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Hintergrund der Erfindung
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Der hierin offenbarte Gegenstand betrifft eine Zündkerze und insbesondere einen Isolator einer Zündkerze.
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Zündkerzen, die als Zünder bei einem Verbrennungsmotor zum Einsatz kommen, sind einem Umstand ausgesetzt, der als „Verrußung” bekannt ist. Mit der Zeit können sich Kohlenstoff und andere Verbrennungsprodukte an der Oberfläche der Isolatorspitze ansammeln, die üblicherweise an oder nahe der Grenze von unvermischtem Kraftstoff positioniert ist. Zu den Verbrennungsprodukten eines Benzinmotors gehören Kraftstoffzusatzkomponenten wie etwa Methylcyclopentadienylmangantricarbonyl (MMT) und Ferrocen, die Benzin oft zur Erhöhung der Oktanzahl zugegeben werden. Da die freiliegende Oberfläche der Isolatorspitze nicht im oder um den Elektrodenabstand gelegen ist, wird Verbrennungsruß, der sich angesammelt hat, eventuell nicht abgebrannt. Wenn sich signifikante Mengen dieser Verbrennungsprodukte ansammeln, bildet sich der Funke eventuell nicht richtig zwischen der Mittel- und der Masseelektrode aus. Durch die Verbrennungsprodukte, die sich angesammelt haben, wird ein elektrischer Kurzschluss erzeugt, derart, dass die Ladung von der Mittelelektrode über die Oberfläche des Isolators und zurück zum äußeren Metallmantel läuft.
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Dementsprechend bleibt, obwohl vorhandene Zündkerzen für ihren Verwendungszweck geeignet sind, der Bedarf an Verbesserung bestehen, insbesondere bei der Schaffung einer Zündkerze, die beständiger gegenüber Verrußung ist, die durch die Ansammlung von Verbrennungsprodukten auf der Isolatorspitze bedingt ist.
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Kurze Beschreibung der Erfindung
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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, der als Montageplattform und Schnittstelle zu einem Verbrennungsmotor dient, positioniert und daran befestigt. Der Metallmantel 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. Auf der Außenfläche der Isolierhülse ist eine Glasurbeschichtung angeordnet. Die Glasurbeschichtung umfasst ein Silicatglas, ein Phosphorglas, ein Borsilicatglas oder eine Kombination aus den vorgenannten Gläsern, wobei die Gläser einen Modifikator umfassen, der aus der aus der Gruppe der Alkalimetalle, der Gruppe der Erdalkalimetalle, Aluminium sowie Kombinationen aus zwei oder mehreren der vorgenannten Modifikatoren bestehenden Gruppe ausgewählt ist, und wobei ferner die Glasurbeschichtung eine Glasübergangstemperatur (Tg) von 300 bis 1000°C hat.
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Ferner hierin offenbart sind Verfahren zur Herstellung der Zündkerze mit der beschichteten Isolierhülse.
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Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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Die Glasurbeschichtung, wie sie hierin beschrieben ist, kann eine durchgehende oder eine nicht durchgehende Beschichtung sein. Die Glasurbeschichtung kann anfangs durchgehend sein (d. h. mit bloßem Auge sind keine Spalten oder Lücken erkennbar), aber bei Verwendung können sich Spalten und/oder Lücken entwickeln. Bei einer Ausführungsform ist die Glasurbeschichtung durchgehend und bildet ein Band um die Isolierhülse. Das Band befindet sich 0,1 bis 5 Millimeter (mm) vom oberen Rand der Isolierhülse. Der obere Rand der Isolierhülse ist der Rand, der der Mittelelektrode am nächsten liegt, die durch die mittlere Bohrung der Isolierhülse ragt. Das Glasurbeschichtungsband kann eine Breite von 1 bis 20 mm haben. Die Breite des Bandes kann von der Isolatorkonstruktion abhängen und kann vom Fachmann bestimmt werden. Es wird in Betracht gezogen, dass mehrere Bänder verwendet werden können. Die Glasurbeschichtungsdicke kann 1 bis 500 Mikrometer oder insbesondere 10 bis 100 Mikrometer betragen.
