EP3192138A1 - Keramische zündkerzenisolator, zündkerze und verwendung einer glasur auf einem zündkerzenisolator - Google Patents

Keramische zündkerzenisolator, zündkerze und verwendung einer glasur auf einem zündkerzenisolator

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EP3192138A1
EP3192138A1 EP15739600.3A EP15739600A EP3192138A1 EP 3192138 A1 EP3192138 A1 EP 3192138A1 EP 15739600 A EP15739600 A EP 15739600A EP 3192138 A1 EP3192138 A1 EP 3192138A1
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EP
European Patent Office
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spark plug
insulator
surface area
plug insulator
glaze
Prior art date
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Application number
EP15739600.3A
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English (en)
French (fr)
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EP3192138B1 (de
Inventor
Klaus BUNDSCHUH
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Publication of EP3192138B1 publication Critical patent/EP3192138B1/de
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T13/00—Sparking plugs
    • H01T13/20—Sparking plugs characterised by features of the electrodes or insulation
    • H01T13/38—Selection of materials for insulation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T13/00—Sparking plugs
    • H01T13/02—Details
    • H01T13/08—Mounting, fixing or sealing of sparking plugs, e.g. in combustion chamber
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T13/00—Sparking plugs
    • H01T13/20—Sparking plugs characterised by features of the electrodes or insulation
    • H01T13/32—Sparking plugs characterised by features of the electrodes or insulation characterised by features of the earthed electrode

Definitions

  • the present invention relates to a ceramic spark plug insulator, a spark plug including the same, and a use of a glaze on a spark plug insulator.
  • the protagonistkehle is a portion of the spark plug insulator, in which the cross section is tapered or slimmed in the direction of Isolatorfußspitze. The protagonistkehle reflects the
  • the spark plug insulator which has a first length L A in the axial direction XX of the spark plug insulator, reduces open pores and depressions, such as occur during the grinding process of the insulator, are closed.
  • the length L A is defined as the maximum length in the axial direction XX of the spark plug insulator. This will be local
  • the glaze forms a kind of protective layer, which improves the strength of the spark plug insulator in mechanically stressed areas, such as e.g. the foot, increased.
  • mechanically stressed areas such as e.g. the foot
  • Cross section of the spark plug insulator can be reduced in the area of the foot and in the area adjacent to the contemplatkehle insulator areas.
  • a mechanical compressive stress can be built up, which leads to a partial pre-compensation of a tensile stress under the action of
  • the spark plug insulator comprises an adjacent second surface region B lying from the foot groove in the direction of the insulator head, with a second length L B defined in the axial direction XX of the spark plug insulator and an adjacent third adjacent to the root groove Surface area C with a third length L c defined in the axial direction XX of the spark plug insulator.
  • the lengths of the respective surface areas are respectively defined as maximum lengths in the axial direction XX of the spark plug insulator.
  • the second surface area B In order to avoid a notch formation in the area of the foot-surrounding area particularly effectively and thus to further improve the mechanical transverse loadability of the spark plug insulator, it is further advantageous for the second surface area B to have a glazed fourth surface area D adjacent to the foot-throat and a to the fourth
  • unglazed fifth surface area E includes.
  • Surface area D extends from the foot groove up to 4 mm and in particular up to 3 mm, in the direction of the insulator head of the
  • Surface region C comprises a glazed sixth surface region F adjacent to the footthorn having a sixth length L F and an unglazed seventh surface region G having a seventh length L G adjoining the sixth surface region F in the direction of an insulator foot tip, the lengths being in each case as maximum lengths in
  • Axial direction XX of the spark plug insulator are defined, and the following relation is satisfied: L F > L G.
  • the sixth length L F of the sixth surface region F satisfies the relation: 4 mm ⁇ L F (L A + L E + L F ) / 2, the lengths being respectively defined as maximum lengths in the axial direction XX of the spark plug insulator , In addition, shunts (gliding sparks) on the foot groove can be better avoided.
  • the installation area connects insulator head side to the contemplatkehle and thus has the second surface area B.
  • the installation area comprises a waistband and a collar height adjoining the waistband in the direction of the insulator head.
  • a waistband is understood to mean a region of the spark plug insulator which reduces in cross section in the direction of the insulator foot.
  • a collar height is the area of the spark plug insulator, which usually includes a hexagon, which facilitates the installation of the spark plug in an engine block.
  • the Bundiere thus represents one of the other, surrounding
  • Sections of the spark plug insulator in cross-section widened section are Sections of the spark plug insulator in cross-section widened section.
  • an eighth surface area H of the waistband facing the outside of the spark plug insulator also has a glaze.
  • the eighth surface area H not only has a surface area of the collar throat facing the outside of the spark plug insulator, ie the eighth surface area H, with an eighth length L H glaze, but also adjoins the waistband and thus the waistband in Direction of the insulator head adjacent, ninth
  • Waist height is thus glazed on a ninth length U.
