DE102009054572A1

DE102009054572A1 - spark plug

Info

Publication number: DE102009054572A1
Application number: DE200910054572
Authority: DE
Inventors: Martin Schubert; Andre Moc; Ulrich Eisele
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-12-11
Filing date: 2009-12-11
Publication date: 2011-06-16
Also published as: WO2011069728A1

Abstract

Es wird eine Zündkerze (10) mit mindestens einer Masseelektrode (61), einem keramischen Isolator (31) und einer Mittelelektrode (51), wobei der Isolator (31) überwiegend aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) besteht und die Masseelektrode (61) von der Mittelelektrode (51) elektrisch trennt vorgeschlagen. Der keramische Isolator (31) enthält entweder einen Anteil von GeO₂ mit einem Anteil von 0,01 bis 1 Masseprozent oder MoO₃ mit einem Anteil von 0,01 bis 2 Masseprozent oder eine Kombination aus GeO₂ und MoO₃ mit einem Anteil von 0,01 bis 1 Masseprozent.A spark plug (10) having at least one ground electrode (61), a ceramic insulator (31) and a center electrode (51), wherein the insulator (31) consists predominantly of aluminum oxide (Al ₂ O ₃ ) and the ground electrode (61) proposed electrically separated from the center electrode (51). The ceramic insulator (31) contains either a proportion of GeO _{2 in} a proportion of 0.01 to 1 percent by mass or MoO _{3 in} a proportion of 0.01 to 2 percent by mass or a combination of GeO ₂ and MoO _{3 in} a proportion of 0 , 01 to 1% by mass.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung geht aus von einer Zündkerze nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.The invention relates to a spark plug according to the preamble of the independent claim.

Eine derartige Zündkerze ist beispielsweise aus der EP 0 269 267 B1 bekannt. Die Zündkerze weist ein Gehäuse auf, an dem eine Masseelektrode festgelegt ist. Im Gehäuse befindet sich ein überwiegend aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) bestehender gesinterter keramischer Isolator mit einer Längsbohrung, in der eine Mittelelektrode angeordnet ist. Durch Anlegen einer Hochspannung erstreckt sich zwischen der Mittelelektrode und der Masseelektrode eine Funkenstrecke.Such a spark plug is for example from the EP 0 269 267 B1 known. The spark plug has a housing to which a ground electrode is fixed. In the housing is a predominantly made of alumina (Al ₂ O ₃ ) existing sintered ceramic insulator having a longitudinal bore in which a center electrode is arranged. By applying a high voltage, a spark gap extends between the center electrode and the ground electrode.

Zukünftige Verbrennungsmaschinen, in denen derartige Zündkerzen zum Einsatz kommen, unterliegen einer ständigen Verkleinerung. Dies hat zur Folge, dass sich auch die Abmessungen des Isolators verringern, wobei die Zündspannung unverändert bleibt oder gar angehoben werden muss. Um eine zuverlässige Isolation von Mittel- und Masseelektrode auch bei Bauraumreduzierung zu gewährleisten, sind keramische Isolatoren mit deutlich verbesserter Spannungs- und Durchschlagsfestigkeit erforderlich.Future combustion engines, in which such spark plugs are used, are subject to a permanent reduction. This has the consequence that also reduce the dimensions of the insulator, the ignition voltage remains unchanged or even needs to be raised. In order to ensure a reliable insulation of center and ground electrode even with space reduction, ceramic insulators with significantly improved voltage and dielectric strength are required.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Die erfindungsgemäße Zündkerze hat den Vorteil, dass der Isolator ein Material umfasst, das eine ausgezeichnete elektrische Spannungs- bzw. Durchschlagsfestigkeit aufweist.The spark plug according to the invention has the advantage that the insulator comprises a material which has an excellent electrical voltage or dielectric strength.

