EP3192138B1 - Keramische zündkerzenisolator, zündkerze und verwendung einer glasur auf einem zündkerzenisolator - Google Patents

Keramische zündkerzenisolator, zündkerze und verwendung einer glasur auf einem zündkerzenisolator Download PDF

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EP3192138B1
EP3192138B1 EP15739600.3A EP15739600A EP3192138B1 EP 3192138 B1 EP3192138 B1 EP 3192138B1 EP 15739600 A EP15739600 A EP 15739600A EP 3192138 B1 EP3192138 B1 EP 3192138B1
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EP
European Patent Office
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spark plug
insulator
surface region
plug insulator
length
Prior art date
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EP15739600.3A
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French (fr)
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EP3192138A1 (de
Inventor
Klaus BUNDSCHUH
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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    • 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
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    • 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 comprising the same, and a use of a glaze on a spark plug insulator.
  • the wall thicknesses of the ceramic insulator in particular in the foot area of the spark plugs, which determines the geometry of the center electrodes, are also reduced. Particularly in areas on the combustion chamber side, in which the cross section of the insulator is also reduced, this often leads to problems with the electrical strength, since very high field strengths are present here.
  • the service life of such spark plugs, which are reduced in installation space, is therefore short.
  • the ceramic spark plug insulator according to the invention with the features of claim 1, on the other hand, is characterized by a high dielectric strength with a slim geometry. This is achieved by applying a glaze to a throat formed in the isolator, which represents a transition area between an isolator area located in the combustion chamber and an isolator area located outside the combustion chamber.
  • the throat is a section of the spark plug insulator in which the cross section tapers or slows down in the direction of the insulator tip. The throat reflects the reduction in the size of a space-reduced spark plug.
  • the roughness of the first surface area A of the spark plug insulator which has a first length L A in the axial direction XX of the spark plug insulator, is reduced by the glaze application, open pores and depressions, such as those that arise 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 minimizes local increases in the electrical field when the spark plug is in operation.
  • the electrical breakdown only occurs at higher voltages.
  • the dielectric strength of a spark plug with the ceramic insulator according to the invention is thus improved.
  • the glaze can smooth the surface of the insulator, thus reducing the formation of notches in the throat, which optimizes the mechanical load-bearing capacity in this area and increases the strength of the spark plug under operating conditions.
  • the glaze forms a kind of protective layer that increases the strength of the spark plug insulator in areas that are subject to high mechanical stress, such as the throat of the foot. As a result, a cross section of the spark plug insulator in the region of the foot throat and in the insulator regions adjacent to the foot throat can in particular also be reduced.
  • the spark plug insulator preferably comprises an adjacent second surface area B lying from the base of the foot 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, according to the invention, a length of the combustion chamber on the side of the base of the foot, adjacent third surface area C preferably with a third length L C defined in the axial direction XX of the spark plug insulator.
  • the lengths of the corresponding surface areas are each defined as maximum lengths in the axial direction XX of the spark plug insulator.
  • the second surface area B has a glazed fourth surface area D adjacent to the throat area and one on the fourth surface area D includes an unglazed fifth surface area E adjoining the insulator head.
  • the fourth surface area D extends from the back of the foot up to 4 mm and in particular up to 3 mm, in the direction of the insulator head of the spark plug insulator.
  • the adjacent third surface area C lying on the side of the combustion chamber on the combustion chamber side has a glazed sixth surface area F with a sixth length L F and which is adjacent to the foot area comprises an unglazed seventh surface region G adjoining the sixth surface region F in the direction of an insulator tip, with a seventh length L G , the lengths being defined in each case as maximum lengths in the axial direction XX of the spark plug insulator and the following relation being fulfilled: L F ⁇ L G .
