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Querverweis auf verwandte Anmeldungen
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Diese Anmeldung beansprucht den Vorteil der am 6. Dezember 2010 eingereichten vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 61/420,127, die hierin durch Bezugnahme in vollem Umfang aufgenommen ist.
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Hintergrund
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Allgemein weisen Zündkerzen eine Isolierhülse mit einer mittigen axialen Bohrung auf, durch die sich eine Mittelelektrode erstreckt. Die Isolierhülse ist innerhalb eines Metallmantels positioniert und daran befestigt, der als Montageplattform und Schnittstelle zu einem Verbrennungsmotor dient. Die Metallhülse haltert ferner eine Masseelektrode, die bezüglich der Mittelelektrode so in einem bestimmten Abstandsverhältnis positioniert ist, dass ein Elektrodenabstand erzeugt ist. Die Isolierhülse weist einen geformten Spitzenabschnitt auf, der sich in einem ausgesparten Endabschnitt des Metallmantels befindet. Der geformte Spitzenabschnitt ist so ausgebildet, dass er die Elektrode gegen Motorwärme und Verbrennungsprodukte schützt. Die Zündkerze ist üblicherweise an einem Motorzylinderkopf angebracht und wird gezielt aktiviert, um ein Kraftstoff-Luft-Gemisch in einem zugehörigen Motorzylinder zu zünden.
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Mit der Zeit lagern sich Verbrennungsprodukte oder Verbrennungsrückstände um die Mittelelektrode und insbesondere den geformten Spitzenabschnitt herum ab. Diese Ablagerung von Verbrennungsprodukten hemmt die Funkenbildung über den Elektrodenabstand. Bei einer erheblichen Ablagerung von Verbrennungsprodukten kann die Zündkerze verrußen, und dies kann zu Zündaussetzern führen, d. h. die Verbrennungsprodukte verhindern vollständig, dass sich der Funke zwischen der Mittel- und der Masseelektrode bildet. Die Ablagerung von Verbrennungsrückständen ist während Kaltstarts besonders problematisch. Während Kaltstarts wird selten eine vollständige Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemischs erreicht, was zu einer vermehrten Entstehung elektrisch leitfähiger Verbrennungsrückstände führt. Als Folge ständiger Kaltstarts lagern sich elektrisch leitfähige Verbrennungsrückstände ab, was zu einem elektrischen Kurzschluss zwischen der Mittelelektrode und dem elektrisch geerdeten Abschnitt der Zündkerze führt.
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Bisherige Versuche, die Probleme der Ablagerung von Verbrennungsrückständen anzugehen, wurden u. a. mit Siliconölbeschichtungen und der Abscheidung von partikelförmigem Vanadiumoxid auf der Isolierhülse unternommen. Diese Beschichtungen sind dem Problem nicht angemessen begegnet – sie zeigen eine unzureichende Leistung bei erhöhter Temperatur, unzureichende Beständigkeit oder unzureichende Verminderung der Ablagerung von Verbrennungsrückständen.
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Dementsprechend besteht ein Bedarf an einer Zündkerze mit einer verringerten Anfälligkeit gegenüber der Ablagerung elektrisch leitfähiger Verbrennungsrückstände in der Isolierhülse.
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Kurze Beschreibung
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Hierin offenbart ist eine Zündkerze mit einer Isolierhülse, die eine mittige axiale Bohrung und eine Außenfläche aufweist, und einer Mittelelektrode, die sich durch die mittige axiale Bohrung der Isolierhülse erstreckt. Die Isolierhülse ist innerhalb eines Metallmantels positioniert und daran befestigt, der als Montageplattform und Schnittstelle zu einem Verbrennungsmotor dient. Die Metallhülse haltert ferner eine Masseelektrode, die bezüglich der Mittelelektrode so beabstandet positioniert ist, dass ein Elektrodenabstand erzeugt ist. Die Isolierhülse weist einen geformten Spitzenabschnitt auf, der sich in einem ausgesparten Endabschnitt des Metallmantels befindet. An der Außenfläche der Isolierhülse ist eine Beschichtung angeordnet. Die Beschichtung umfasst ein Siliconharz, optional in Kombination mit einem Füllstoff.