Hierzu ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der überwiegend aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) bestehende Isolator einen Anteil von GeO₂ und/oder MoO₃ enthält. Die Kationen Ge⁴⁺ und/oder Mo⁶⁺ werden dabei aufgrund ihres zum Kation Al³⁺ ähnlichen Innenradius auf die Al³⁺-Position eingebaut und erzeugen wegen des erforderlichen Ladungsausgleiches Aluminiumleerstellen im Aluminiumoxidgitter. Diese Aluminiumleerstellen wirken nun als Streuzentrum bzw. Falle für Ladungsträger und verzögern damit die Ausbreitung einer Elektronenlawine, was letztlich eine erhöhte Spannungsfestigkeit zur Folge hat.For this purpose, the invention provides that the insulator consisting predominantly of aluminum oxide (Al ₂ O ₃ ) contains a proportion of GeO ₂ and / or MoO ₃ . The cations Ge ⁴⁺ and / or Mo ⁶⁺ are thereby incorporated on the Al ³⁺ position due to their inner radius similar to the cation Al ³⁺ and, because of the required charge balance, generate aluminum vacancies in the aluminum oxide lattice. These aluminum vacancies now act as a scattering center or trap for charge carriers and thus delay the propagation of an electron avalanche, which ultimately results in increased dielectric strength.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der in dem unabhängigen Anspruch angegebenen Zündkerze möglich.The measures mentioned in the dependent claims advantageous refinements of the specified in the independent claim spark plug are possible.

Als wirkungsvoll bzgl. der Erhöhung der Spannungsfestigkeit hat sich eine Keramik herausgestellt, die GeO₂ in einem Bereich von 0,01 bis 1 Masseprozent enthält. Liegt der Anteil an GeO₂ hingegen unterhalb von 0,01 Masseprozent, ist die Konzentration an Aluminiumleerstellen in der Keramik zu gering, womit sich die Dotierung als wirkungslos bezüglich der Spannungsfestigkeit erweist. Auch ein Anteil von GeO₂ oberhalb von 2 Masseprozent verschlechtert die Spannungsfestigkeit, da eine vollständige Auflösung in den Gefügebestandteilen der Keramik nicht mehr gewährleistet ist. Da die Löslichkeit im Al₂O₃-Gitter überschritten ist, beginnt auch das Glas bzw. die Glasschmelze, Entmischungserscheinungen zu zeigen. Als besonders spannungsfest hat sich eine Keramik herausgestellt, die GeO₂ im Bereich von 0,01 bis 0,4 Masseprozent enthält.As effective in terms of increasing the withstand voltage, a ceramic has been found containing GeO ₂ in a range of 0.01 to 1 percent by mass. On the other hand, if the proportion of GeO ₂ is less than 0.01% by mass, the concentration of aluminum vacancies in the ceramic is too low, so that the doping proves to be ineffective with respect to the dielectric strength. Also, a proportion of GeO ₂ above 2 percent by mass deteriorates the dielectric strength, since a complete dissolution in the structural components of the ceramic is no longer guaranteed. Since the solubility in the Al ₂ O ₃ lattice is exceeded, the glass or the molten glass also begins to show segregation phenomena. A ceramic which contains GeO ₂ in the range from 0.01 to 0.4% by mass has proven to be particularly stress-resistant.

Das im letzten Abschnitt Gesagte gilt gleichermaßen für eine Keramik, die MoO₃ in einem Bereich von 0,01 bis 2 Masseprozent enthält. Für den Fall, dass der Anteil an MoO₃ unterhalt von 0,01 Masseprozent liegt, erweist sich die Dotierung bezüglich der Spannungsfestigkeit als wirkungslos, da die Aluminiumleerstellen in der Keramik zu gering sind. Gleichermaßen ist die vollständige Auflösung von MoO₃ in den Gefügebestandteilen der Keramik bei einem Anteil größer 2 Masseprozent nicht mehr gewährleistet, wodurch die Spannungsfestigkeit sich ebenfalls verschlechtert. Eine Keramik mit MoO₃ im Bereich von 0,01 bis 0,2 Masseprozent hat sich als besonders spannungsfest herausgestellt.The same thing applies in the last section to a ceramic containing MoO ₃ in a range of 0.01 to 2% by mass. In the case that the content of MoO _{3 is kept} below 0.01% by mass, the doping with respect to the dielectric strength proves to be ineffective because the aluminum vacancies in the ceramic are too low. Similarly, the complete dissolution of MoO _{3 is} no longer guaranteed in the structural components of the ceramic in a proportion greater than 2 percent by mass, whereby the dielectric strength also deteriorates. A ceramic with MoO ₃ in the range of 0.01 to 0.2 percent by mass has been found to be particularly stress-resistant.

