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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zündkerze für ein Kraftfahrzeug mit verbesserter mechanischer Stabilität sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Zündkerze.
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Aus dem Stand der Technik sind Zündkerzen in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Durch die auf die Zündkerze während des Einbaus bzw. während der Fahrt mit einem Kraftfahrzeug einwirkenden Kräfte, wird die Zündkerze erheblichen mechanischen Belastungen ausgesetzt, die zu Defekten oder gar zum Verlust der Funktionalität der Zündkerze führen können.
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Offenbarung der Erfindung
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Die gemäß Anspruch 1 erfindungsgemäß offenbarte Zündkerze zeichnet sich hingegen durch eine verbesserte mechanische Stabilität aus. Dies wird durch das Vorsehen einer spezifisch ausgebildeten Stützschicht erzielt.
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Im Einzelnen umfasst die erfindungsgemäße Zündkerze, die zur Erzeugung eines Zündfunkens in einem Kraftfahrzeug eingerichtet ist, einen sich entlang der Längsachse der Zündkerze erstreckenden im Wesentlichen zylindrischen keramischen Isolator. Der Isolator umgibt in bekannter Weise das elektrisch leitfähige Innenleben der Zündkerze, an dessen einem Ende ein elektrischer Anschlussbolzen und an dessen anderem Ende mindestens eine Mittelelektrode angeordnet ist. Der Isolator kann teilweise in einem Gehäuse angeordnet sein, das ein Verbauen der Zündkerze mit einem Motorblock ermöglicht, beispielsweise durch das Vorsehen einer Schraubenmutter. Da diese Bestandteile einer Zündkerze allgemein bekannt und nicht wesentlich für die vorliegende Erfindung sind, wird auf weitere Ausführungen hierzu verzichtet. Der Isolator dient der elektrischen Isolation der Zündkerze und verhindert Kurzschlüsse mit umliegenden elektrisch leitfähigen Bauteilen. Hierzu ist der Isolator aus einem keramischen Material gebildet.
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Der Isolator ist entlang der Längsachse der Zündkerze mindestens abschnittsweise und in Umfangsrichtung der Zündkerze vollständig von einer Glasurschicht umgeben, die eine zusätzliche elektrische Isolierung bewirkt und die Oberfläche des Isolators versiegelt. Die Glasurschicht muss sich nicht über die gesamte Länge des Isolators erstrecken, ist aber insbesondere an zur Umgebung der Zündkerze gerichteten Oberflächen auf dem Isolator gebildet.
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Erfindungsgemäß ist zwischen dem Isolator und der Glasurschicht in Umfangsrichtung der Zündkerze durchgehend eine Stützschicht vorhanden, die der Stabilisierung der Glasurschicht dient und die stoffschlüssig mit dem Isolator und stoffschlüssig mit der Glasurschicht in Verbindung steht. Die Stützschicht ist damit sehr stabil mit dem Isolator auf der einen Seite und mit der Glasurschicht auf der anderen Seite verbunden, was eine Erhöhung der mechanischen Stabilität der Zündkerze bewirkt. Die Stützschicht weist dabei keine Fehlstellen auf. Dies bedeutet, dass die Stützschicht durchgängig zwischen dem Isolator und der Glasurschicht ausgebildet ist. Sie fixiert damit die Glasurschicht am Isolator. So wird auf der einen Seite ein Abplatzen der Glasurschicht durch thermische und/oder mechanische Einwirkung verhindert und auf der anderen Seite die gesamte Stabilität der erfindungsgemäßen Zündkerze erhöht.
