DE102006061907A1 - Zündkerze mit einem Isolator aus hochreiner Aluminiumoxid-Keramik - Google Patents
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Abstract
Beschrieben wird eine Zündkerze für Ottomotoren mit einem metallischen Zündkerzenkörper (5), mit einer Mittelelektrode (1), mit einem zwischen der Mittelelektrode (1) und dem Körper (5) angeordneten keramischen Isolator (4) auf der Basis von Aluminiumoxid und mit wenigstens einer Masseelektrode (6). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Isolator (4) 0,01 Gew.-% bis 1 Gew.-% Magnesiumoxid, höchstens 0,3 Gew.-% natürliche und/oder Verunreinigungen und zum Rest Aluminiumoxid enthält und durch Festphasensintern gebildet ist, so dass er weitestgehend frei von Glasphasen ist.
Description
- Die Erfindung geht von einer Zündkerze mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen aus. Eine solche Zündkerze ist aus der
EP 0 954 074 B1 bekannt. - Fortschrittliche Ottomotoren benötigen im Zylinderkopf mehr Platz für Einlassventile und Auslassventile und das ist eine Ursache dafür, dass heute Zündkerzen mit kleinerem Durchmesser als früher gefordert werden. Schlankere Zündkerzen benötigen einen schlankeren Isolator. Das wiederum bedingt höhere Anforderungen an die mechanische Festigkeit und die elektrische Isolationsfähigkeit, namentlich die elektrische Durchschlagsfestigkeit, des in der Zündkerze vorhandenen Isolators, welcher üblicherweise aus einer Aluminiumoxid-Keramik besteht.
- Die
JP-A 63-190753 JP-A 63-190753 - Um dieser Schwierigkeit zu entgehen offenbart die
EP 0 954 074 B1 eine Zündkerze mit einem Isolator, der zwar mit 95 Gew.-% bis 99,7 Gew.-% Aluminiumoxid einen höheren Aluminiumoxidgehalt hat als der aus derJP-A 63-190753 JP-A 63-190753 - Nach der Offenbarung der
EP 0 954 074 B1 erreicht man damit bei einem Isolator für eine Zündkerze eine Durchschlagsfestigkeit von z. B. 37 kV, weil das Teilchenwachstum zum einen die Anzahl der Teilchengrenzen, entlang von welchen sich ein elektri scher Spannungsdurchbruch fortpflanzen kann, verringert habe und weil sich andererseits auch die Anzahl von Tripelpunkten in den Teilchengrenzen verringert habe, in welchen sich die von den Sinterhilfen gebildeten Glasphasen bevorzugt ablagern und von welchen Spannungsdurchbrüche bevorzugt ihren Ausgang nehmen. - Zum Vergleich wurde in der
EP 0 954 074 B1 ein Isolator aus 100% Aluminiumoxid mit einer Reinheit von 99,9% untersucht und festgestellt, dass er – bei einem Test unter Öl – die mit Abstand niedrigste Durchbruchsspannung, die höchste Anzahl Poren und den mit Abstand geringsten Isolationswiderstand aufwies, weshalb er als ungeeignet angesehen wurde. - Die vorliegende Erfindung bezweckt eine weitere Verbesserung der elektrischen Durchschlagsfestigkeit des Isolators in Zündkerzen sowohl bei Raumtemperatur als auch insbesondere bei den hohen Temperaturen, welche bei betriebswarmem Ottomotor auftreten.
- Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Zündkerze mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
- Die erfindungsgemäße Zündkerze hat einen Isolator, der 0,01 Gew.-% bis 1 Gew.-% Magnesiumoxid, höchstens 0,3 Gew.-% natürliche und/oder durch den Herstellungsprozess bedingte Verunreinigungen und zum Rest Aluminiumoxid enthält und durch Festphasensintern gebildet ist, so dass er weitestgehend frei von Glasphasen ist.
- Überraschenderweise hat es sich gezeigt, dass Zündkerzen mit einem solchen Isolator gegenüber dem Stand der Technik wesentliche Vorteile haben:
- • Die Spannungsfestigkeit des Isolators ist höher als im Stand der Technik. Bei Zimmertemperatur wurden Durchbruchsspannungen von 50 kV/mm und mehr gemessen. Das erlaubt die Herstellung von Zündkerzen, deren Isolator nur noch eine Wandstärke von 0,8 mm und damit eine Durchbruchsspannung von 40 kV und mehr hat.