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Ferner offenbart hierin sind Verfahren zur Herstellung der beschichteten Isolierhülse sowie eine Zündkerze mit der beschichteten Isolierhülse.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine Seitenansicht einer Zündkerze, teilweise im Querschnitt gezeigt.
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2 ist ein Diagramm, in dem das Ergebnis der Kleinmotorzündkerzenprüfung gezeigt ist.
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Ausführliche Beschreibung
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Die Beschichtung, die ein Siliconharz umfasst, wie hierin beschrieben, ist eine im Wesentlichen durchgehende Beschichtung. Mit einer im Wesentlichen durchgehenden Beschichtung, wie hierin definiert, ist eine Beschichtung bezeichnet, die keine für das bloße Auge sichtbaren Spalten oder Lücken hat und die Außenfläche der Isolierhülse abdeckt. Die Beschichtungsdicke kann 1 bis 20 Mikrometer oder insbesondere 1 bis 15 Mikrometer betragen.
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Siliconharze sind stark verzweigte Polymere mit dreidimensionalem Gerüst, die vernetzt sind. Sie können wahllos geordnete, hauptsächlich trifunktionelle Einheiten umfassen. Siliconharze können von reaktiven Harzen mit verhältnismäßig geringer relativer Molekülmasse bis zu Materialien mit hoher relativer Molekülmasse reichen, die ganz unterschiedliche Strukturen haben. Siliconharze unterscheiden sich von Siliconfluiden(-ölen) darin, dass Siliconfluide lineare, unvernetzte Polymere sind, die üblicherweise Dimethylsiloxan-Einheiten umfassen.
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Das Siliconharz kann eine Zersetzungstemperatur haben, die größer oder gleich 500°C oder insbesondere größer oder gleich 510°C oder insbesondere größer oder gleich 525°C beträgt.
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Das Siliconharz kann vernetzt (ausgehärtet) oder aushärtbar sein. Wenn das Siliconharz aushärtbar ist, kann es unter Verwendung von Umgebungsfeuchtigkeit oder eines Härtungskatalysators wie etwa Zink- oder Zinn(II)-octoat, aminofunktionalisierten Silanestern oder Mischungen davon ausgehärtet werden.
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Zu beispielhaften Siliconharzen gehören SR355, SR141, Baysilone M 120 XB und Silblock WA, die von der Momentive Performance Materials erhältlich sind, sowie Dow Corning® 233, Dow Corning® 840 und Dow Corning® 805, die von der Dow Corning erhältlich sind.
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Wie oben erwähnt, kann die Beschichtung optional einen anorganischen Füllstoff aufweisen. Der Füllstoff kann so gewählt werden, dass er eine Zersetzungstemperatur hat, die größer oder gleich 500°C oder insbesondere größer oder gleich 510°C oder insbesondere größer oder gleich 525°C beträgt. Der Füllstoff kann ferner so gewählt werden, dass er eine durchschnittliche Teilchengröße (wie von der größten Längenabmessung bestimmt) von kleiner oder gleich 13 Mikrometern hat. Innerhalb dieses Bereichs kann die durchschnittliche Teilchengröße 5 Nanometer bis 10 Mikrometer betragen. Der Füllstoff kann auch so gewählt werden, dass er ein Längen-Breiten-Verhältnis (Seitenverhältnis) von größer als 1 oder insbesondere größer oder gleich 2 oder insbesondere größer oder gleich 3 hat.
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Zu beispielhaften Füllstoffen gehören Siliciumdioxid, pyrogene Kieselsäure, hydrophile pyrogene Kieselsäure, Eisenglimmer, Wollastonit, organomineralischer Ton, Naturton, Aluminiumoxid sowie Kombinationen aus diesen.