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Vorteilhaft geht die Stützschicht aus Komponenten des Isolators und Komponenten der Glasurschicht hervor, was dadurch erzielbar ist, dass nach dem Aufbringen einer Dispersion zur Ausbildung der Glasurschicht auf den Isolator eine entsprechende Temperaturbehandlung erfolgt, durch die die Stützschicht ausgebildet wird. Es diffundieren damit Komponenten des Isolators und Komponenten der Glasurschicht in den Verbindungsbereich zwischen dem Isolator und der Glasurschicht, wodurch die Stützschicht gebildet wird. Hierzu wird ergänzend Bezug genommen auf die Ausführungen zu dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Zündkerze.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst der Isolator keramisches Al2O3. Al2O3 ist ein sowohl thermisch als auch mechanisch relativ stabiles keramisches Material mit sehr guten elektrisch isolierenden Eigenschaften, was sich vorteilhaft auf die Gesamtstabilität der Zündkerze auswirkt. Die Glasurschicht enthält vorzugsweise ZnO in einem Gehalt von 0,4 bis 20 Masse%, bezogen auf die Gesamtmasse der Glasurschicht, das ebenfalls eine keramische Struktur aufweist. Die Stützschicht enthält vorteilhafterweise Al2O3 und ZnO, das in keramischer Struktur vorliegt, wobei die Gesamtmasse an Al2O3 und ZnO in der Stützschicht mehr als 50 Masse%, bezogen auf die Gesamtmasse der Stützschicht, beträgt. Dieser dreischichtige Aufbau aus Isolator, Stützschicht und Glasurschicht zeichnet sich aufgrund der jeweils mit keramischer Struktur ausgebildeten Schichten durch eine stabile Verbundstruktur aus. Die drei Schichten sind aufgrund ihres jeweils stoffschlüssigen Verbundes stabil miteinander verbunden, obwohl die jeweiligen Schichten durch chemische Analyse und auch durch visuelle Beurteilung eines Schnittes durch diese Schichten sehr gut voneinander unterscheidbar sind. Hierdurch kann die mechanische Stabilität der Zündkerze weiter verbessert und zudem die Dielektrizität der Zündkerze erhöht werden.
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Weiter vorteilhaft umfasst die Glasurschicht 1,1 Masse% bis 3,2 Masse% Li2O, 0,1 Masse% bis 2,8 Masse% Na2O, 0,7 Masse% bis 4,7 Masse% K2O, 0 Masse% bis 2,2 Masse% MgO, 2,0 Masse% bis 8,2 Masse% CaO, 0 Masse% bis 2,0 Masse% SrO, 0 Masse% bis 7,3 Masse% BaO, 4,1 Masse% bis 10,5 Masse% Al2O3, 0,4 Masse% bis 13,6 Masse% ZnO, 23,0 Masse% bis 33,3 Masse% B2O, 0 Masse% bis 2,2 Masse% F und SiO2 als Rest. Durch diese Zusammensetzung zeichnet sich die Glasurschicht durch eine sehr stabile keramische Struktur aus, die zur mechanischen Belastbarkeit der Zündkerze beiträgt. Zusätzlich zu ZnO können aus der Glasurschicht vorteilhaft weitere Bestandteile in die Stützschicht diffundieren und diese zusätzlich stabilisieren. Dies trifft insbesondere auf SiO2 und Bor zu.
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Insbesondere ist die Stützschicht in mechanisch stark belasteten Bereichen der Zündkerze, in denen auch die Glasurschicht vorhanden ist, ausgebildet. Dies trifft insbesondere auf Bereiche zu, die eine Krümmung aufweisen. Eine solche Krümmung findet sich im Bereich einer Isolatorkehle, wo die Glasurschicht und auch die Stützschicht vorzugsweise ausgebildet sind. Die Isolatorkehle ist dabei eine im Isolator ausgebildete Schulter, die dem Isolatorsitz entspricht. Durch die Stützschicht im Bereich der Isolatorkehle können Kerbwirkungen in der Glasurschicht reduziert bzw. unterdrückt werden. Dies verbessert die Stabilität der Zündkerze.
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Zur weiteren Verbesserung der mechanischen Stabilität der Zündkerze erstrecken sich die Glasurschicht und die Stützschicht von der Isolatorkehle bis zum elektrischen Anschlussende der Zündkerze. Diese Ausführungsform ist auch im Hinblick auf eine vereinfachte Herstellung der Zündkerze bevorzugt.
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Die Schichtdicke der Stützschicht ist im Einzelnen nicht beschränkt, solange die Stützschicht eine durchgehende Schicht ohne Fehlstellen ist, die sich zwischen dem Isolator und der Glasurschicht erstreckt.
