe des Isolators sorgen könnten und mögliche Isolator-Durchbrüche und damit Überschläge begünstigen. Insgesamt wird dadurch die Durchschlagsfestigkeit des Isolators sowie der Zündkerze erhöht und die Möglichkeit geschaffen, dass die Zündkerze mit höheren Spannungen betrieben werden kann. Ein nichtleitendes Material, wie z.B. Nichtmetalle, hat eine elektrische Leitfähigkeit von kleiner 10 "10 l/Qcm bei Raumtemperatur.

Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung auf.

Vorzugsweise sollte das für die Dichtung verwendete Material nicht nur nichtleitend, sondern auch plastisch verformbar sein. Dies hat den Vorteil, dass bei der Montage die Dichtung aus dem nichtleitenden Material sich der Geometrie und der

Oberflächenbeschaffenheit der abzudichtenden Komponenten, z.B. Isolator und Gehäuse, anpasst und gegebenenfalls kleinere Unterschiede ausgleicht und somit zuverlässig die Abdichtung des Übergangs der Komponenten garantiert.

Ein plastisch verformbares Material ist ein plastischer Stoff, der nur oberhalb seiner Fließgrenze bleibende Deformationen annimmt, entsprechend der Definitionen von „plastischer Stoff",„plastisches Fließen" und„Plastizität" im der DIN 1342-1 und der DIN 1342-3.

Die Dichtung soll den Übergang zwischen den abzudichtenden Komponenten

vorzugsweise gasdicht verschließen, d.h. dass die Leckrate des Übergangs zwischen den abzudichtenden Komponenten idealerweise kleiner als 10 "7 mbar*l/s ist.

Die Montage der einzelnen Zündkerzenkomponenten findet zum größten Teil bei

Temperaturen im Bereich der Raumtemperatur statt, deshalb sollte das nichtleitende Material für die Dichtung zu mindestens bei Raumtemperatur plastisch verformbar sein. Vorzugsweise sollte das nichtleitende Material auch über einen größeren

Temperaturbereich wie -60°C bis 650°C, vorzugsweise für einen Temperaturbereich von - 40°C bis 550°C oder -30°C bis 450°C, plastisch verformbar sein. Damit sich nicht die Elastizität des nichtleitenden Materials und der Dichtung und damit auch die plastische Verformbarkeit des nichtleitenden Materials und der Dichtung während des Betriebs der Zündkerze reduziert. Dadurch könnte die Dichtung ihre Abdichtungseigenschaften verlieren.

Insgesamt hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, dass das nichtleitende Material temperaturbeständig ist. Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass das nichtleitende Material für die Dichtung temperaturbeständig für Temperatur bis mindestens 550°C oder vorzugsweise bis mindestens 400°C ist. Dadurch nimmt die Dichtung bei den im der Zündkerze herrschenden Betriebstemperaturen keinen Schaden und verliert nicht ihre Dichtungseigenschaft mit der Zeit.

Des Weiteren sollte das nichtleitende Material für die Dichtung druckbeständig sein, insbesondere für Drücke bis 200 bar, um den im Brennraum herrschenden Drücken beim Motorbetrieb stand zu halten.

In einer bevorzugten Weiterbildung sollte das nichtleitende Material oxidationsbeständig und/oder korrosionsbeständig bei den typischerweise im Betrieb der Zündkerze auftretenden Bedingungen sein, insbesondere bei Drücken bis 200 bar und Temperaturen bis 400°C. Dies hätte den Vorteil, dass die Dichtung nicht ihre Dichtungseigenschaften während des Betriebs verliert und die Zündkerze eine höhere Lebensdauer hat.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das nichtleitende Material eine relative Permittivität von kleiner 10 auf, vorzugsweise von kleiner 9. Dadurch wird eine hohe Durchschlagsfestigkeit des Isolator und der Zündkerze erreicht.

In alternativen Ausführungsformen kann für die Dichtung als nichtleitendes Material beispielsweise ein Polymer oder ein keramisches Material oder Kohlenstoffschichten verwendet werden. Als Polymer kann zum Beispiel ein Kunststoff oder ein Lack, z.B. Isolierlack, als nichtleitendes Material für die Dichtung verwendet werden. Als

keramisches Material bieten sich beispielsweise Oxidkeramiken an. Keramische

Materialien sind nichtleitet und weisen eine hohe Temperaturbeständigkeit auf. Als Kohlenstoffschichten, im Sinne von VDI-Richtlinie 2840: 2005-11, können beispielsweise diamond-like-carbon (DLC) Schichten als nichtleitendes Material für die Dichtung verwendet werden, insbesondere als Material für die Hülle.