  • Si0 2 37.0 to 46.0% by weight, preferably 37.0 to 44.0% by weight
  • B 2 O 3 12.0 to 28.0% by weight, preferably 17.5 to 23.0% by weight
  • Al 2 O 3 4.0 to 21, 0 wt .-%, preferably 8.5 to 16.0 wt .-%
  • ZnO 6.0 to 1 1, 4 wt .-%, preferably 7.8 to 1 1, 4 wt .-%
  • F 0.6 to 4 wt.%, Preferably 0.6 to 3.0 wt.%
  • Na 2 O 0.1 to 2.5 wt.%
  • K 2 0 0.5 to 4.5 wt .-%, preferably 3.0 to 4.5 wt .-%
  • CaO 1, 8 to 6 wt .-%, preferably 2.1 to 4.2 wt .-%
  • a layer thickness of the glaze is on average 5 to 40 ⁇ m and in particular 7 to 25 ⁇ m.
  • Also according to the invention is also a spark plug for a
  • An internal combustion engine comprising a metallic housing, a center electrode, at least one ground electrode disposed on the housing, and a ceramic spark plug insulator as described above to separate the center electrode from the ground electrode.
  • the spark plug according to the invention is characterized by space-saving design due to the partially applied to the outside of the spark plug insulator applied glaze by a high Durglerfestmaschine and good mechanical strength. The electrical strength and the mechanical strength of the spark plug, and thus their life, are high.
  • the glaze is also designed so that it is possible to dispense with an inner seal, as a rule a sealing ring, for gas-tight sealing of the combustion chamber between the ground electrode and the center electrode.
  • the glaze can also all
  • Figure 1 is a partial sectional view of a first invention
  • FIG. 2 is a partial sectional view of the spark plug of FIG. 1;
  • FIG. 3 shows an enlarged detail of the partial sectional view of FIG
  • Figure 4 is an enlarged detail of a partial sectional view of a
  • the spark plug 100 comprises a ground electrode 13, a center electrode 8 and a ceramic
  • a metallic housing 7 surrounds the
  • Spark plug insulator 10 at least partially.
  • a thread 15 is arranged, which is for a fastening of the spark plug 100 in a
  • Cylinder head 14 is designed.
  • a sealing ring 1 1 seals the combustion chamber of the spark plug 100 gas-tight.
  • FIG. 2 is a partial sectional view of the spark plug 100 of Figure 1 and
  • the spark plug insulator 10 has an electrical direction
  • Connection area 5 aligned insulator head 1 and a combustion chamber side Isolatorfuß 2 on. Between the insulator head 1 and the insulator 2 a mounting area 3 is arranged, which comprises a cross-sectional reduction, a so-called waist 9a and a waist 9b.
  • a so-called foot throat 4 a transition area between the insulator base 2 located in the combustion space and that outside the combustion chamber lying insulator area.
  • the combustion chamber as shown here, be sealed gas-tight from the area outside the combustion chamber by a sealing ring 1 1.
  • Theticiankehle 4 has a directed to the outside of the spark plug insulator 10 first surface area A with an axial direction X-X of the
  • Spark plug insulator defined first length L A has a glaze 12 and is thus glazed. At one of the foot 4 in the direction of the
  • the insulator base 2 In an adjacent section of the spark plug insulator 10 lying on the side of the root of the combustion chamber 4, the insulator base 2 has a third surface area C directed towards the outside of the spark plug insulator 10. The surface area C is unglazed.
  • the waist 9a has on one to the outside of the spark plug insulator 10 directed eighth surface area H with an eighth length L H a glaze 12.
  • the waist 9b has a surface area I with a ninth length U and one in the direction of the insulator head 1 at the ninth
  • FIG. 3 is a detailed view of a section of the transition region between the insulator base 2 located in the combustion chamber and the region of the spark plug insulator 10 of the spark plug 100 of FIGS. 1 and 2 located outside the combustion chamber.
  • the surface area of the foot groove 4 coincides with the first
  • the glaze 12 advantageously has an average layer thickness of 5 to 40 ⁇ , in particular from 7 to 25 ⁇ .
  • the glaze 12 significantly increases the flexural strength of the ceramic insulator. It lies for the spark plug 100 according to the invention at over 850 N, while corresponding unglazed spark plugs have only bending strengths of about 660 N. Also the breakdown strengths of
  • Spark plugs 100 according to the invention are significantly increased and amount to at least about 42 kV, while comparable conventional spark plugs have breakdown strengths of only about 35 kV.
  • the first surface area A has a first length L A , the second
  • Spark plug insulator 10 thus results from: L A + L c .
  • FIG. 4 is a detailed view of a section of the transition region between the insulator base 2 located in the combustion chamber and the region of the spark plug insulator 10 of a spark plug 100 according to the invention located outside the combustion chamber.
  • the second surface area B comprises a fourth surface area D adjacent to the foot groove 4 and a fifth surface area E adjoining the fourth surface area D in the direction of the insulator head 1.
  • the fourth surface area D points, as well as the first surface area A, a glaze 12 on.
  • the glazed surface area is thus extended starting from the statkehle 4 in the direction of the insulator head 1, namely, the glazed fourth surface area D extends from the solicitkehle 4 up to 4 mm, in particular up to 3 mm, in the direction of the insulator head first
  • the third surface area C comprises a glazed sixth surface area F adjoining the foot groove 4 and an insulator foot tip 6 extending to the sixth surface area F
  • the glazed sixth surface region F extends from the foot groove 4 on the combustion chamber side to a maximum of 2 mm in front of the insulator base tip 6 on the combustion chamber side, which prevents notch formation due to mechanical stress.
