WO2016037739A1 - Keramischer zündkerzenisolator, zündkerze, verfahren zur herstellung eines zündkerzenisolators - Google Patents

Keramischer zündkerzenisolator, zündkerze, verfahren zur herstellung eines zündkerzenisolators Download PDF

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WO2016037739A1
WO2016037739A1 PCT/EP2015/066145 EP2015066145W WO2016037739A1 WO 2016037739 A1 WO2016037739 A1 WO 2016037739A1 EP 2015066145 W EP2015066145 W EP 2015066145W WO 2016037739 A1 WO2016037739 A1 WO 2016037739A1
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WO
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surface area
insulator
spark plug
combustion chamber
surface roughness
Prior art date
Application number
PCT/EP2015/066145
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English (en)
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Inventor
Klaus BUNDSCHUH
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01TSPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T13/00Sparking plugs
    • H01T13/20Sparking plugs characterised by features of the electrodes or insulation
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01TSPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T13/00Sparking plugs
    • H01T13/20Sparking plugs characterised by features of the electrodes or insulation
    • H01T13/38Selection of materials for insulation

Definitions

  • the present invention relates to a ceramic spark plug insulator, a spark plug including the same, and a method of manufacturing the spark plug insulator, and a use of the method.
  • the wall thicknesses of the ceramic insulator mounted on the side facing the outside of the spark plug and separating the center electrode from the ground electrode are also reduced. Especially in combustion chamber side areas, in which also reduces the cross section of the insulator, this often leads to problems
  • the ceramic spark plug insulator according to the invention with the features of claim 1, however, is characterized by a high in slimmer geometry
  • Insulator region which according to the invention a cross-sectional reduction, called Cohnhle includes, a first surface area A with a reduced average Surface roughness R a1 is formed.
  • the entire first surface area A of the foot gutts has a first average surface roughness R a1 , which is opposite to the surface roughness of the adjacent ones
  • Spark plug insulator (third surface area C) are present, is reduced.
  • the second surface area B has a second average surface roughness R a 2 and the third surface area C has a third mean surface roughness R a 3, and the following relations are satisfied: R a1 ⁇ R a2 and R a i ⁇ R a 3 - only through the Reduced surface roughness R a1 in the first surface area A makes it possible to provide a spark plug insulator which is thinner in its dimensions and thus also a space-saving spark plug which does not have any loss of stability in terms of electrical and mechanical properties.
  • This reduced surface roughness reduces the incidence of peaks and edges in the ceramic material of the insulator, more specifically, in the first surface area A, thereby minimizing localized electrical field elevations in the operation of the spark plug. This has the consequence that the electrical Durschlag takes place only at higher voltages.
  • the dielectric strength of a spark plug with the ceramic insulator according to the invention is thus improved.
  • notches in the formula (1) can be reduced, which optimizes the mechanical transverse load capacity in this area and increases the strength of the spark plug under operating conditions. Due to the increased strength, in particular a cross-section of the spark plug insulator in the region of the foot groove as well as in insulator regions adjoining the foot gutter can be reduced.
  • the average surface roughness is determined using a white light interferometer. The rating size for the
  • the first average surface roughness R a1 is as low as possible in terms of improving the dielectric strength and the mechanical strength. It has been shown that a first mean surface roughness R a1 , which advantageously has a maximum of 16 ⁇ m, more preferably 5 to 16 ⁇ m, and in particular 8 to 12 ⁇ leads to significantly improved values of Durschlagfesttechnik and the mechanical strength of a spark plug. Lower middle
  • 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 lengths of the corresponding surface areas are each as maximum lengths in
  • the second surface area B comprises a foot area adjacent to the foot area D with a first average surface roughness R a1 and one to the fourth
  • the fourth surface area D extends from the foot groove up to 4 mm, in particular up to 3 mm, in the direction of the insulator head and thus forms a transition area between the first surface area A and the fifth surface area E.
  • the sixth surface area F extends from theticiankehle combustion chamber side maximum up to 2 mm in front of the
  • a sixth length L F of the sixth surface region F can advantageously fulfill the following relation: 4 mm ⁇ L F ⁇ (L A + L F + L G ) / 2, the lengths being in each case as maximum lengths in the axial direction XX of the
  • Spark plug insulator are defined. Thus, a length of the lower foot area surface area is reduced in average
  • Surface roughness R a1 of the combustion chamber side Isolatorfußes advantageously at least 4 mm and is at most as long as half the length of the combustion chamber side Isolatorfußes. 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 a high space-saving design
  • the spark plug insulator is a ceramic spark plug insulator with an insulator head pointing in the direction of an electrical connection region and an insulator base on the combustion chamber side, wherein
  • Spark plug insulator in a transition region between the insulating base located in the combustion chamber and the outside of the combustion chamber
  • the method according to the invention comprises the step of reducing a first average surface roughness R a1 in a first direction to the outside of the spark plug insulator
  • the inventive method can in a simple manner and by means of technically easily implementable steps
  • the method has application to ceramic insulators for space-reduced spark plugs, which in a transition region between the combustion chamber side insulator portion and lying outside of the combustion chamber insulator portion a cross-section reduction, a so-called perspectivekehle, and are reduced in particular in the cross section of the insulator in the region of this protagonistkehle and adjacent to the protagonistkehle insulator areas.