Beispielsweise kann für die Dichtung eine Oxidkeramik der Titanat-Gruppe, wie z.B. Strontiumtitanat (SrTi03), verwendet werden. Strontiumtitanat vereint alle vorher genannte Eigenschaften, die das nichtleitende Material aufweisen soll. Es ist für den Temperaturbereich von -100°C bis 600°C plastisch verformbar sowie

temperaturbeständig.

Die aus einem nichtleitende Material hergestellte Dichtung kann einen runden oder ovalen oder mehreckigen Querschnitt aufweist. Die nichtleitende Dichtung ist ringförmig ausgebildet. Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass die Dichtung aus einem nichtleitenden Material als eine Innendichtung ausgebildet ist und im Zwischenraum von Isolator und Gehäuse angeordnet ist. Vorzugsweise sind mehrere Innendichtungen vorgesehen und es ist mindestens eine der Innendichtungen aus dem nichtleitenden Material. Idealerweise enthält oder besteht die dem Brennraum am nächsten liegende Innendichtung aus einem nichtleitenden Material, da im Bereich dieser Innendichtung der Abstand zwischen Gehäuse und Mittelelektrode am geringsten ist und somit die Gefahr von Überschlägen und Fehlzündungen bei aus dem Stand der Technik bekannten Zündkerzen mit metallischen Dichtungen erhöht ist.

Zusätzlich oder alternativ zu der dem Brennraum am nächsten angeordnete

Innendichtung können weitere Innendichtungen oder Dichtungen ein nichtleitendes Material enthalten oder daraus bestehen. Beispielsweise kann auch mindestens eine Dichtung aus nichtleitendem Material am Brennraum abgewandtem Ende des Isolator- Gehäuse-Übergangs angeordnet sein, z.B. im Bereich des für die Montage vorgesehenen Sechskants am Gehäuse.

Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung der

Beschreibung bzw. in der Zeichnung.

Zeichnung

Figur 1 zeigt ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Zündkerze. Figur 2 zeigt ein Beispiel für eine Dichtung mit Kern und Hülle. Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Zündkerze 1, die ein Gehäuse 3, einen im Gehäuse 3 angeordneten Isolator 2, eine im Isolator 2 angeordnete Mittelelektrode 8 sowie eine am Gehäuse 3 angeordnete Masseelektrode 9 umfasst. Die Mittelelektrode 8 und Masseelektrode 9 sind so zueinander angeordnet, dass sich zwischen ihren brennraumseitigen Enden eine Funkenstrecke ausbildet. Die Masseelektrode 9 und/oder die Mittelelektrode 8 können an ihren brennraumseitigen Enden Plättchen aus einem korrosionsbeständigen und/oder erosionsbeständigen Metall aufweisen, beispielsweise aus einem Edelmetall oder einer Edelmetalllegierung, wie Pt, Pd, Ir, Re und/oder Rh.

Des Weiteren ist im Isolator 2 ein Kontaktbolzen 4 angeordnet, über den die Zündkerze 1 mit einer hier nicht gezeigten Zündspule kontaktiert wird. Der elektrische Kontakt zwischen Kontaktbolzen 4 und Mittelelektrode 8 wird durch ein Panat hergestellt. Wie in diesem Ausführungsbeispiel gezeigt kann das Panat schichtweise beispielsweise aus zwei Kontaktpanaten 5,7 und einem Widerstandspanat 6 aufgebaut sein. Neben der elektrischen Kontaktierung von Kontaktbolzen 4 und Mittelelektrode 8 dichtet das Panat 5, 6, 7 auch die Isolator - Mittelelektrode - Kontaktbolzen-Übergänge gegen die

Brennraumgase ab. Für die Abdichtung des Gehäuse-Zündkerzenschacht-Übergangs sorgt eine äußere Dichtung 10, beispielsweise eine Faltdichtung. Das Gehäuse 3 weist ein Gewinde auf, wobei das Gewinde näher zum Brennraum als die äußere Dichtung 10 angeordnet ist.