  • the glazed sixth surface region F has a sixth length L F and the following relation is satisfied: 4 mm ⁇ L F ⁇ (L A + L F + L G ) / 2, the lengths each defining maximum lengths in the axial direction XX of the spark plug insulator are.
  • the glazed total surface area A comprises the surface area of the solicitkehle A and extends here in the direction of the insulator head 1 on the first surface area A of the contemplatkehle 4 addition to the fourth surface area D and the combustion chamber side on the sixth surface area F. This contributes to the lateral load capacity of the Spark plug insulator 10 at.
  • the first surface area A has a first length L A
  • the second surface area B has a second length L B
  • Surface area C is a third length L c and the fourth surface area D is a fourth length L D
  • the fifth surface area E is a fifth length L E
  • the sixth surface area F is a sixth length L F and the seventh
  • the total length of the insulator foot 2 is also given by: L A + L F + L G.
  • the respective lengths are maximum lengths and are defined in the axial direction XX of the spark plug insulator 10.
  • the sixth glazed surface area F has a length L F and the unglazed, the insulator foot tip 6 directed seventh surface area G has a length L G and the following relation is satisfied: L F > L G.
  • the spark plugs 100 are characterized by space-saving design by a high dielectric strength and very good mechanical strength.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Spark Plugs (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen keramischen Zündkerzenisolator mit verbesserter elektrischer und mechanischer Festigkeit.

Description

Beschreibung
Titel
Keramischer Zündkerzenisolator, Zündkerze und Verwendung einer Glasur auf einem Zündkerzenisolator
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft einen keramischen Zündkerzenisolator, eine Zündkerze umfassend denselben, sowie eine Verwendung einer Glasur auf einem Zündkerzenisolator.
Um Bauraum im Zylinderkopf eines Kraftfahrzeugs zu sparen, geht der Trend zu langen, schlanken Zündkerzen. Hierzu werden auch die Wandstärken des keramischen Isolators, insbesondere im Fußbereich der Zündkerzen, der die Geometrie der Mittelelektroden bestimmt, ebenfalls verringert. Gerade in brennraumseitigen Bereichen, in denen sich zudem der Querschnitt des Isolators reduziert, führt dies häufig zu Problemen mit der elektrischen Festigkeit, da hier sehr hohe Feldstärken vorliegen. Die Lebensdauer von derartigen, im Bauraum reduzierten Zündkerzen, ist damit gering.
Offenbarung der Erfindung
Der erfindungsgemäße keramische Zündkerzenisolator mit den Merkmalen des Anspruches 1 zeichnet sich hingegen bei verschlankter Geometrie durch eine hohe Durchschlagfestigkeit aus. Dies wird durch den Auftrag einer Glasur auf eine im Isolator ausgebildete Fußkehle, die einen Übergangsbereich zwischen einem im Brennraum liegenden Isolatorbereich und einem außerhalb des Brennraums liegenden Isolatorbereich darstellt, erzielt. Die Fußkehle ist dabei ein Abschnitt des Zündkerzenisolators, in dem sich der Querschnitt in Richtung der Isolatorfußspitze verjüngt bzw. verschlankt. Die Fußkehle spiegelt die
Verringerung der Dimensionierung einer bauraumreduzierten Zündkerze wider. Erst durch das Aufbringen einer Glasur auf einen gesamten zur Außenseite des Zündkerzenisolators gerichteten ersten Oberflächenbereich A der Fußkehle wird es möglich einen in seinen Dimensionen verschlankten Zündkerzenisolator und damit auch eine bauraumsparende Zündkerze bereitzustellen, der bzw. die in elektrischer wie mechanischer Hinsicht keinerlei Einbußen in der Stabilität aufweist. Durch den Glasurauftrag wird die Rauheit des ersten
Oberflächenbereichs A des Zündkerzenisolators, der in Axialrichtung X-X des Zündkerzenisolators eine erste Länge LA aufweist, reduziert, offene Poren und Vertiefungen, wie sie beispielsweise während des Schleifprozesses des Isolators entstehen, werden verschlossen. Die Länge LA ist als maximale Länge in Axialrichtung X-X des Zündkerzenisolators definiert. Dadurch werden lokale
Überhöhungen des elektrischen Feldes bei Betrieb der Zündkerze minimiert. Dies hat zur Folge, dass der elektrische Durschlag erst bei höher angelegten Spannungen erfolgt. Die Durchschlagfestigkeit einer Zündkerze mit dem erfindungsgemäßen Keramikisolator ist damit verbessert. Zudem kann durch die Glasur die Oberfläche des Isolators geglättet und somit die Bildung von Kerben in der Fußkehle reduziert werden, was die mechanische Querbelastbarkeit in diesem Bereich optimiert und die Festigkeit der Zündkerze unter