Zeichnungdrawing

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt 1 als Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Zündkerze teilweise in Schnittdarstellung.An embodiment of the invention is illustrated in the drawing and explained in more detail in the following description. It shows 1 as an embodiment of the invention, a spark plug partially in section.

Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments

Die 1 zeigt als erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Zündkerze 10 mit einem brennraumseitigen Ende 11 und einem anschlussseitigen Ende 12. Die Zündkerze 10 umfasst ein metallisches Gehäuse 21, das mit einem Gewinde 22 und mit einem Sechskant 23 versehen ist. Die Zündkerze 10 wird mittels eines an dem Sechskant 23 angreifenden Werkzeugs in ein Gegengewinde eines Zylinderkopfes eines Verbrennungsmotors eingeschraubt, so dass die Zündkerze 10 mit ihrem brennraumseitigen Ende 11 in einen Brennraum 29 eines Zylinders des Verbrennungsmotors ragt.The 1 shows as a first embodiment of the invention, a spark plug 10 with a combustion chamber end 11 and a connection end 12 , The spark plug 10 includes a metallic housing 21 that with a thread 22 and with a hexagon 23 is provided. The spark plug 10 is by means of a hexagon 23 engaging tool screwed into a mating thread of a cylinder head of an internal combustion engine, so that the spark plug 10 with its combustion chamber end 11 in a combustion chamber 29 a cylinder of the internal combustion engine protrudes.

Im Gehäuse 21 ist ein keramischer Isolator 31 festgelegt. Der Isolator 31 weist eine Längsbohrung 32 mit einer Symmetrieachse auf, die die Längsachse 33 des Isolators 31 und damit der Zündkerze 10 bildet. In der Längsbohrung 32 des Isolators 31 sind anschlussseitig ein Anschlussbolzen 24 und brennraumseitig eine Mittelelektrode 51 eingebracht. Anschlussbolzen 24 und Mittelelektrode 51 sind durch ein ebenfalls in der Längsbohrung 32 des Isolators 31 angeordnetes Widerstandselement 25 elektrisch verbunden, das bei Anlegen einer Hochspannung an den Anschlussbolzen 24 strombegrenzend wirkt.In the case 21 is a ceramic insulator 31 established. The insulator 31 has a longitudinal bore 32 with an axis of symmetry on which the longitudinal axis 33 of the insulator 31 and thus the spark plug 10 forms. In the longitudinal bore 32 of the insulator 31 are a connection pin on the connection side 24 and combustion chamber side, a center electrode 51 brought in. connecting bolt 24 and center electrode 51 are by a likewise in the longitudinal bore 32 of the insulator 31 arranged resistance element 25 electrically connected when applying a high voltage to the terminal bolt 24 current limiting acts.

Der Isolator 31 ragt am brennraumseitigen Ende 11 der Zündkerze 10 aus dem Gehäuse 21 heraus. Die Mittelelektrode 51 erstreckt sich über die Stirnseite des Isolators 31 hinaus in den Brennraum 29.The insulator 31 protrudes at the combustion chamber end 11 the spark plug 10 out of the case 21 out. The center electrode 51 extends over the front of the insulator 31 out into the combustion chamber 29 ,

Am Gehäuse 21 ist eine Masseelektrode 61 festgelegt. Die Masseelektrode 61 ist als sogenannte Dachelektrode ausgebildet, die sich ausgehend vom Gehäuse 21 zunächst in eine Richtung parallel zur Langsachse 33 der Zündkerze 10 erstreckt und die eine Biegung um 90 Grad hin zur Mittelelektrode 51 aufweist, so dass sich die Masseelektrode 61 bis über die Mittelelektrode 51, also bis in den Bereich der Längsachse 33 der Zündkerze 10 erstreckt (Luftfunkenkerze).At the housing 21 is a ground electrode 61 established. The ground electrode 61 is designed as a so-called roof electrode extending from the housing 21 initially in a direction parallel to the long axis 33 the spark plug 10 extends and a 90 degree bend towards the center electrode 51 has, so that the ground electrode 61 to beyond the center electrode 51 , ie up to the area of the longitudinal axis 33 the spark plug 10 extends (air spark plug).

Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel gemäß 1 besteht der keramische Isolator 31 überwiegend aus Aluminiumoxid (Al₂O₃).In the present embodiment according to 1 consists of the ceramic insulator 31 predominantly of alumina (Al ₂ O ₃ ).

Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung weist der Isolator 31 einen Germaniumoxidanteil im Bereich von 0,01 bis 1 Masseprozent, insbesondere von 0,01 bis 0,4 Masseprozent auf. Ein Beispiel für die erste Ausführungsform ist eine Keramik mit einem Germaniumoxidanteil von 0,04 Masseprozent und einem überwiegenden Anteil aus Aluminiumoxid.According to a first embodiment of the invention, the insulator 31 a germanium oxide content in the range of 0.01 to 1 percent by mass, in particular from 0.01 to 0.4 percent by mass. An example of the first embodiment is a ceramic with a germanium oxide content of 0.04 percent by mass and a predominant proportion of aluminum oxide.

Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung weist der Isolator 31 einen Molybdänoxidanteil im Bereich von 0,01 bis 2 Masseprozent, insbesondere von 0,01 bis 0,2 Masseprozent auf. Ein Beispiel für die erste Ausführungsform ist eine Keramik mit einem Molybdänoxidanteil von 0,05 Masseprozent und einem überwiegenden Anteil aus Aluminiumoxid.According to a second embodiment of the invention, the insulator 31 a molybdenum oxide content in the range of 0.01 to 2% by mass, in particular from 0.01 to 0.2% by mass. An example of the first embodiment is a ceramic having a molybdenum oxide content of 0.05 mass% and a major proportion of alumina.

Gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung weist der Isolator 31 einen Germaniumoxidanteil im Bereich von 0,01 bis 1 Masseprozent, insbesondere von 0,01 bis 0,4 Masseprozent, und einen Molybdänoxidanteil im Bereich von 0,01 bis 2 Masseprozent, insbesondere von 0,01 bis 0,2 Masseprozent auf. Ein Beispiel für die erste Ausführungsform ist eine Keramik mit einem Germaniumoxidanteil von 0,03 Masseprozent und einem Molybdänoxidanteil von 0,02 Masseprozent und einem überwiegenden Anteil aus Aluminiumoxid.According to a third embodiment of the invention, the insulator 31 a germanium oxide content in the range of 0.01 to 1% by mass, in particular 0.01 to 0.4% by mass, and a proportion of molybdenum oxide in the range of 0.01 to 2% by mass, in particular 0.01 to 0.2% by mass. An example of the first embodiment is a ceramic having a germanium oxide content of 0.03% by mass and a molybdenum oxide content of 0.02% by mass and a predominant proportion of aluminum oxide.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 0269267 B1 [0002]

Claims

Spark plug ( 10 ) with at least one ground electrode ( 61 ), a ceramic insulator ( 31 ) and a center electrode ( 51 ), the insulator ( 31 ) consists predominantly of aluminum oxide (Al ₂ O ₃ ) and the ground electrode ( 61 ) from the center electrode ( 51 ) electrically, characterized in that the ceramic insulator contains GeO ₂ and / or MoO ₃ .

Spark plug according to claim 1, characterized in that the proportion of GeO ₂ in the range of 0.01 to 1, in particular from 0.01 to 0.4 percent by mass.

Spark plug according to claim 1 or 2, characterized in that the proportion of MoO ₃ in the range of 0.01 to 2, in particular from 0.01 to 0.2 percent by mass.

Spark plug according to claim 1, characterized in that the proportion of Al ₂ O _{3 is} at least 93 percent by mass.