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Ohne an eine Theorie gebunden zu sein, wird angenommen, dass die Glasurbeschichtung die Adhäsion von MMT-Ablagerungen auf der Zündkerze verhindert und/oder verringert. Die Glasurbeschichtung kann auch eine Oberfläche ergeben, die beständiger gegenüber einer Verfärbung durch schwarzen Ruß und daher möglicherweise beständiger gegenüber einer Verrußung durch/Ablagerung von Kohlenstoffruß als die unbehandelte Isolierhülse ist. Die Glasurbeschichtung kann wirken, indem die MMT-Ablagerung in der Glasurbeschichtung aufgelöst wird, wodurch eine Adhäsion der MMT-Ablagerung an der Isolierhülse verhindert und/oder vermindert wird und die elektrische Leitfähigkeit verglichen mit einer unbehandelten Hülse mit einer entsprechenden Menge an MMT-Ablagerung verringert oder beseitigt wird (der elektrische Widerstand zunimmt). Dieser Ansatz zur Lösung des Problems der MMT-Ablagerungen wird durch mehrere Faktoren verkompliziert, einschließlich der Tatsache, dass die Zusammensetzung der MMT-Ablagerung entlang der Länge der Zündkerze verschieden ist und die MMT-Ablagerung dann, wenn sie sich in der Glasurbeschichtung auflöst, die Zusammensetzung und die Eigenschaften der Glasurbeschichtung verändert. Zu anderen Herausforderungen bei der Lösung des Problems der MMT-Ablagerungen gehört die Minimierung der Flüchtigkeit der Glasurbeschichtung bei der Betriebstemperatur der Zündkerze, verbunden damit, dass eine Glasurbeschichtungszusammensetzung mit einer Glasübergangstemperatur vorliegt, die dazu geeignet ist, zur Solvatisierung der MMT-Ablagerung beizutragen. Darüber hinaus muss die Viskosität der Glasurbeschichtung bei der Betriebstemperatur der Zündkerze so angemessen sein, dass verhindert ist, dass die Glasurbeschichtung an eine unerwünschte Stelle auf der Zündkerze verrutscht. Der Begriff „MMT-Ablagerung”, wie er hierin verwendet wird, bezieht sich auf die Zusammensetzung, die sich bei einem Motor, bei dem Benzin mit MMT verwendet wird, auf der Zündkerze ablagert.
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Die Glasurbeschichtung umfasst ein Silicatglas, ein Phosphorglas, ein Borsilicatglas oder eine Kombination aus den vorgenannten modifizierten Gläsern, wobei die Gläser einen Modifikator umfassen, der aus der aus der Gruppe der Alkalimetalle, der Gruppe der Erdalkalimetalle, Aluminium sowie einer Kombination aus zwei oder mehreren der vorgenannten Modifikatoren bestehenden Gruppe ausgewählt ist, und wobei ferner die Glasurbeschichtung eine Glasübergangstemperatur (Tg) von 300 bis 1000°C hat. Innerhalb dieses Bereichs kann die Tg größer oder gleich 450°C sein. Ebenfalls innerhalb dieses Bereichs kann die Tg kleiner oder gleich 950°C sein. Bei einer Ausführungsform umfasst die Glasur ein Phosphorglas, ein Borsilicatglas oder eine Kombination daraus, wobei das Glas einen Modifikator umfasst, der aus der aus der Gruppe der Alkalimetalle, der Gruppe der Erdalkalimetalle, Aluminium sowie einer Kombination aus zwei oder mehreren der vorgenannten Modifikatoren bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
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Wie oben erwähnt, kann die Glasurbeschichtung wahlweise einen anorganischen Füllstoff aufweisen. Der Füllstoff kann so gewählt sein, dass er eine Zersetzungstemperatur hat, die größer oder gleich 1200°C oder insbesondere größer oder gleich 1400°C beträgt. Der Füllstoff kann auch so gewählt sein, dass er eine durchschnittliche Teilchengröße (wie von der größten Längenabmessung bestimmt) von kleiner oder gleich 13 Mikrometer hat. Innerhalb dieses Bereichs kann die durchschnittliche Teilchengröße 5 Nanometer bis 10 Mikrometer betragen.
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Zu beispielhaften Füllstoffen gehören Siliciumdioxid, pyrogene Kieselsäure, hydrophile pyrogene Kieselsäure, Wollastonit, organomineralischer Ton, Naturton, Aluminiumoxid sowie Kombinationen aus diesen.
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Die Glasurbeschichtung hat eine Tg von 300 bis 1000°C. Innerhalb dieses Bereichs kann die Erweichungstemperatur größer oder gleich 450°C sein. Ebenfalls innerhalb dieses Bereichs kann die Erweichungstemperatur kleiner oder gleich 950°C sein.
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Die Glasurbeschichtung wird gebildet, indem eine Dispersion der Glasurbeschichtungskomponenten aufgetragen wird. Zu zweckmäßigen Trägern für die Dispersion gehören Wasser, Alkohol, Testbenzin, Aceton und dergleichen. Die Dispersion wird auf die Isolierhülse einer Zündkerzenbaugruppe aufgebracht. Eine Zündkerzenbaugruppe umfasst eine Isolierhülse, eine Mittelelektrode, einen Widerstand und ein Anschlussbolzenende. Die Dispersion 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 lässt man bei Raumtemperatur, optional unter einem Luftstrom, wenigstens 15 Minuten oder insbesondere 1 bis 4 Stunden lang lufttrocknen. Nach dem Lufttrocknen wird die Baugruppe dann 20 Minuten bis 5 Stunden lang oder insbesondere 0,5 bis 2 Stunden lang bei einer erhöhten Temperatur, wie etwa 650 bis 1100°C, behandelt. Die Zeitdauer bei der erhöhten Temperatur sollte so gewählt werden, dass sie zur Bildung einer Glasurbeschichtung ausreichend ist.