  • the method according to the invention also eliminates predetermined breaking points in the ceramic material and prevents notch formation under mechanical stress, which contributes to increasing the mechanical stability of the ceramic insulator.
  • the spark plug insulator comprises an adjacent second surface region B lying from the foot groove in the direction of the insulator head and an adjacent third surface region C lying on the combustion chamber side, the second surface region B having a fourth surface region D adjacent to the foot groove with a first average surface roughness R a1 , ie a surface area D, in which the average surface roughness, as in the first surface area A, is likewise reduced by the method according to the invention.
  • the second average surface roughness R a1 ie a surface area D, in which the average surface roughness, as in the first surface area A, is likewise reduced by the method according to the invention.
  • surface region B advantageously comprises a fifth surface region E adjoining the fourth surface region D in the direction of the insulator head with a second average surface roughness R a2 , where R a1 is smaller than R a2 .
  • the fourth surface area D in which the surface roughness is reduced or reduced, extends from the foot groove to 4 mm, in particular up to 3 mm in the direction of the insulator head.
  • the third surface area C comprises a sixth surface area F adjoining the foot cavity with a first mean surface roughness R a1 , ie likewise a region in which the mean surface roughness is reduced by the method according to the invention.
  • the third surface area C includes a to the sixth surface area F in the direction an insulator toe following seventh surface area G having a third average surface roughness R a3 , where R a1 is less than R a3 .
  • the sixth surface area F extends from the foot groove on the combustion chamber side at most up to 2 mm in front of the insulator foot tip on the combustion chamber side.
  • a sixth length L F of the sixth can be further advantageous
  • Spark plug insulator are defined. Accordingly, a length of the area located below the contemplatkehle area with reduced surface roughness R a1 of the combustion chamber side insulator is advantageously at least 4 mm and is at most as long as half the length of the combustion chamber side Isolatorfußes.
  • the method according to the invention can be used in particular to increase the breakdown strength of a spark plug, which prolongs the service life of the spark plug.
  • FIG. 1 shows a partial sectional view of a first spark plug according to the invention
  • FIG. 2 is a partial sectional view of the spark plug of FIG. 1;
  • Figure 4 is an enlarged detail of a partial sectional view of a second
  • 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. On the housing 7, a thread 12 is arranged, which is designed for attachment of the spark plug 100 in a cylinder head 14. 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 Isolatorfuß 2 is a
  • Installation area 3 which has a cross-sectional reduction, a so-called waist 9a and a waist 9b.
  • the waist 9b may comprise a hexagon, which facilitates the screwing of the spark plug 100 in the cylinder head.
  • the combustion chamber as shown here, be sealed gas-tight from the area outside the combustion chamber by a sealing ring 1 1.
  • the Theticiankehle 4 has a directed to the outside of the spark plug insulator 10 first surface area A with a first average surface roughness R a1 . At one of thenackehle 4 lying in the direction of the insulator head 1,
  • the mounting portion 3 has the spark plug insulator 10 has a second surface area B directed to the outside of the spark plug insulator 10 with a second middle area
  • the Isolatorfuß 2 has a directed to the outside of the spark plug insulator third
  • the surface roughness R a1 is less than the surface roughness R a2 and
  • the first mean surface roughness R a1 is advantageously not more than 16 ⁇ m, in particular from 5 to 16 ⁇ m, and in particular from 8 to 12 ⁇ m.
  • FIG 3 is a detailed view of a section of the transition region between the insulator base 2 located in the combustion space and the installation area 3 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 surface area A, ie exclusively in a section of the foot-throat 4 reducing in cross-section, and here in its first surface area A, the first surface roughness R a1 is reduced.
  • the cross-section in the adjacent regions of theticiankehle 4 is substantially constant.
  • the first surface area A has a first length L A , the second
  • Surface area B of the mounting area 3 has a second length L B and the third surface area C has a third length L c .
  • the lengths are defined in each case as maximum lengths in the axial direction XX of the spark plug insulator.
  • An overall length of the combustion chamber side isolator base 2 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 space and the installation area 3 of a second spark plug 100 according to the invention located outside the combustion chamber.
  • the second surface area B of the installation area 3 comprises a fourth surface area D adjoining the foot groove 4 and one to the fourth
  • the fourth surface area D has, like the first surface area A, a first average surface roughness R a1 , while the fifth surface area E has a second mean surface roughness R a2 greater than that first average surface roughness R a1 .
  • the surface area with reduced average surface roughness is thus extended starting from the foot groove 4 in the direction of the insulator head 1, specifically the fourth extends
  • the third surface area C comprises a sixth surface area F adjoining the foot groove 4 with a first middle area
  • Surface area F in this case extends from the foot groove 4 on the combustion chamber side to a maximum of 2 mm in front of the combustion chamber-side insulator tip 6, which prevents notch formation due to mechanical stress.
  • the sixth length L F of the sixth surface region F satisfies the following relationship: 4 mm ⁇ L F ⁇ (L A + L F + L G ) / 2.
  • the surface area A ' represents a total surface area in which the surfaces have an average surface roughness R a1 which is less than in the surrounding areas.
  • the total surface area A ' comprises the surface area of the solicitkehle A and extends here in the direction of the insulator head 1 over the first surface area A of theticiankehle 4 addition to the fourth surface area D and the combustion chamber side to the sixth
  • the first surface area A again 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 and 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 is a sixth length L F
  • the seventh surface area G is a seventh length L G.
  • the spark plugs 100 are characterized by space-saving design by a high dielectric strength and very good mechanical strength.