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Die Beschichtung wird gebildet, indem zuerst eine Dispersion oder Lösung des Siliconharzes bzw. des Siliconharzes und des Füllstoffs gebildet wird. Zu zweckmäßigen Trägern für die Dispersionen gehört Wasser. Zu zweckmäßigen Lösungsmitteln für Lösungen gehören unpolare aromatische Lösungsmittel wie etwa Toluol, Benzol, Xylol und dergleichen. Die Dispersion oder Lösung kann bis zu 10 Gewichtsprozent des Siliconharzes, bezogen auf das Gesamtgewicht der Dispersion oder Lösung, umfassen. Innerhalb dieses Bereichs kann die Menge an Siliconharz in der Dispersion oder Lösung 0,5 bis 10 Gewichtsprozent oder insbesondere 1 bis 5 Gewichtsprozent betragen. Die Dispersion oder Lösung kann, bezogen auf das Gesamtgewicht der Dispersion oder Lösung, bis zu 10 Gewichtsprozent des anorganischen Füllstoffs umfassen. Innerhalb dieses Bereichs kann die Menge an anorganischem Füllstoff in der Dispersion oder Lösung 0,5 bis 10 Gewichtsprozent oder insbesondere 1 bis 5 Gewichtsprozent betragen. Die Menge an Siliconharz und die Menge an anorganischem Füllstoff kann, auf Gewichtsprozent bezogen, gleich sein. Die Dispersion oder Lösung kann zum Beispiel, bezogen auf das Gesamtgewicht der Aufschlämmung oder Lösung, 2,5 Gewichtsprozent Siliconharz und 2,5 Gewichtsprozent anorganischen Füllstoff umfassen.
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Die Dispersion bzw. Lösung wird auf die Isolierhülse einer Zündkerzenbaugruppe aufgebracht. Eine Zündkerzenbaugruppe umfasst eine Isolierhülse, eine Mittelelektrode, einen Widerstand und ein Anschlussbolzenende. Die Dispersion bzw. Lösung kann mittels jedes geeigneten Verfahrens wie etwa Anstreichen, Tauchbeschichten, Spritzbeschichten und dergleichen aufgebracht werden. Eine auf die Mittelelektrode aufgebrachte Beschichtung kann mittels eines geeigneten Verfahrens entfernt werden.
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Die aufgebrachte Dispersion bzw. Lösung lässt man unter einem Luftstrom bei Raumtemperatur wenigstens 15 Minuten oder insbesondere 1 bis 4 Stunden lang lufttrocknen. Das Lufttrocknen ermöglicht eine wenigstens teilweise Verdunstung flüchtiger Lösungsmittel, wenn diese gebraucht sind, sowie die Einführung von Feuchtigkeit, wenn dies für die Vernetzung wichtig ist. Nach dem Lufttrocknen wird die Baugruppe dann 30 Minuten bis 60 Stunden lang oder insbesondere 1 bis 4 Stunden lang bei einer erhöhten Temperatur, wie etwa 100 bis 150°C, behandelt. Die Zeitdauer bei der erhöhten Temperatur sollte so gewählt werden, dass sie zur Bildung einer Beschichtung ohne Kanteneffekte, Hautbildung oder Rissbildung ausreichend ist. Nach der Behandlung bei einer erhöhten Temperatur wird die Aushärtung des Siliconharzes 30 bis 90 Minuten lang bei einer Temperatur von 300 bis 450°C vervollständigt.
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Eine beispielhafte Zündkerze ist in 1 gezeigt. Die Zündkerze 1 weist einen Metallmantel 2, eine Masseelektrode 3, eine Mittelelektrode 5, eine Isolierhülse 6, einen geformten Spitzenabschnitt der Isolierhülse 61 sowie eine auf der Isolierhülse angeordnete Beschichtung 7 auf.
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Die Erfindung wird durch die folgenden, nicht einschränkenden Beispiele weiter veranschaulicht.
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Dünne Schichten Prüfmaterialien/-beschichtungen wurden auf Aluminiumoxid- oder Glassubstratstreifen vorbereitet und 15 Minuten lang auf Solltemperaturen erwärmt. Die Menge an Füllstoff im Verhältnis zu der Menge an Siliconharz ist in der Tabelle gezeigt. Beispielsweise bedeutet eine Menge von 0,2X, dass die Masse des Füllstoffs 0,2 mal die Masse des Siliconharzes betrug. Somit bedeutet „1X”, dass die Masse des Füllstoffs und die Masse des Siliconharzes gleich waren. Die Streifen wurden dann aus dem Muffelofen entnommen, und man ließ sie auf Raumtemperatur abkühlen. Ein Wassertröpfchen wurde auf den beschichteten Bereich gesetzt und die Hydrophobizität optisch geschätzt. Dann wurden die Objektträger auf die in der Tabelle gezeigte nächsthöhere Temperatur erwärmt (50°C-Steigerungen). Das Protokoll wurde bis zur maximalen Temperatur wiederholt – in der Regel bis zu 600°C. Ergebnisse sind in den folgenden Tabellen gezeigt.