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Insbesondere ist eine Schichtdicke der Stützschicht kleiner als eine Schichtdicke der Glasurschicht. Ein Verhältnis der Schichtdicke der Glasurschicht zur Schichtdicke der Stützschicht beträgt insbesondere 5:1 und insbesondere 10:1.
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Besonders gute Stabilitäten der Zündkerze lassen sich vorteilhaft dadurch erzielen, dass die Stützschicht senkrecht zur Längsachse der Zündkerze eine Schichtdicke von 1 bis 20 µm, insbesondere von 5 bis 15 µm, aufweist.
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Eine besonders gute Verbindungsbildung zwischen dem Isolator und der Glasurschicht wird durch eine Stützschicht erhalten, die einen kristallinen Anteil von mindestens 50 Masse% und insbesondere von mindestens 70 Masse%, bezogen auf die Gesamtmasse der Stützschicht, aufweist. Dies ist darauf zurückzuführen, dass sich über die kristallinen Anteile in den jeweiligen Schichten auch ein guter Stoffschluss erzielen lässt. Hohe kristalline Anteile der Stützschicht werden durch eine geeignete Temperaturführung während des Brennens der Glasurschicht erzielt. Die kristallinen Anteile lassen sich dabei sehr gut durch Röntgenspektroskopie ermitteln.
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Ebenfalls erfindungsgemäß wird auch ein Verfahren zur Herstellung einer Zündkerze für ein Kraftfahrzeug beschrieben, wobei sich die Zündkerze durch eine hohe thermische und mechanische Stabilität auszeichnet. Die Zündkerze umfasst dabei einen sich entlang der Längsachse der Zündkerze erstreckenden im Wesentlichen zylindrischen keramischen Isolator, der in gewohnter Weise das elektrisch leitfähige Innenleben der Zündkerze umgibt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst zunächst einen Schritt des Aufbringens einer Dispersion zur Herstellung einer Glasurschicht auf den Isolator, so dass die Dispersion den Isolator entlang der Längsachse der Zündkerze mindestens abschnittsweise und in Umfangsrichtung der Zündkerze den Isolator vollständig umgibt. Die Dispersion ist im Einzelnen nicht beschränkt, ist aber insbesondere zur Bildung einer keramischen Glasurschicht eingerichtet. Die Dispersion kann neben geeigneten Oxiden z.B. Wasser als Dispersionsmedium enthalten.
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Das Aufbringen der Dispersion kann durch herkömmliche Verfahren, insbesondere durch Aufsprühen, Aufwalzen oder Aufstreichen, erfolgen. Die Dispersion wird insbesondere auf solche Bereiche des Isolators aufgebracht, die zur Umgebung der Zündkerze freiliegen. Auch wird die Dispersion vorteilhafterweise auf gekrümmte Bereiche des Isolators aufgebracht.
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Im Anschluss an das Aufbringen der Dispersion erfolgt ein Brennen der Dispersion bei einer Temperatur von 900 bis 1150 °C für einen Zeitraum von maximal vier Stunden. Hierdurch wird die Struktur der Glasurschicht ausgebildet, die insbesondere eine keramische Grundstruktur umfasst. Die Dispersion verfestigt sich dabei unter Verdunsten des Dispersionsmediums. Das Brennen kann insbesondere für einen Zeitraum von 30 Minuten bis 3 Stunden ausgeführt werden.
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Durch die erfindungsgemäße Temperaturführung wird nicht nur die Glasurschicht auf dem Isolator ausgebildet, sondern auch eine zwischen dem Isolator und der Glasurschicht durchgehend in Umfangsrichtung der Zündkerze angeordnete und mit dem Isolator und der Glasurschicht stoffschlüssig verbundene Stützschicht ausgebildet. Die Stützschicht geht dabei aus Komponenten des Isolators und Komponenten der Glasurschicht hervor und hat damit ebenfalls einen überwiegend keramischen Charakter. Vielmehr verbinden sich Komponenten des Isolators und Komponenten der Glasurschicht zu der Stützschicht, wodurch durch die chemische Ähnlichkeit der hierfür verwendeten Komponenten ein sehr guter Schichtverbund zwischen dem Isolator und der Stützschicht auf der einen Seite und zwischen der Stützschicht und der Glasurschicht auf der anderen Seite erhalten wird. Diese Verbindungen sind durch einen sehr guten Stoffschluss gekennzeichnet, wodurch eine hohe Bindung der Glasurschicht an den Isolator der Zündkerze erzielt wird. Ein Abplatzen oder sonstige Beschädigung der Zündkerze, kann hierdurch verhindert werden.