Betriebsbedingungen steigert. Die Glasur bildet hierzu eine Art Schutzschicht, die die Festigkeit des Zündkerzenisolators in mechanisch stark beanspruchten Bereichen, wie z.B. der Fußkehle, erhöht. Dadurch kann insbesondere auch ein
Querschnitt des Zündkerzenisolators im Bereich der Fußkehle sowie in an die Fußkehle angrenzenden Isolatorbereichen reduziert werden. Zudem kann durch das Aufbringen der Glasur nach dem Glasurschmelzen auf der Oberfläche des Isolators eine mechanische Druckspannung aufgebaut werden, die zu einer partiellen Vorkompensation einer Zugspannung bei Einwirkung von
Biegebelastungen auf die Isolatoroberfläche führt. Auch hierdurch wir die mechanische Stabilität des Zündkerzenisolators verbessert.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Zur Verbesserung der Durchschlagfestigkeit sowie der mechanischen Stabilität des keramischen Zündkerzenisolators umfasst der Zündkerzenisolator einen von der Fußkehle in Richtung des Isolatorkopfes liegenden, benachbarten zweiten Oberflächenbereich B mit einer in Axialrichtung X-X des Zündkerzenisolators definierten zweiten Länge LB und einen von der Fußkehle brennraumseitig liegenden, benachbarten dritten Oberflächenbereich C mit einer in Axialrichtung X-X des Zündkerzenisolators definierten dritten Länge Lc. Mindestens eine der folgenden Relationen ist demnach erfüllt: LA = LB und/oder LA = Lc/2 und/oder LB = Lc/2. Die Längen der entsprechenden Oberflächenbereiche sind jeweils als maximale Längen in Axialrichtung X-X des Zündkerzenisolators definiert. Um eine Kerbenbildung im Verlaufsbereich Fußkehle-umliegender Bereich besonders effektiv zu vermeiden und damit die mechanische Querbelastbarkeit des Zündkerzenisolators weiter zu verbessern, ist weiter vorteilhaft vorgesehen, dass der zweite Oberflächenbereich B einen zur Fußkehle benachbart liegenden glasierten vierten Oberflächenbereich D und einen sich an den vierten
Oberflächenbereich D in Richtung des Isolatorkopfes anschließenden
unglasierten fünften Oberflächenbereich E umfasst. Der vierte
Oberflächenbereich D erstreckt sich dabei von der Fußkehle bis zu 4 mm und insbesondere bis zu 3 mm, in Richtung des Isolatorkopfes des
Zündkerzenisolators.
Um den Bereich der hohen elektrischen Felder vom Bereich der höchsten mechanischen Belastung räumlich zu entzerren, ist weiter vorteilhaft vorgesehen, dass der von der Fußkehle brennraumseitig liegende, benachbarte dritte
Oberflächenbereich C einen zur Fußkehle benachbart liegenden glasierten sechsten Oberflächenbereich F mit einer sechsten Länge LF und einen sich an den sechsten Oberflächenbereich F in Richtung einer Isolatorfußspitze anschließenden unglasierten siebten Oberflächenbereich G mit einer siebten Länge LG umfasst, wobei die Längen jeweils als maximale Längen in
Axialrichtung X-X des Zündkerzenisolators definiert sind, und folgende Relation erfüllt ist: LF > LG.
Aus vorstehend genannten Gründen erstreckt sich der glasierte sechste
Oberflächenbereich F weiter vorteilhaft von der Fußkehle brennraumseitig maximal bis zu 2 mm vor die brennraumseitige Isolatorfußspitze. Alternativ oder additiv dazu erfüllt die sechste Länge LF des sechsten Oberflächenbereichs F folgende Relation: 4 mm < LF ^ (LA + LE + LF)/2, wobei die Längen jeweils als maximale Längen in Axialrichtung X-X des Zündkerzenisolators definiert sind. Zudem können so Nebenschlüsse (Gleitfunken) auf der Fußkehle besser vermieden werden.
Zur weiteren Verschlankung des Zündkerzenisolators ohne Einbußen in der mechanischen und elektrischen Belastbarkeit hinnehmen zu müssen, sind der Isolatorkopf und der Isolatorfuß durch einen Einbaubereich verbunden. Der Einbaubereich schließt isolatorkopfseitig an die Fußkehle an und weist somit den zweiten Oberflächenbereich B auf. Der Einbaubereich umfasst eine Bundkehle und eine sich in Richtung des Isolatorkopfes an die Bundkehle anschließende Bundhöhe. Unter einer Bundkehle wird ein Bereich des Zündkerzenisolators verstanden, der sich in Richtung des Isolatorfußes im Querschnitt verringert. Eine Bundhöhe ist der Bereich des Zündkerzenisolators, der zumeist einen Sechskant umfasst, der die Einbaubarkeit der Zündkerze in einem Motorblock erleichtert. Die Bundhöhe stellt damit einen gegenüber den übrigen, umliegenden
Abschnitten des Zündkerzenisolators im Querschnitt verbreiterten Abschnitt dar.