Landscapes

  • Spark Plugs (AREA)

Abstract

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

Description

Beschreibung
Titel
KERAMISCHER ZÜNDKERZENISOLATOR, ZÜNDKERZE, VERFAHREN
ZUR HERSTELLUNG EINES ZÜNDKERZENISOLATORS
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft einen keramischen Zündkerzenisolator, eine Zündkerze umfassend denselben, sowie ein Verfahren zur Herstellung des Zündkerzenisolators und eine Verwendung des Verfahrens.
Um Bauraum im Zylinderkopf eines Kraftfahrzeugs zu sparen, geht der Trend zu langen, schlanken Zündkerzen. Hierzu werden auch die Wandstärken des keramischen Isolators, der auf der zur Außenseite der Zündkerze gerichteten Seite angebracht ist und die Mittelelektrode von der Masseelektrode trennt, ebenfalls verringert. Gerade in brennraumseitigen Bereichen, in denen sich zudem der Querschnitt des Isolators reduziert, führt dies häufig zu Problemen bei
Querbelastung des Isolatorfußes und im Hinblick auf die Durchschlagfestigkeit, da hier die höchsten elektrischen Felder vorliegen. Oberflächendefekte auf der keramischen Isolatorhaut verstärken diese Problematik.
Offenbarung der Erfindung
Der erfindungsgemäße keramische Zündkerzenisolator mit den Merkmalen des Anspruches 1 zeichnet sich hingegen bei verschlankter Geometrie durch eine hohe
Durchschlagfestigkeit und verbesserte mechanische Stabilität, und insbesondere eine erhöhte Bruchfestigkeit, aus. Dies wird dadurch erzielt, dass in kritischen Bereichen des Zündkerzenisolators, also in einem zur Außenseite des
Zündkerzenisolators gerichteten Übergangsbereich zwischen einem im Brennraum liegenden Isolatorfuß und einem außerhalb des Brennraums liegenden
Isolatorbereich, der erfindungsgemäß eine Querschnittsverringerung, Fußkehle genannt, umfasst, ein erster Oberflächenbereich A mit einer reduzierten mittleren Oberflächenrauheit Ra1 gebildet ist. Mit anderen Worten weist der gesamte erste Oberflächenbereich A der Fußkehle eine erste mittlere Oberflächenrauheit Ra1 auf, die gegenüber der Oberflächenrauheit der benachbart liegenden
Oberflächenbereiche, also solchen Bereichen des Zündkerzenisolators, die ebenfalls zur Außenseite des Zündkerzenisolators gerichtet sind aber an einem von der Fußkehle in Richtung des Isolatorkopfes liegenden, benachbarten Abschnitt des Zündkerzenisolators (zweiter Oberflächenbereich B) und an einem von der
Fußkehle brennraumseitig liegenden, benachbarten Abschnitt des
Zündkerzenisolators (dritter Oberflächenbereich C) vorhanden sind, reduziert ist. Der zweite Oberflächenbereich B hat dabei eine zweite mittlere Oberflächenrauheit Ra2 und der dritte Oberflächenbereich C hat eine dritte mittleren Oberflächenrauheit Ra3 , und folgende Relationen sind erfüllt: Ra1 < Ra2 und Rai < Ra3 - Erst durch die reduzierte Oberflächenrauheit Ra1 im ersten Oberflächenbereich A 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 diese reduzierte Oberflächenrauheit wird das Auftreten von Spitzen und Kanten im keramischen Material des Isolators, genauer gesagt im ersten Oberflächenbereich A, verringert, wodurch lokale Überhöhungen des elektrischen Feldes bei Betrieb der Zündkerze minimiert werden. 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 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. Durch die gesteigerte Festigkeit kann insbesondere auch ein Querschnitt des Zündkerzenisolators im Bereich der Fußkehle sowie in an die Fußkehle angrenzenden Isolatorbereichen reduziert werden. Die mittlere Oberflächenrauheit wird dabei unter Verwendung eines Weißlichtinterferrometers bestimmt. Die Beurteilungsgröße für die