Der mit dem Gewinde versehende Teil des Gehäuses 3 wird als brennraumseitiges Ende des Gehäuses bezeichnet. Das restliche Gehäuse, das dem Brennraum abgewandt ist, wird als Brennraum abgewandtes Ende des Gehäuses bezeichnet.

Zur Abdichtung des Isolator-Gehäuse-Übergangs gibt es mindestens eine Innendichtung 11, 12. Eine erste Innendichtung 11 ist im Bereich des brennraumseitigen Endes des Gehäuses angeordnet, insbesondere näher am Brennraum als die äußere Dichtung 10 angeordnet. Die äußere Dichtung 10 ist näher am Brennraum angeordnet als eine zweite Innendichtung 12. Die zweite Innendichtung 12 ist im Bereich des

brennraumabgewandten Endes des Gehäuses angeordnet, insbesondere im Bereich des Sechskants zur Montage der Zündkerze. Beispielsweise können neben der ersten Innendichtung 11 und der zweiten Innendichtung 12 noch weitere Innendichtungen im Isolator-Gehäuse-Übergang vorgesehen sein.

Die erste Innendichtung 11 ist im Bereich des brennraumseitigen Endes des Isolator- Gehäuse-Übergangs angeordnet, insbesondere im Bereich der Fußkehle des Isolators. Dabei kann das Gehäuse 3 beispielsweise auf seiner Innenseite seines

brennraumseitigen Endes eine Schulter 13 aufweisen, d.h. eine lokale Reduzierung des Gehäuseinnendurchmessers, die als Auflagefläche für die erste Innendichtung 11 dient. Die Schulter 13 auf der Innenseite des Gehäuses ist ebenfalls im Bereich des

brennraumseitigen Endes des Gehäuses ausgebildet, insbesondere näher am Brennraum als die äußere Dichtung 10 angeordnet. Die erste Innendichtung 11 ist als Dichtring ausgeführt und besteht aus einem Polymer oder einer Oxidkeramik, wie z.B. Strontiumtitanat.

In Figur 2 ist ein Querschnitt eines alternativen Aufbaus der Dichtung bzw. der

Innendichtung 11, 12 gezeigt. Die Dichtung bzw. die Innendichtung 11, 12 weist einen Kern 16, der beispielsweise aus einem leitenden Material und/oder einem Metall besteht, und eine Hülle 15 auf, wobei die Hülle 15 aus dem oben beschriebenen nichtleitenden Material besteht. Der Vorteil bei einem Hülle-Kern-Aufbau der Dichtung bzw. der

Innendichtung 11, 12 ist, dass das nichtleitende Material nicht zwingend alle oben beschriebenen Anforderungen erfüllen muss wie bei einer Dichtung bzw. einer

Innendichtung 11, 12, die vollständig aus dem nichtleitenden Material besteht.

Beispielsweise kann der Kern plastisch verformbar sein, während die Hülle aus dem nichtleitenden Material für die elektrische Isolierung der Dichtung sorgt, so dass wie bei einer vollständig aus dem nichtleitenden Material bestehenden Dichtung der effektive Abstand vom elektrischen Gehäuse- Potential zum Isolator bzw. zum Mittelelektroden- Potential größer ist als beim Stand der Technik.

Die Hülle 15 weist vorzugsweise eine Schichtdicke von mindestens 2 mm auf. Die Schichtdicke beträgt vorzugsweise maximal 850 mm. Beispielsweise liegt die

Schichtdicke der Hülle 15 im Bereich von 10 mm bis 650 mm, vorzugsweise im Bereich von 25 mm bis 450 mm. Typischerweise wird die Schichtdicke passend zu den herrschenden Bedingungen, wie beispielsweise verwendetes Material, Druck, elektrisches Potential und/oder Temperatur, bei der vorgesehenen Verwendung gewählt, so dass die Hülle eine ausreichend hohe elektrische Isolierung und mechanische Festigkeit aufweist, so dass die Durchschlagsfestigkeit des Isolators und der Zündkerze gewährt ist. Mit mechanischer Festigkeit ist in diesem Zusammenhang gemeint, dass die Hülle nicht beim Zusammenbau der Zündkerze vom Kern abplatzt und dadurch die Dichtung insgesamt ihre elektrisch isolierenden Eigenschaften verliert.




 
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