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Im Unterschied zu der mit dem gleichen Siliconharz ohne einen anorganischen Füllstoff hergestellten Beschichtung führte die Einbeziehung des anorganischen Füllstoffs (pyrogene Kieselsäure) zu einer Beschichtung mit einem erhöhten Wasserkontaktwinkel. Der Kontaktwinkel zeigt die Hydrophobizität der Beschichtung an. Ein höherer Wasserkontaktwinkel bedeutet größere Hydrophobizität. Es wird davon ausgegangen, dass eine höhere Hydrophobizität aufgrund der Rolle, die Feuchtigkeit bei diesem Prozess spielt, die Bildung leitfähiger Verbrennungsprodukte stört.
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Siliconharz ohne anorganischen Füllstoff
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Siliconharzbeschichtung SR141 wurde als Lösung mit 40 bis 60 Gewichtsprozent Feststoffen in Toluol geliefert. Die Vorratslösung wurde mit Toluol so verdünnt, dass sie eine Arbeitsbeschichtungslösung ergab, die 2,5 Gewichtsprozent Feststoff, bezogen auf das Gesamtgewicht der Lösung, enthielt.
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Die Spitze der Zündkerzenbaugruppe, die mit dem Verbrennungsraum in Berührung kommen wird, wurde in der Siliconharzlösung wie folgt tauchbeschichtet:
- 1. Der Bereich des Isolators, bei dem die Behandlung mit Siliconharz erforderlich war, wurde in die verdünnte Siliconharzlösung eingetaucht.
- 2. Nachdem die Spitze vollständig mit der Lösung benetzt worden war, wurde sie bei einer mittleren Geschwindigkeit (~1 Sekunde) nach oben aus der Lösung herausgezogen.
- 3. Dann ließ man die benetzten Spitzen unter einem Luftstrom (Lufteinströmgeschwindigkeit etwa 100 Fuß pro Minute (FPM) bei Raumtemperatur 1 bis 4 Stunden lang trocknen.
- 4. Die lufttrockenen Spitzen wurden dann in einem Konvektionsofen 1 bis 4 Stunden lang bei 120°C erwärmt.
- 5. Die beschichteten Spitzen wurden dann in einem Ofen über eine Dauer von einer Stunde auf eine Temperatur von 350°C erwärmt.
- 6. Die beschichtete Baugruppe wurde dann dazu verwendet, eine vollständige Zündkerze zu bauen.
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Siliconharz mit anorganischem Füllstoff
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Es wurde festgestellt, dass die Verwendung einiger anorganischer Füllstoffe die Beschichtung wärmebeständiger werden ließ (konnte höheren Temperaturen ausgesetzt werden), und auch, dass sich die natürliche Hydrophobizität des Siliconharzes erhöhte.
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Siliconharzbeschichtung SR141 wurde als Lösung mit 40 bis 60 Gewichtsprozent Feststoffen in Toluol geliefert. Die Vorratslösung wurde mit Toluol so verdünnt, dass sie eine Arbeitsbeschichtungslösung ergab, die 2,5 Gewichtsprozent Feststoff, bezogen auf das Gesamtgewicht der Lösung, enthielt.
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Pyrogene Kieselsäure wurde von der Sigma Chemical in Form eines trockenen, sehr flockigen Pulvermaterials mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 7 Nanometern und einem Flächeninhalt von 390 +/– 40 m2/g erhalten. Pyrogene Kieselsäure wurde der Lösung in einer Gewichtsmenge, die gleich der Gewichtsmenge an Siliconharz in der im vorhergehenden Absatz beschriebenen Lösung war, zugesetzt und bei Raumtemperatur über eine Dauer von wenigstens 16 Stunden lang gemischt, um die pyrogene Kieselsäure vollständig zu benetzen und zu dispergieren. Es wurde auch ein Vernetzungs-/Dispersionszusatzstoff (Aminopropyltrimethoxysilan, von Momentive) in einer äquivalenten Menge zugesetzt.