  • the glazed sixth surface area F advantageously extends further from the foot groove on the combustion chamber side up to a maximum of 2 mm in front of the insulator foot tip on the combustion chamber side.
  • the sixth length L F of the sixth surface area F fulfills the following relation: 4 mm L L F L (L A + L E + L F ) / 2, the lengths being defined as maximum lengths in the axial direction XX of the spark plug insulator .
  • shunts (sliding sparks) on the throat can be avoided better.
  • the installation area adjoins the foot groove on the insulator head side and thus has the second surface area B.
  • the installation area includes a collar groove and a collar height adjoining the collar groove in the direction of the insulator head.
  • a collar throat is understood to mean an area of the spark plug insulator which decreases in cross section in the direction of the insulator foot.
  • a collar height is the area of the spark plug insulator, which usually comprises a hexagon, which makes it easier to install the spark plug in an engine block. The collar height thus represents a section which is widened in cross section compared to the other, surrounding sections of the spark plug insulator.
  • an eighth surface region H of the collar throat directed towards the outside of the spark plug insulator also has a glaze.
  • a surface area of the collar groove facing the outside of the spark plug insulator i.e. the eighth surface area H
  • a glaze with an eighth length L H but also a glazing adjoining the collar groove and thus to the collar groove Direction of the insulator head adjacent, ninth surface area I of the collar height.
  • the ninth surface area I of the collar height is thus glazed over a ninth length L I.
  • a tenth surface area J with a tenth length L J adjoins the ninth surface area I in the direction of the insulator head.
  • the tenth surface area J has no glaze provided according to the invention and the following relation is fulfilled: 0 ⁇ L I. ⁇ L J + L I. / 2nd
  • the layer thickness of the glaze is on average 5 to 40 ⁇ m and in particular 7 to 25 ⁇ m.
  • a spark plug for an internal combustion engine which comprises a metallic housing, a center electrode, at least one ground electrode, which is arranged on the housing, and a ceramic spark plug insulator as described above, in order to separate the center electrode from the ground electrode.
  • the spark plug according to the invention is characterized by a space-saving design due to the glaze partially applied to the outside of the spark plug insulator, which is characterized by high resistance to impact and good mechanical strength. The electrical strength as well as the mechanical strength of the spark plug, and thus its service life, are high.
  • the glaze is also advantageously designed such that an inner seal, usually a sealing ring, for gas-tight sealing of the combustion chamber between the ground electrode and the center electrode can be dispensed with.
  • the glaze can also cover all surface areas of the spark plug insulator.
  • a glaze on areas of a spark plug insulator according to the invention which reduce in cross-section, in a region of a throat, a transition area between the insulator area located in the combustion chamber and the insulator area outside the combustion chamber, for increasing the dielectric strength of a spark plug is also described.
  • the spark plug 100 comprises a ground electrode 13, a center electrode 8 and a ceramic spark plug insulator 10.
  • a metallic housing 7 surrounds the spark plug insulator 10 at least partially.
  • a thread 15 is arranged on the housing 7 and is designed for fastening the spark plug 100 in a cylinder head 14.
  • a sealing ring 11 seals off the combustion chamber of the spark plug 100 in a gas-tight manner.
  • FIG. 10 is a partial sectional view of the spark plug 100 of FIG Figure 1 and illustrates in particular the area of the spark plug insulator 10.
  • the spark plug insulator 10 has an insulator head 1 oriented in the direction of an electrical connection area 5 and an insulator foot 2 on the combustion chamber side.
  • An installation area 3 is arranged between the insulator head 1 and the insulator foot 2, which includes a cross-sectional reduction, a so-called collar groove 9a and a collar height 9b.
  • the insulator foot 2 there is also an area in which the cross section is reduced, a so-called foot groove 4, a transition area between the insulator foot 2 located in the combustion chamber and that outside the combustion chamber lying insulator area.
  • the combustion chamber can be sealed gas-tight from the area outside the combustion chamber by a sealing ring 11.
  • the throat 4 has a first surface area A directed towards the outside of the spark plug insulator 10 with a first length L A defined in the axial direction XX of the spark plug insulator and has a glaze 12 and is therefore glazed.