Zur Erhöhung der mechanischen Stabilität weist auch ein zur Außenseite des Zündkerzenisolators gerichteter achter Oberflächenbereich H der Bundkehle eine Glasur auf. Um die Biegefestigkeit des Zündkerzenisolators weiter zu erhöhen weist nicht nur ein zur Außenseite des Zündkerzenisolators gerichteter Oberflächenbereich der Bundkehle, also der achte Oberflächenbereich H, mit einer achten Länge LH eine Glasur auf, sondern auch ein sich an die Bundkehle anschließender und damit zur Bundkehle in Richtung des Isolatorkopfes benachbarter, neunter
Oberflächenbereich I der Bundhöhe. Der neunte Oberflächenbereich I der
Bundhöhe ist damit auf einer neunten Länge U glasiert. An den neunten
Oberflächenbereich I schließt sich in Richtung des Isolatorkopfes ein zehnter Oberflächenbereich J mit einer zehnten Länge Lj an. Der zehnte
Oberflächenbereich J weist keine erfindungsgemäß vorgesehene Glasur auf und folgende Relation ist erfüllt:
Eine besonders funkenstabile und mechanisch belastbare Glasur ist durch folgende Zusammensetzung gekennzeichnet:
Si02: 37,0 bis 46,0 Gew.-%, bevorzugt 37.0 bis 44.0 Gew.-%
B203: 12,0 bis 28,0 Gew.-%, bevorzugt 17,5 bis 23,0 Gew.-%
Al203: 4,0 bis 21 ,0 Gew.-%, bevorzugt 8,5 bis 16,0 Gew.-%
ZnO: 6,0 bis 1 1 ,4 Gew.-%, bevorzugt 7,8 bis 1 1 ,4 Gew.-%
F: 0,6 bis 4 Gew.-%, bevorzugt 0,6 bis 3,0 Gew.-%
Li20: 1 ,5 bis 4 Gew.-%, bevorzugt 1 ,9 bis 3,5 Gew.-%
Na20: 0,1 bis 2,5 Gew.-%, bevorzugt 0,1 bis 2,0 Gew.-% K20: 0,5 bis 4.5 Gew.-%, bevorzugt 3,0 bis 4,5 Gew.-%
CaO: 1 ,8 bis 6 Gew.-%, bevorzugt 2,1 bis 4,2 Gew.-%
SrO: 0,1 bis 3,6, bevorzugt 0,1 bis 1 ,2 Gew.-% und
BaO 0,8 bis 6,8 Gew.-%, bevorzugt 4,5 bis 6,5 Gew.-%, wobei sich die angegebenen Werte jeweils auf das Gesamtgewicht der Glasur beziehen.
Um bei maximaler Ausprägung der schützenden Glasur Oberflächendefekte in der Glasur zu vermeiden, beträgt eine Schichtdicke der Glasur durchschnittlich 5 bis 40 μηι und insbesondere 7 bis 25 μηι.
Ebenfalls erfindungsgemäß wird auch eine Zündkerze für eine
Verbrennungskraftmaschine beschrieben, die ein metallisches Gehäuse, eine Mittelelektrode, mindestens eine Masseelektrode, die am Gehäuse angeordnet ist, und einen wie vorstehend beschriebenen keramischen Zündkerzenisolator umfasst, um die Mittelelektrode von der Masseelektrode zu trennen. Die erfindungsgemäße Zündkerze zeichnet sich bei bauraumsparender Bauweise aufgrund der partiell auf der zur Außenseite des Zündkerzenisolators gerichteten applizierten Glasur durch eine hohe Durschlagfestigkeit und gute mechanische Belastbarkeit aus. Die elektrische Festigkeit sowie die mechanische Festigkeit der Zündkerze, und damit auch ihre Lebensdauer, sind hoch.
Vorteilhaft ist die Glasur auch so ausgebildet, dass auf eine innere Dichtung, in der Regel einen Dichtring, zum gasdichten Abdichten des Brennraums zwischen der Masseelektrode und der Mittelelektrode, verzichtet werden kann.
Zur Vereinfachung des Glasurauftrages und damit zur Erhöhung der Taktung für die Zündkerzenisolatorherstellung, kann die Glasur auch alle
Oberflächenbereiche des Zündkerzenisolators bedecken.
Ferner erfindungsgemäß wird auch die Verwendung einer Glasur auf sich im Querschnitt reduzierenden Bereichen eines Zündkerzenisolators, insbesondere in einem Bereich einer Fußkehle, einem Übergangsbereich zwischen dem im Brennraum liegenden Isolatorbereich und dem außerhalb des Brennraums liegenden Isolatorbereich, zur Erhöhung der Durchschlagfestigkeit einer Zündkerze beschrieben. Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. Hierbei beziffern gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile. In der Zeichnung ist:
Figur 1 eine Teilschnittansicht einer ersten erfindungsgemäßen
Zündkerze,
Figur 2 eine Teilschnittansicht der Zündkerze aus Figur 1 ,
Figur 3 ein vergrößerter Ausschnitt der Teilschnittansicht der
Zündkerze aus Figur 2 und
Figur 4 ein vergrößerter Ausschnitt einer Teilschnittansicht einer
zweiten erfindungsgemäßen Zündkerze.
Ausführungsformen der Erfindung
Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, umfasst die erfindungsgemäße Zündkerze 100 eine Masseelektrode 13, eine Mittelelektrode 8 und einen keramischen
Zündkerzenisolator 10. Ein metallisches Gehäuse 7 umgibt den
Zündkerzenisolator 10 zumindest teilweise. Am Gehäuse 7 ist ein Gewinde 15 angeordnet, welches für eine Befestigung der Zündkerze 100 in einem
Zylinderkopf 14 ausgelegt ist. Ein Dichtring 1 1 riegelt den Brennraum der Zündkerze 100 gasdicht ab.