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Für die Ausbildung des guten Schichtverbundes ist die Temperaturführung essentiell. Insbesondere hat sich gezeigt, dass Temperaturen von weniger als 900 °C nicht zu einer in Umfangsrichtung der Zündkerze durchgehend ausgebildeten Stützschicht ohne Fehlstellen führen. Temperaturen von mindestens 900 °C bedingen jedoch die Bildung einer gleichmäßig homogenen und entlang des Umfanges des Isolators durchgehend ausgebildeten Stützschicht, die eine sehr hohe mechanische Stabilität der Zündkerze bewirkt.
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Das Verfahren ist einfach und ohne hohen technischen Aufwand umsetzbar.
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Eine Stützschicht mit sehr gutem Schichtverbund zum Isolator und der Glasurschicht kann durch die vorteilhafte Weiterbildung erzielt werden, in der der Isolator keramisches Al2O3 umfasst, und die Dispersion ZnO in einem Gehalt von 0,4 bis 20 Masse%, bezogen auf die Gesamtmasse der Dispersion, enthält. Durch die vorstehend angegebene Temperaturführung wird eine Stützschicht gebildet, die Al2O3 und ZnO enthält, wobei die Gesamtmasse an Al2O3 und ZnO in der Stützschicht mehr als 50 Masse%, bezogen auf die Gesamtmasse der Stützschicht, beträgt.
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Eine besonders große und gleichmäßig ausgebildete Schichtdicke der Stützschicht lässt sich insbesondere dadurch erzielen, dass die Dispersion bei einer Temperatur von 1050 bis 1100 °C gebrannt wird. Hierdurch sind Schichtdicken insbesondere in einem Bereich von 1 µm bis 20 µm und insbesondere von 5 µm bis 15 µm, erhältlich.
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Eine weitere Stabilitätsverbesserung der Zündkerze kann durch die vorteilhafte Weiterbildung erzielt werden, in der das Verfahren einen Schritt des Temperns nach dem Brennen der Dispersion umfasst. Das Tempern kann insbesondere auch zum Verbinden eines elektrisch leitfähigen Innenlebens der Zündkerze mit dem Isolator nach dem Brennen der Glasurschicht verwendet werden. Die Temperatur während des Temperns beträgt dabei weniger als 1000 °C. Dadurch wird die Ausbildung der Stützschicht nicht weiter beeinträchtigt und die elektrisch leitfähigen Komponenten des Innenlebens nehmen keinen Schaden. Zwischen dem Brennen der Glasurschicht und dem Tempern wird die Zündkerze insbesondere auf eine Temperatur unter 100 °C und insbesondere auf Raumtemperatur, also auf ca. 25 °C, abgekühlt.
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Zur individuellen Kennzeichnung der Zündkerze kann das Verfahren ferner vorteilhaft einen Schritt des Aufbringens einer farbigen Schicht auf die Glasurschicht umfassen, wobei die farbige Schicht vor dem Tempern aufgebracht wird.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 eine schematische, teilweise geschnittene Ansicht einer Zündkerze gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und
- 2 eine mikroskopische Schnittansicht eines Schichtverbunds Isolator/Stützschicht/Glasurschicht einer Zündkerze gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Ausführungsform der Erfindung
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Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst die Zündkerze 1 eine Masseelektrode 2 und eine Mittelelektrode 3. Ein Isolator 4 ist derart vorgesehen, dass die Mittelelektrode 3 in bekannter Weise etwas vom Isolator 4 vorsteht. Der Isolator 4 selbst ist teilweise von einem Gehäuse 5 umgeben. Das Bezugszeichen 6 bezeichnet eine elektrische Anschlussmutter. Von der elektrischen Anschlussmutter 6 ist eine elektrisch leitfähige Verbindung über einen Anschlussbolzen 7 und ein aus einem leitfähigen Glas hergestelltes Verbindungselement 8 zur Mittelelektrode 3 vorgesehen. Die Zündkerze ist in einen Zylinderblock 10 eines Kraftfahrzeugs eingebaut.