  • the installation area 3 located from the foot groove 4 in the direction of the insulator head 1, the spark plug insulator 10 has a second surface area B directed towards the outside of the spark plug insulator 10.
  • the insulator foot 2 In an adjacent section of the spark plug insulator 10 located on the side of the combustion chamber 4 on the combustion chamber side, the insulator foot 2 has a third surface area C directed towards the outside of the spark plug insulator 10. The surface area C is unglazed.
  • the collar groove 9a has a glaze 12 on an eighth surface area H facing the outside of the spark plug insulator 10 with an eighth length L H.
  • Figure 3 is a detailed view of a section of the transition area between the insulator base 2 located in the combustion chamber and the area of the spark plug insulator 10 of the spark plug 100 lying outside the combustion chamber Figures 1 and 2nd .
  • the surface area of the throat 4 coincides with the first surface area A, that is to say that a glaze 12 is provided only in an area of the throat 4 that reduces in cross section, and here in its entire first surface area A.
  • the cross section in the adjacent unglazed areas of the throat 4 is essentially constant.
  • the glaze 12 advantageously has an average layer thickness of 5 to 40 ⁇ m, in particular 7 to 25 ⁇ m.
  • the glaze 12 significantly increases the bending strength of the ceramic insulator.
  • the spark plug 100 according to the invention it is over 850 N, while corresponding unglazed spark plugs only have bending strengths of about 660 N.
  • the dielectric strengths of the spark plug 100 according to the invention are also significantly increased and amount to at least approximately 42 kV, while comparable conventional spark plugs have dielectric strengths of only approximately 35 kV.
  • the first surface area A has a first length L A
  • the second surface area B has a second length L B
  • the third surface area C has a third length L C.
  • the respective lengths are maximum lengths and are defined in the axial direction XX of the spark plug insulator.
  • a total length of the insulator foot 2 in the axial direction XX of the spark plug insulator 10 thus results from: L A + L C.
  • Figure 4 is a detailed view of a section of the transition area between the insulator base 2 located in the combustion chamber and the area of the spark plug insulator 10 of a second spark plug 100 according to the invention lying 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 like the first surface area A, has a glaze 12 .
  • the glazed surface area is thus expanded starting from the foot groove 4 in the direction of the insulator head 1, specifically the glazed fourth surface area D extends from the foot groove 4 up to 4 mm, in particular up to 3 mm, in the direction of the insulator head 1.
  • the third surface area C comprises a glazed sixth surface area F adjacent to the foot groove 4 and an unglazed seventh surface area G adjoining the sixth surface area F in the direction of the insulator tip 6, so that the glaze also extends from the foot groove 4 in the direction of the combustion chamber side lying insulator tip 6 extends.
  • the glazed sixth surface area F extends from the foot groove 4 on the combustion chamber side up to a maximum of 2 mm in front of the insulator foot tip 6 on the combustion chamber side, which prevents notching due to mechanical stress.
  • the glazed sixth surface area F advantageously has a sixth length L F and the following relation is fulfilled: 4 mm L L F ((L A + L F + L G ) / 2, the lengths being defined in each case as maximum lengths in the axial direction XX of the spark plug insulator are.
  • the surface area A ' represents a glaze-covered total surface area.
  • the glazed total surface area A' comprises the surface area of the foot groove A and here extends in the direction of the insulator head 1 beyond the first surface area A of the foot groove 4 to the fourth surface area D and on the combustion chamber side to the sixth Surface area F. This contributes to the cross-load capability of the spark plug insulator 10.
  • the first surface area A has a first length L A
  • the second surface area B has a second length L B
  • the third surface area C has a third length L C
  • the fourth surface area D has a fourth length L D
  • the fifth surface area E has a fifth length L E
  • the sixth surface area F a sixth length L F
  • the seventh surface area G a seventh length L G.
  • the total length of the insulator base 2 also results from: 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 seventh surface area G directed towards the insulator tip 6 has a length L G and the following relation is fulfilled: L F L L G.
  • the spark plugs 100 are characterized by a high dielectric strength and very good mechanical strength in a space-saving design.