Figur 2 ist eine Teilschnittansicht der Zündkerze 100 aus Figur 1 und
veranschaulicht insbesondere den Bereich des Zündkerzenisolators 10. Der Zündkerzenisolator 10 weist einen in Richtung eines elektrischen
Anschlussbereichs 5 ausgerichteten Isolatorkopf 1 und einen brennraumseitigen Isolatorfuß 2 auf. Zwischen dem Isolatorkopf 1 und dem Isolatorfuß 2 ist ein Einbaubereich 3 angeordnet, der eine Querschnittsreduzierung, eine sogenannte Bundkehle 9a und eine Bundhöhe 9b umfasst.
Im Isolatorfuß 2 gibt es ebenfalls einen Bereich, in dem der Querschnitt reduziert wird, eine sogenannte Fußkehle 4, einen Übergangsbereich zwischen dem im Brennraum liegenden Isolatorfuß 2 und dem außerhalb des Brennraums liegenden Isolatorbereich. Der Brennraum kann, wie hier gezeigt, vom Bereich außerhalb des Brennraums durch einen Dichtring 1 1 gasdicht abgeriegelt sein.
Die Fußkehle 4 hat einen zur Außenseite des Zündkerzenisolators 10 gerichteten ersten Oberflächenbereich A mit einer in Axialrichtung X-X des
Zündkerzenisolators definierten ersten Länge LA und weist eine Glasur 12 auf und ist somit glasiert. An einem von der Fußkehle 4 in Richtung des
Isolatorkopfes 1 liegenden, benachbarten Abschnitt des Zündkerzenisolators 10, dem Einbaubereich 3, weist der Zündkerzenisolator 10 einen zur Außenseite des Zündkerzenisolators 10 gerichteten zweiten Oberflächenbereich B auf. In einem von der Fußkehle 4 brennraumseitig liegenden, benachbarten Abschnitt des Zündkerzenisolators 10 weist der Isolatorfuß 2 einen zur Außenseite des Zündkerzenisolators 10 gerichteten dritten Oberflächenbereich C auf. Der Oberflächenbereich C ist unglasiert.
Die Bundkehle 9a weist auf einem zur Außenseite des Zündkerzenisolators 10 gerichteten achten Oberflächenbereich H mit einer achten Länge LH eine Glasur 12 auf. Die Bundhöhe 9b weist einen Oberflächenbereich I mit einer neunten Länge U und einen sich in Richtung des Isolatorkopfes 1 an den neunten
Oberflächenbereich I anschließenden unglasierten zehnten Oberflächenbereich J mit einer zehnten Länge Lj auf, wobei der neunte Oberflächenbereich I eine Glasur 12 aufweist und vorteilhaft folgende Relation erfüllt ist:
Figur 3 ist eine Detailansicht eines Ausschnitts des Übergangsbereichs zwischen dem im Brennraum liegenden Isolatorfuß 2 und dem außerhalb des Brennraums liegenden Bereich des Zündkerzenisolators 10 der Zündkerze 100 aus Figuren 1 und 2. Hier fällt der Oberflächenbereich der Fußkehle 4 mit dem ersten
Oberflächenbereich A zusammen, d.h., dass ausschließlich in einem sich im Querschnitt reduzierenden Bereich der Fußkehle 4, und hier in ihrem gesamten ersten Oberflächenbereich A, eine Glasur 12 vorgesehen ist. Dabei ist der Querschnitt in den benachbarten unglasierten Bereichen der Fußkehle 4 im
Wesentlichen konstant. Die Glasur 12 hat vorteilhafterweise eine durchschnittliche Schichtdicke von 5 bis 40 μηι, insbesondere von 7 bis 25 μηι.
Durch die Glasur 12 wird die Biegefestigkeit des Keramikisolators signifikant erhöht. Sie liegt für die erfindungsgemäße Zündkerze 100 bei über 850 N, während entsprechende unglasierte Zündkerzen lediglich Biegefestigkeiten von etwa 660 N aufweisen. Auch die Durchschlagfestigkeiten der
erfindungsgemäßen Zündkerze 100 sind deutlich erhöht und betragen mindestens etwa 42 kV, während vergleichbare herkömmliche Zündkerzen Durchschlagfestigkeiten von lediglich etwa 35 kV haben.
Der erste Oberflächenbereich A hat eine erste Länge LA, der zweite
Oberflächenbereich B hat eine zweite Länge LB und der dritte
Oberflächenbereich C eine dritte Länge Lc. Die jeweiligen Längen sind
Maximallängen und sind in Axialrichtung X-X des Zündkerzenisolators definiert. Eine Gesamtlänge des Isolatorfußes 2 in Axialrichtung X-X des
Zündkerzenisolators 10 ergibt sich somit aus: LA + Lc.
Vorteilhaft besteht zwischen den Längen der einzelnen Oberflächenbereiche mindestens eine der folgenden Beziehungen: LA = LB und/oder LA = Lc/2 und/oder LB = Lc/2.
Figur 4 ist eine Detailansicht eines Ausschnitts des Übergangsbereichs zwischen dem im Brennraum liegenden Isolatorfuß 2 und dem außerhalb des Brennraums liegenden Bereich des Zündkerzenisolators 10 einer zweiten erfindungsgemäßen Zündkerze 100.