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Der Isolator 4 ist im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet, mit wechselnden Zylinderdurchmessern. Der Isolator 4 hat insbesondere einen größeren Außendurchmesser als ein Isolatorfuß 13. Der Übergang zwischen Isolatorfuß 13 und Isolator 4 ist als Schulter oder Kehle ausgebildet. Dieser Übergang wird auch als Isolatorkehle 9 oder Isolatorsitz bezeichnet. Mit anderen Worten weist der Isolator 4 eine Isolatorkehle 9 auf, an der sich der Durchmesser des Isolators 4 zum Isolatorfuß 13 vergrößert.
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Der Isolator 4 hat in diesem Bereich der Isolatorkehle 9 eine Krümmung, die Kerbeinwirkungen unterliegt, die zum Abplatzen einer auf den Isolator 4 aufgebrachten Glasurschicht 11 sowie zur Destabilisierung der Zündkerze 1 führen kann, insbesondere bei thermischer und mechanischer Belastung. Die Glasurschicht 11 ist eine keramische Glasurschicht 11 und wird aus einer Dispersion gebildet, die an entsprechenden Bereichen entlang der Längsachse X-X der Zündkerze 1 abschnittsweise auf den Isolator 4 und entlang einer Umfangsrichtung U der Zündkerze 1 durchgehend entlang des Isolators 4 vorgesehen ist.
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Die Glasurschicht 11 umfasst insbesondere 1,1 Masse% bis 3,2 Masse% Li2O, 0,1 Masse% bis 2,8 Masse% Na2O, 0,7 Masse% bis 4,7 Masse% K2O, 0 Masse% bis 2,2 Masse% MgO, 2,0 Masse% bis 8,2 Masse% CaO, 0 Masse% bis 2,0 Masse% SrO, 0 Masse% bis 7,3 Masse% BaO, 4,1 Masse% bis 10,5 Masse% Al2O3, 0,4 Masse% bis 13,6 Masse% ZnO, 23,0 Masse% bis 33,3 Masse% B2O, 0 Masse% bis 2,2 Masse% F und SiO2 als Rest.
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Zwischen dem Isolator 4 und der Glasurschicht 11 ist in Umfangsrichtung U der Zündkerze 1 durchgehend eine Stützschicht 12 vorhanden, die stoffschlüssig mit dem Isolator 4 und der Glasurschicht 11 in Verbindung steht.
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Die Stützschicht 12 wird während des Brennens der Dispersion zur Herstellung der Glasurschicht 11 bei einer Temperatur von 900 bis 1150 °C für einen Zeitraum von maximal vier Stunden gebildet. Die Stützschicht 12 bildet sich durchgängig und ohne Fehlstellen in Umfangsrichtung U der Zündkerze 1 zwischen dem Isolator 4 und der Glasurschicht 11 aus, wodurch ein sehr guter Schichtverbund zwischen diesen Schichten erzielt und die Stabilität der Zündkerze 1 erhöht wird. Sowohl der Isolator 4, also auch die Stützschicht 12 und auch die Glasurschicht 11 sind insbesondere von keramischer Struktur. Die Stützschicht 12 geht aus Komponenten des Isolators, insbesondere Al2O3, und Komponenten der Glasurschicht, wie insbesondere SiO2, ZnO und Bor, hervor, wodurch eine sehr gute Verbindungsbildung zwischen den Schichten erzielt wird.
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Die Schichtdicke S der Stützschicht 12, die senkrecht zur Längsachsel X-X der Zündkerze 1 gemessen wird, beträgt insbesondere 1 µm bis 20 µm.
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2 ist eine mikroskopische Schnittansicht eines Schichtverbundes Isolator 4/Stützschicht 12/Glasurschicht 11 einer Zündkerze gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Zu erkennen ist, dass die Stützschicht 12 durchgängig zwischen Isolator 4 und Glasurschicht 11 ausgebildet ist, und zwar mit einer gleichmäßig hohen Schichtdicke. Hierdurch wird eine sehr gute mechanische Stabilität der Zündkerze erhalten.