- • Die hohe Spannungsfestigkeit bleibt bei den Arbeitstemperaturen bis 900°C, welche bei betriebswarmem Ottomotor auftreten, erhalten.
- • Die Isolatoren zeigen eine erhöhte mechanische Festigkeit, insbesondere eine erhöhte Biegefestigkeit und Biegewechselfestigkeit.
- • Die Isolatoren haben gegenüber den Isolatoren in herkömmlichen Zündkerzen eine um bis zu 15% höhere Wärmeleitfähigkeit. Das macht es möglich, den Isolatorfuß der Zündkerze, das ist der in den Zylinder des Ottomotors ragende Abschnitt des Isolators, zu verlängern, ohne den Wärmewert zu erhöhen. Der Vorteil einer solchen Isolatorfußverlängerung ist eine Erhöhung des elektrischen Nebenschlusswiderstandes der Zündkerze und dadurch eine deutliche Verbesserung der Zündfähigkeit bei Kaltstarts und bei Wiederholstarts.
- • Der Isolator der erfindungsgemäßen Zündkerze zeigt eine höhere chemische Beständigkeit und trägt somit zu einer Erhöhung der Lebensdauer der Zündkerze bei.
- • Die erhöhte Spannungsfestigkeit ermöglicht dünnere Isolatoren und damit schlankere Zündkerzen. Schlankere Zündkerzen erlauben engere Einschraubgewinde, z. B. Gewinde der Größe M12 und M10, und schaffen dadurch im Zylinderkopf mehr Platz für Einlassventile und Auslassventile des Motors.
- Vorzugsweise enthält der Isolator der neuen Zündkerze 0,03 Gew.-% bis 0,15 Gew.-%. Magnesiumoxid. Bereits geringe Zugaben von Magnesiumoxid vermindern das Kristallwachstum des Aluminiumoxids beim Festphasensintern. Ab einem Gehalt von 0,03 Gew.-% wird dieser Effekt technisch bedeutsam. Bei einem Gehalt von mehr als 0,15 Gew.-% Magnesiumoxid wird diese Wirkung nicht mehr signifikant erhöht.
- Außer Aluminiumoxid und Magnesiumoxid enthält der Isolator nur noch natürliche und/oder prozessbedingte Verunreinigungen. Insbesondere verzichtet die Erfindung auf das Zusetzen irgendwelcher Sinterhilfsmittel wie Natriumoxid, Yttriumoxid, Lanthanoxid, Siliziumoxid, Bariumoxid, Boroxid und dergleichen, welche bei Temperaturen, bei welchen Aluminiumoxid in fester Phase gesintert werden kann, eine flüssige Phase bilden würden, aus welcher nach dem Erstarren eine Glasphase würde. Etwaige minimale Glasphasen, welche in einem erfindungsgemäßen Isolator nachweisbar sein mögen, können deshalb nur von den im Aluminiumoxid vorhandenen natürlichen und/oder prozessbedingten Verunreinigungen stammen. In diesem Sinne wird die Angabe im Patentanspruch 1 verstanden, dass der Isolator weitestgehend frei von Glasphasen sein soll.
- Vorzugsweise enthält der Isolator der erfindungsgemäßen Zündkerze mehr als 99,7 Gew.-% Aluminiumoxid. In diesem Fall werden von den verbliebenen Verunreinigungen verursachte Glasphasen die elektrische Durchschlagsfestigkeit des Isolators nicht mehr spürbar beeinträchtigten können.