Im Unterschied zu der Zündkerze 100 aus Figuren 1 bis 3, umfasst der zweite Oberflächenbereich B einen zur Fußkehle 4 benachbart liegenden vierten Oberflächenbereich D und einen sich an den vierten Oberflächenbereich D in Richtung des Isolatorkopfes 1 anschließenden fünften Oberflächenbereich E. Der vierte Oberflächenbereich D weist, ebenso wie der erste Oberflächenbereich A, eine Glasur 12 auf. Der glasierte Oberflächenbereich ist somit ausgehend von der Fußkehle 4 in Richtung des Isolatorkopfes 1 erweitert, und zwar erstreckt sich der glasierte vierte Oberflächenbereich D von der Fußkehle 4 bis zu 4 mm, insbesondere bis zu 3 mm, in Richtung des Isolatorkopfes 1 . Ferner umfasst der dritte Oberflächenbereich C einen zur Fußkehle 4 benachbart liegenden glasierten sechsten Oberflächenbereich F und einen sich an den sechsten Oberflächenbereich F in Richtung der Isolatorfußspitze 6
anschließenden unglasierten siebten Oberflächenbereich G, so dass sich die Glasur von der Fußkehle 4 ausgehend auch in Richtung der brennraumseitig liegenden Isolatorfußspitze 6 erstreckt. Der glasierte sechste Oberflächenbereich F erstreckt sich hierbei von der Fußkehle 4 brennraumseitig maximal bis zu 2 mm vor die brennraumseitige Isolatorfußspitze 6, was einer Kerbenbildung durch mechanische Belastung vorbeugt.
Vorteilhaft hat der glasierte sechste Oberflächenbereich F eine sechste Länge LF und folgende Relation ist erfüllt: 4 mm < LF < (LA + LF + LG)/2, wobei die Längen jeweils als maximale Längen in Axialrichtung X-X des Zündkerzenisolators definiert sind.
In Figur 4 stellt der Oberflächenbereich A' einen Glasur bedeckten
Gesamtoberflächenbereich dar. Der glasierte Gesamtoberflächenbereich A' umfasst den Oberflächenbereich der Fußkehle A und erstreckt sich hier in Richtung des Isolatorkopfes 1 über den ersten Oberflächenbereich A der Fußkehle 4 hinaus auf den vierten Oberflächenbereich D und brennraumseitig auf den sechsten Oberflächenbereich F. Dies trägt zur Querbelastbarkeit des Zündkerzenisolators 10 bei.
Zusammenfassend hat demnach der erste Oberflächenbereich A eine erste Länge LA, der zweite Oberflächenbereich B eine zweite Länge LB, der dritte
Oberflächenbereich C eine dritte Länge Lc und der vierte Oberflächenbereich D eine vierte Länge LD, der fünfte Oberflächenbereich E eine fünfte Länge LE, der sechste Oberflächenbereich F eine sechste Länge LF und der siebte
Oberflächenbereich G eine siebte Länge LG . Der glasierte
Gesamtoberflächenbereich A' hat damit eine Gesamtlänge von: LA = LA + LD +
LF. Die Gesamtlänge des Isolatorfußes 2 ergibt sich ferner aus: LA + LF + LG . Die jeweiligen Längen sind Maximallängen und sind in Axialrichtung X-X des Zündkerzenisolators 10 definiert.
Vorteilhafterweise hat der sechste glasierte Oberflächenbereich F eine Länge LF und der unglasierte, zur Isolatorfußspitze 6 gerichtete siebte Oberflächenbereich G eine Länge LG und folgende Relation ist erfüllt: LF > LG. Die Zündkerzen 100 zeichnen sich bei bauraumsparender Bauweise durch eine hohe Durchschlagfestigkeit und sehr gute mechanische Belastbarkeit aus.

Claims

Ansprüche
1 . Keramischer Zündkerzenisolator mit einem in Richtung eines elektrischen Anschlussbereichs (5) weisenden Isolatorkopf (1 ) und einem
brennraumseitigen Isolatorfuß (2), dadurch gekennzeichnet, dass der Zündkerzenisolator, in einem Übergangsbereich zwischen dem im
Brennraum liegenden Isolatorfuß (2) und einem außerhalb des Brennraums liegenden Isolatorbereich, eine Fußkehle (4) umfasst, die auf einem zur Außenseite des Zündkerzenisolators (10) gerichteten ersten
Oberflächenbereich (A), mit einer in Axialrichtung (X-X) des
Zündkerzenisolators definierten ersten Länge LA, eine Glasur (12) aufweist.