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Der spezifische elektrische Widerstand der Isolierhülse, die eine Glasurbeschichtung umfasst, kann vor der Verwendung in einem Motor größer oder gleich 1 × 106 Ohm/mm oder insbesondere größer oder gleich 1 × 107 Ohm/mm oder insbesondere größer oder gleich 2 × 107 Ohm/mm sein. Nach der Verwendung in einem Motor, der Benzin mit MMT verwendet, kann die Isolierhülse, die eine Glasurbeschichtung umfasst, einen spezifischen elektrischen Widerstand haben, der größer oder gleich 1 × 106 Ohm/mm beträgt.
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Die Erfindung wird durch die folgenden, nicht einschränkenden Beispiele weiter veranschaulicht.
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Beispiele
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Von Autolite erhältliche Isolierhülsen wurden mit einer Dispersion mit 22 Gewichtsprozent einer von drei Glasurbeschichtungen in Aceton beschichtet. Der Gewichtsprozentsatz bezieht sich auf das Gesamtgewicht der Dispersion. Die Glasurbeschichtungen sind in Tabelle 1 gezeigt. VIOX 17930 umfasst ein Silicatglas mit Al, B, Mg, Ca und Sr als Modifikatoren und ist von Viox im Handel erhältlich. Mod-3 umfasst ein Borsilicatglas mit Ba, Sr, Mg, Ca und Na als Modifikatoren und ist von Viox im Handel erhältlich. Die Glasurbeschichtung wurde als Band aufgetragen, beginnend etwa 1 mm vom oberen Rand der Isolierhülse entfernt bis zu der Stelle der Dichtung am Isolator. Die Isolierhülsen wurden dann 1 Stunde lang luftgetrocknet und danach auf 850°C erwärmt und 1 Stunde auf dieser Temperatur gehalten. Danach wurde die Isolierhülse zur Bildung einer Zündkerze mit den übrigen Elementen zusammengefügt. Die Zündkerzen wurden in einer beschleunigten Straßenprüfung getestet. Die Zündkerzen wurden in einem Großraum- bzw. Lieferfahrzeug in Betrieb genommen, das Benzin mit 36 Teilen pro Million MMT verwendet. Die Zündkerzen waren 3700 Meilen bzw. 6900 Meilen in Betrieb und wurden dann unter Anwendung einer Fostoria-Nebenschlusswiderstandsanalyse auf den spezifischen elektrischen Widerstand hin geprüft. Kontrollzündkerzen, die keine Glasurbeschichtung aufweisen, wurden ebenfalls geprüft. Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt. Die Nebenschlusswiderstände wurden zwischen der Mittelelektrode und dem Metallmantel der Zündkerze gemessen. Die Widerstandsmessungen wurden durchgeführt, nachdem die Zündkerzenbaugruppe 1 Stunde lang auf 300°C gehalten wurde. Tabelle 1
| Beispiel | Beschichtung | zurückgelegte Meilen | Nebenschlusswiderstand |
| Kontrolle A | keine | 3700 Meilen | 4,8 Gigaohm |
| Kontrolle B | keine | 6900 Meilen | 2,4 Gigaohm |
| 1 | 35 Gew.-% VIOX 17930/65 Gew.-% Mod-3 | 3700 Meilen | Größer als 11 Gigaohm |
| 2 | 35 Gew.-% VIOX 17930/65 Gew.-% Mod-3 | 6900 Meilen | nicht bestimmt |
| 3 | Mod-3 | 3700 | 5,9 Gigaohm |
| 4 | VIOX 17930 | 6900 | 4,6 Gigaohm |
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Wie aus den Ergebnissen in Tabelle 1 ersichtlich ist, wird durch das Vorhandensein einer Glasurbeschichtung der spezifische Widerstand der Isolierhülse bei Verwendung in einem Motor, der MMT enthaltendes Benzin verwendet, stark verbessert (erhöht).
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Die Erfindung ist zwar in Verbindung mit nur einer begrenzten Anzahl von Ausführungsformen ausführlich beschrieben worden, es sollte jedoch ohne weiteres verständlich sein, dass die Erfindung nicht auf diese offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist. Vielmehr kann die Erfindung so abgeändert werden, dass eine beliebige Anzahl Varianten, Änderungen, Ersetzungen bzw. äquivalente Anordnungen aufgenommen sind, die bislang nicht beschrieben sind, aber dem Geist und Umfang der Erfindung entsprechen. Zwar sind verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschrieben worden, es sollte jedoch außerdem klar sein, dass Aspekte der Erfindung nur einige der beschriebenen Ausführungsformen umfassen können. Dementsprechend soll die Erfindung nicht als durch die vorstehende Beschreibung beschränkt betrachtet werden, sondern ist nur durch den Umfang der angehängten Ansprüche beschränkt.