- Für den Isolator einer erfindungsgemäßen Zündkerze wird eine Dichte von mindestens 3,85g cm–3 bevorzugt. Eine solche hohe Dichte lässt sich erreichen, wenn man von einem sehr feinen Aluminiumoxidpulver ausgeht, welches vorzugsweise eine mittlere Teilchengröße von weniger als 1 μm aufweist, wenn man die Isolatorrohlinge vor dem Sintern hinreichend verdichtet, insbesondere durch isostatisches Pressen, und wenn man die Sintertemperatur und die Sinterdauer so aufeinander abstimmt, dass ein Isolator erhalten wird, in welchem 90 Gew.-% des Aluminiumoxids mit Teilchengrößen von kleiner als 5 μm, noch besser mit Teilchengrößen von kleiner als 3 μm vorliegen. Als Temperatur für das Festphasensintern eignet sich eine Temperatur im Bereich von 1.600°C bis 1.700°C, also deutlich unterhalb der Schmelztemperatur von Aluminiumoxid, welche oberhalb von 2.000° liegt.
-
1 zeigt in einer teilweise geschnittenen Seitenansicht den typischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Zündkerze, welche eine Mittelelektrode1 und in ihrer Verlängerung einen Zündstift2 hat, welche sich mit Abstand hintereinander in einem erfindungsgemäßen Isolator4 befinden, nämlich in einem längs verlaufenden Kanal, in welchem sie durch eine elektrisch leitende Glasphase3 miteinander verbunden sind. Der Isolator4 steckt in einem metallischen Körper5 , in welchem er durch Bördeln und Elektrostauchen festgelegt ist. Am Körper5 ist eine Masseelektrode6 angebracht, welche zur Mittelelektrode1 hin gebogen ist und dieser unter Bildung eines Entladespaltes mit definiertem Abstand gegenüberliegt. - Der Isolator besteht z. B. aus 99,8 Gew.-% Aluminiumoxid, ca. 0,1 Gew.-% Magnesiumoxid und zum Rest aus natürlichen und/oder prozessbedingten Verunreinigungen. Er ist durch Festphasensintern gebildet und enthält keine röntgenographisch nachweisbare glashaltige Sekundärphase.
- Der erfindungsgemäße Isolator lässt sich in bekannter Art und Weise in den Körper
5 der Zündkerze montieren, so dass vorhandene Fertigungseinrichtungen und Verfahren für die Montage des Isolators4 ebenso wie der Mittelelektrode1 und des Zündstiftes2 verwendet werden können. Die erforderliche Keramik-Metallverbindung wird mittels eines elektrisch leitenden Kompositglases bewirkt. Die elektrisch leitende Glasmasse3 stellt den elektrischen Anschluss zwischen der Mittelelektrode1 und dem Zündstift2 sicher und hat darüber hinaus die Aufgabe, die Mittelelektrode1 druckdicht in den Isolator4 einzubringen. -
- 1
- Mittelelektrode
- 2
- Zündstift
- 3
- Glasphase
- 4
- Isolator
- 5
- Körper
- 6
- Masseelektrode
Claims (7)
- Zündkerze für Ottomotoren mit einem metallischen Zündkerzenkörper (
5 ), mit einer Mittelelektrode (1 ), mit einem zwischen der Mittelelektrode (1 ) und dem Körper (5 ) angeordneten keramischen Isolator (4 ) auf der Basis von Aluminiumoxid und mit wenigstens einer Masseelektrode (6 ), dadurch gekennzeichnet, dass der Isolator (4 ) 0,01 Gew.-% bis 1 Gew.-% Magnesiumoxid, höchstens 0,3 Gew.-% natürliche und/oder prozessbedingte Verunreinigungen und zum Rest Aluminiumoxid enthält und durch Festphasensintern gebildet ist, so dass er weitestgehend frei von Glasphasen ist. - Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass der Gehalt an Magnesiumoxid 0,03 Gew.-% bis 0,15 Gew.-% beträgt.
- Zündkerze nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolator (
4 ) mehr als 99,7 Gew.-% Aluminiumoxid enthält. - Zündkerze nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolator (
4 ) eine Dichte von mindestens 3,85g cm–3 aufweist. - Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolator (
4 ) eine Dichte von 3,90 +– 0,02g cm–3 aufweist. - Zündkerze nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Isolator (
4 ) 90 Gew.-% des Aluminiumoxids mit Kristallitgrößen von kleiner als 5 μm (mittlerer Durchmesser) vorliegen. - Zündkerze nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Isolator (
4 ) 90 Gew.-% des Aluminiumoxids mit Kristallitgrößen von kleiner als 3 μm vorliegen.
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