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Die Spitze der Zündkerzenbaugruppe, die mit dem Verbrennungsraum in Berührung kommen soll, wurde in der Siliconharzlösung wie folgt tauchbeschichtet:
- 1. Der Bereich des Isolators, bei dem die Behandlung mit Siliconharz erforderlich war, wurde in die verdünnte Siliconharzlösung, die anorganischen Füllstoff enthielt, eingetaucht.
- 2. Nachdem die Spitze vollständig mit der Mischung benetzt worden war, wurde sie bei einer mittleren Geschwindigkeit (~1 Sekunde) nach oben aus der Mischung herausgezogen.
- 3. Dann ließ man die benetzten Spitzen unter einem Luftstrom (Lufteinströmgeschwindigkeit etwa 100 Fuß pro Minute (FPM) bei Raumtemperatur 1 bis 4 Stunden lang trocknen.
- 4. Die lufttrockenen Spitzen wurden dann in einem Konvektionsofen 1 bis 4 Stunden lang bei 120°C erwärmt.
- 5. Die beschichteten Spitzen wurden dann in einem Ofen über eine Dauer von einer Stunde auf eine Temperatur von 350°C erwärmt.
- 6. Die beschichtete Baugruppe wurde dann dazu verwendet, eine vollständige Zündkerze zu bauen.
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Die mit Siliconharz bzw. einer Kombination aus Siliconharz und Füllstoff beschichteten Zündkerzen wurden in einem Kleinmotor (einem Motor mit 5 PS aus einer Tecumseh-Hackschnitzelmaschine) auf ihr Betriebsverhalten hin geprüft. Die Prüfung wurde in einem Freifeldtestgebiet unter Anwendung von Umgebungsbedingungen im Freien (25–90+°F, ungesteuerte Feuchtigkeit) durchgeführt. Der Motor wurde überwiegend fett betrieben. Der Motor lief 1–5 Minuten lang, und die Abkühldauer zwischen Läufen betrug in der Regel 15 Minuten. Der Nebenschlusswiderstand wurde nach jedem Betriebszyklus gemessen. Ergebnisse sind in der 2 gezeigt.
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Die Erfindung ist zwar mit Bezug auf eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben worden, dem Fachmann ist jedoch verständlich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen und Elemente davon durch Äquivalente ersetzt werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Außerdem können viele Abänderungen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation bzw. ein bestimmtes Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne von deren wesentlichem Umfang abzuweichen. Daher soll die Erfindung nicht auf die bestimmte Ausführungsform beschränkt sein, die als die in Betracht gezogene beste Art zur Ausführung dieser Erfindung offenbart ist, sondern soll sämtliche Ausführungsformen einschließen, die unter den Umfang der angehängten Ansprüche fallen.
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Alle hierin offenbarten Bereiche schließen die Endpunkte ein, und die Endpunkte sind miteinander kombinierbar.
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Alle genannten Patente, Patentanmeldungen und andere Literaturhinweise sind durch Bezugnahme in vollem Umfang hierin aufgenommen.
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Die Begriffe „ein” und „eine” und „die”, „der”, „das” sowie ähnliche Bezugsbegriffe im Kontext des Beschreibens der Erfindung (besonders im Kontext der folgenden Ansprüche) sind in ihrer Verwendung so auszulegen, dass sie sowohl Singular und Plural abdecken, sofern hierin nicht anderweitig angegeben oder dies durch den Kontext nicht eindeutig im Widerspruch dazu steht. Weiterhin sollte ferner beachtet werden, dass die Begriffe „erster”, „zweiter” und dergleichen hierin keine Reihenfolge, Menge oder Bedeutung bezeichnen, sondern vielmehr zur Unterscheidung eines Elements von einem anderen verwendet werden.