Oberflächenrauheit ist Rmax gemäß DIN EN ISO 4287.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Vorteilhafterweise ist die erste mittlere Oberflächenrauheit Ra1 im Hinblick auf eine Verbesserung der Durchschlagfestigkeit und der mechanischen Festigkeit möglichst gering. Es hat sich gezeigt, dass eine erste mittlere Oberflächenrauheit Ra1 , die vorteilhafterweise maximal 16 μηη, weiter vorteilhaft 5 bis 16 μηη und insbesondere 8 bis 12 μηι beträgt, zu deutlich verbesserten Werten der Durschlagfestigkeit und der mechanischen Festigkeit einer Zündkerze führt. Geringere mittlere
Oberflächenrauheiten sind zwar möglich, jedoch aus Gründen der Wirtschaftlichkeit der Herstellung des keramischen Isolators weniger bevorzugt.
Zur weiteren Verbesserung der Durchschlagfestigkeit sowie der mechanischen Stabilität des keramischen Zündkerzenisolators weist der erste Oberflächenbereich A eine erste Länge LA, der zweite Oberflächenbereich B eine zweite Länge LB, der dritte Oberflächenbereich C eine dritte Länge Lc auf und mindestens eine der folgenden Relationen ist erfüllt: LA = LB, LA = Lc/2, 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, umfasst der zweite Oberflächenbereich B einen zur Fußkehle benachbart liegenden vierten Oberflächenbereich D mit einer ersten mittleren Oberflächenrauheit Ra1 und einen sich an den vierten
Oberflächenbereich D in Richtung des Isolatorkopfes anschließenden fünften Oberflächenbereich E mit einer zweiten mittleren Oberflächenrauheit Ra2. Hierbei erstreckt sich der vierte Oberflächenbereich D von der Fußkehle bis zu 4 mm, insbesondere bis zu 3 mm, in Richtung des Isolatorkopfes und bildet somit einen Übergangsbereich zwischen dem ersten Oberflächenbereich A und dem fünften Oberflächenbereich E.
Aus vorstehend genanntem Grund ist es ferner vorteilhaft, wenn der dritte
Oberflächenbereich C einen zur Fußkehle benachbart liegenden sechsten
Oberflächenbereich F mit einer ersten mittleren Oberflächenrauheit Ra1 und einen sich an den sechsten Oberflächenbereich F in Richtung einer Isolatorfußspitze anschließenden siebten Oberflächenbereich G mit einer dritten mittleren
Oberflächenrauheit Ra3 umfasst. Der sechste Oberflächenbereich F erstreckt sich dabei von der Fußkehle brennraumseitig maximal bis zu 2 mm vor die
brennraumseitige Isolatorfußspitze. Alternativ oder additiv dazu kann weiter vorteilhaft eine sechste Länge LF des sechsten Oberflächenbereichs F folgende Relation erfüllen: 4 mm < LF < (LA + LF + LG)/2, wobei die Längen jeweils als maximale Längen in Axialrichtung X-X des
Zündkerzenisolators definiert sind. Demnach beträgt eine Länge des unterhalb der Fußkehle gelegenen Oberflächenbereichs mit reduzierter mittlerer
Oberflächenrauheit Ra1 des brennraumseitigen Isolatorfußes vorteilhaft mindestens 4 mm und ist maximal so lang wie die Hälfte der Länge des brennraumseitigen Isolatorfußes. 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 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. Ferner erfindungsgemäß wird auch ein Verfahren zur Herstellung eines