2. Keramischer Zündkerzenisolator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Zündkerzenisolator einen von der Fußkehle (4) in Richtung des Isolatorkopfes (1 ) liegenden, benachbarten zweiten Oberflächenbereich (B) mit einer zweiten Länge LB und einen von der Fußkehle (4) brennraumseitig liegenden, benachbarten dritten Oberflächenbereich (C) mit einer dritten Länge Lc aufweist, wobei die Längen jeweils als maximale Längen in Axialrichtung (X-X) des Zündkerzenisolators (10) definiert sind, und mindestens eine der folgenden Relationen erfüllt ist:
LA = LB und/oder
LA = Lc/2 und/oder
LB = Lc/2. 3. Keramischer Zündkerzenisolator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass der zweite Oberflächenbereich (B) einen zur Fußkehle (4) benachbart liegenden glasierten vierten Oberflächenbereich (D) und einen sich an den vierten Oberflächenbereich (D) in Richtung des Isolatorkopfes (1 ) anschließenden unglasierten fünften Oberflächenbereich (E) umfasst, wobei sich der vierte Oberflächenbereich (D) von der Fußkehle (4) bis zu 4 mm, insbesondere bis zu 3 mm, in Richtung des Isolatorkopfes (1 ) erstreckt. Keramischer Zündkerzenisolator nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Oberflächenbereich (C) einen zur Fußkehle (4) benachbart liegenden glasierten sechsten
Oberflächenbereich (F) mit einer sechsten Länge LF und einen sich an den sechsten Oberflächenbereich (F) in Richtung einer Isolatorfußspitze (6) anschließenden unglasierten siebten Oberflächenbereich (G) mit einer siebten Länge LG umfasst, wobei die Längen jeweils als maximale Längen in Axialrichtung (X-X) des Zündkerzenisolators (10) definiert sind, und folgende Relation erfüllt ist: LF > LG.
Keramischer Zündkerzenisolator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich der glasierte sechste Oberflächenbereich (F) von der Fußkehle (4) brennraumseitig maximal bis zu 2 mm vor die brennraumseitige
Isolatorfußspitze (6) erstreckt und/oder dass die sechste Länge (LF) des sechsten Oberflächenbereichs (F) folgende Relation erfüllt:
4 mm < LF < (LA + LF + LG)/2,
wobei die Längen jeweils als maximale Längen in Axialrichtung (X-X) des Zündkerzenisolators (10) definiert sind.
Keramischer Zündkerzenisolator nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolatorkopf (1 ) und der Isolatorfuß (2) durch einen Einbaubereich (3), der den zweiten
Oberflächenbereich (B) aufweist, miteinander verbunden sind und der Einbaubereich (3) eine Bundkehle (9a) und eine sich in Richtung des
Isolatorkopfes (1 ) an die Bundkehle (9a) anschließende Bundhöhe (9b) umfasst, wobei die Bundkehle (9a) auf einem zur Außenseite des
Zündkerzenisolators (10) gerichteten achten Oberflächenbereich (H) mit einer achten Länge (LH) eine Glasur (12) aufweist und/oder
wobei der achte Oberflächenbereich (H) eine Glasur (12) aufweist und die Bundhöhe (9b) einen zur Bundkehle (9a) benachbarten glasierten neunten Oberflächenbereich (I) mit einer neunten Länge (U) und einen sich in
Richtung des Isolatorkopfes (1 ) an den neunten Oberflächenbereich (I) anschließenden zehnten Oberflächenbereich (J), der keine
erfindungsgemäße Glasur aufweist, mit einer zehnten Länge (Lj) umfasst und folgende Relation erfüllt ist:
0 < L, < (Lj + L,)/2.
7. Keramischer Zündkerzenisolator nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasur (12) folgende
Zusammensetzung aufweist:
Si02: 37,0 bis 46,0 Gew.-%, bevorzugt 37,0 bis 44,0 Gew.-%
B203: 12,0 bis 28,0 Gew.-%, bevorzugt 17,5 bis 23,0 Gew.-%
Al203: 4,0 bis 21 ,0 Gew.-%, bevorzugt 8,5 bis 16,0 Gew.-%
ZnO: 6,0 bis 1 1 ,4 Gew.-%, bevorzugt 7,8 bis 1 1 ,4 Gew.-%
F: 0,6 bis 4 Gew.-%, bevorzugt 0,6 bis 3,0 Gew.-%
Li20: 1 ,5 bis 4 Gew.-%, bevorzugt 1 ,9 bis 3,5 Gew.-%
Na20: 0,1 bis 2,5 Gew.-%, bevorzugt 0,1 bis 2,0 Gew.-%
K20: 0,5 bis 4,5 Gew.-%, bevorzugt 3,0 bis 4,5 Gew.-%
CaO: 1 ,8 bis 6 Gew.-%, bevorzugt 2,1 bis 4,2 Gew.-%
SrO: 0,1 bis 3,6, bevorzugt 0,1 bis 1 ,2 Gew.-% und
BaO 0,8 bis 6,8 Gew.-%, bevorzugt 4,5 bis 6,5 Gew.-%,
jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht der Glasur (12).
8. Keramischer Zündkerzenisolator nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasur (12) eine Schichtdicke von 5 bis 40 μηι, insbesondere von 7 bis 25 μηι, aufweist.
9. Zündkerze für eine Verbrennungskraftmaschine, umfassend
- ein metallisches Gehäuse (7)
- eine Mittelelektrode (8),
- mindestens eine Masseelektrode, die am Gehäuse (7) angeordnet ist, und
- einen keramischen Zündkerzenisolator (10) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, um die Mittelelektrode (8) von der
Masseelektrode zu trennen.
10. Verwendung einer Glasur (12) auf sich im Querschnitt reduzierenden
Bereichen eines Zündkerzenisolators (10), insbesondere in einem Bereich einer Fußkehle (4), einem Übergangsbereich zwischen dem im Brennraum liegenden Isolatorfuß (2) und dem außerhalb des Brennraums liegenden Isolatorbereich, zur Erhöhung der Durchschlagfestigkeit einer Zündkerze (100).
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