Landscapes

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

Description

    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 Durchschlag 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 vorzugsweise 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 erfindungsgemäß einen von der Fußkehle brennraumseitig liegenden, benachbarten dritten Oberflächenbereich C vorzugsweise 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 erfindungsgemäß 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 LI 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: 0 < L I ≤ L J + L I / 2
    Figure imgb0001
  • Eine besonders funkenstabile und mechanisch belastbare Glasur ist durch folgende Zusammensetzung gekennzeichnet:
    • SiO2: 37,0 bis 46,0 Gew.-%, bevorzugt 37.0 bis 44.0 Gew.-%
    • B2O3: 12,0 bis 28,0 Gew.-%, bevorzugt 17,5 bis 23,0 Gew.-%
    • Al2O3: 4,0 bis 21,0 Gew.-%, bevorzugt 8,5 bis 16,0 Gew.-%
    • ZnO: 6,0 bis 11,4 Gew.-%, bevorzugt 7,8 bis 11,4 Gew.-%
    • F: 0,6 bis 4 Gew.-%, bevorzugt 0,6 bis 3,0 Gew.-%
    • Li2O: 1,5 bis 4 Gew.-%, bevorzugt 1,9 bis 3,5 Gew.-%
    • Na2O: 0,1 bis 2,5 Gew.-%, bevorzugt 0,1 bis 2,0 Gew.-%
    • K2O: 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 µm und insbesondere 7 bis 25 µm.
  • 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 erfindungsgemäßen Zündkerzenisolators, 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 nicht erfindungsgemäßer vergrößerter Ausschnitt der Teilschnittansicht der Zündkerze aus Figur 2 und
    Figur 4
    ein vergrößerter Ausschnitt einer Teilschnittansicht der 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 11 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 11 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 LI 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: 0 < L I = L J + L I / 2 .
    Figure imgb0002
  • 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 µm, insbesondere von 7 bis 25 µm.
  • 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 (9)

  1. Keramischer Zündkerzenisolator mit einem in Richtung eines elektrischen Anschlussbereichs (5) weisenden Isolatorkopf (1) und einem brennraumseitigen Isolatorfuß (2), wobei der Zündkerzenisolator, in einem Übergangsbereich zwischen dem im Brennraum anordenbaren Isolatorfuß (2) und einem außerhalb des Brennraums anordenbaren 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, wobei der Zündkerzenisolator einen von der Fußkehle (4) brennraumseitig liegenden, benachbarten dritten Oberflächenbereich (C) aufweist, 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.
  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 der von der Fußkehle (4) brennraumseitig liegende, benachbarte dritte Oberflächenbereich (C) eine dritte 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: L A = L B
    Figure imgb0003
     und/oder L A = L C / 2
    Figure imgb0004
     und/oder L B = L C / 2 .
    Figure imgb0005
  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.
  4. Keramischer Zündkerzenisolator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 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.
  5. 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 (L1) 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 I ≤ L J + L I / 2 .
    Figure imgb0006
  6. Keramischer Zündkerzenisolator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasur (12) folgende Zusammensetzung aufweist:
    SiO2: 37,0 bis 46,0 Gew.-%, bevorzugt 37,0 bis 44,0 Gew.-%
    B2O3: 12,0 bis 28,0 Gew.-%, bevorzugt 17,5 bis 23,0 Gew.-%
    Al2O3: 4,0 bis 21,0 Gew.-%, bevorzugt 8,5 bis 16,0 Gew.-%
    ZnO: 6,0 bis 11,4 Gew.-%, bevorzugt 7,8 bis 11,4 Gew.-%
    F: 0,6 bis 4 Gew.-%, bevorzugt 0,6 bis 3,0 Gew.-%
    Li2O: 1,5 bis 4 Gew.-%, bevorzugt 1,9 bis 3,5 Gew.-%
    Na2O: 0,1 bis 2,5 Gew.-%, bevorzugt 0,1 bis 2,0 Gew.-%
    K2O: 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).
  7. Keramischer Zündkerzenisolator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasur (12) eine Schichtdicke von 5 bis 40 µm, insbesondere von 7 bis 25 µm, aufweist.
  8. 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.
  9. Verwendung einer Glasur (12) auf sich im Querschnitt reduzierenden Bereichen eines Zündkerzenisolators (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7
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