Zündkerzenisolators beschrieben. Der Zündkerzenisolator ist ein keramischer Zündkerzenisolator mit einem in Richtung eines elektrischen Anschlussbereichs weisenden Isolatorkopf und einem brennraumseitigen Isolatorfuß, wobei im
Zündkerzenisolator, in einem Übergangsbereich zwischen dem im Brennraum liegenden Isolatorfuß und dem außerhalb des Brennraums liegenden
Isolatorbereich, eine Fußkehle ausgebildet ist. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst den Schritt des Reduzierens einer ersten mittleren Oberflächenrauheit Ra1 in einem zur Außenseite des Zündkerzenisolators gerichteten ersten
Oberflächenbereich A der Fußkehle. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann auf einfache Weise und mittels technisch leicht umsetzbarer Schritte unter
Verwendung von Standardprozessen ein Zündkerzenisolator mit verbesserter elektrischer und mechanischer Festigkeit, und damit eine Zündkerze mit hoher Durchschlagfestigkeit und guter mechanischer Belastbarkeit, bereitgestellt werden. Das Verfahren findet Anwendung auf keramische Isolatoren für bauraumreduzierte Zündkerzen, die in einem Übergangsbereich zwischen dem brennraumseitigen Isolatorabschnitt und dem außerhalb des Brennraums liegenden Isolatorabschnitt eine Querschnittsreduzierung, eine so genannte Fußkehle, aufweisen und insbesondere im Querschnitt des Isolators im Bereich dieser Fußkehle sowie in an die Fußkehle angrenzenden Isolatorbereichen reduziert sind. Durch die
Reduzierung der mittleren Oberflächenrauheit Ra1 in dem kritischen Bereich der Fußkehle, insbesondere auf maximal 16 μηη, insbesondere auf 5 bis 16 μηη und insbesondere auf 8 bis 12 μηη, können Oberflächendefekte im keramischen
Material, wie z.B. Sinterhäute, herstellungsbedingte Riefen und Ausbrüche entfernt oder zumindest soweit verringert werden, dass lokale Überhöhungen der auftretenden elektrischen Felder in diesem kritischen Bereich verhindert werden. In mechanischer Hinsicht werden durch das erfindungsgemäße Verfahren zudem Sollbruchstellen im keramischen Material beseitigt und einer Kerbenbildung bei mechanischer Belastung vorgebeugt, was zur Steigerung der mechanischen Stabilität des Keramikisolators beiträgt.
Die für den erfindungsgemäßen keramischen Zündkerzenisolator beschriebenen Vorteile, vorteilhaften Effekte und Weiterbildungen finden auch Anwendung auf die erfindungsgemäße Zündkerze und das erfindungsgemäße Verfahren zur
Herstellung eines Zündkerzenisolators.
Vorteilhafterweise umfasst der Zündkerzenisolator einen von der Fußkehle in Richtung des Isolatorkopfes liegenden, benachbarten zweiten Oberflächenbereich B und einen von der Fußkehle brennraumseitig liegenden, benachbarten dritten Oberflächenbereich C, wobei der zweite Oberflächenbereich B einen zur Fußkehle benachbart liegenden vierten Oberflächenbereich D mit einer ersten mittleren Oberflächenrauheit Ra1 aufweist, also einen Oberflächenbereich D, in dem die mittlere Oberflächenrauheit wie im ersten Oberflächenbereich A durch das erfindungsgemäße Verfahren ebenfalls reduziert wird. Der zweite
Oberflächenbereich B umfasst darüber hinaus vorteilhaft einen sich an den vierten Oberflächenbereich D in Richtung des Isolatorkopfes anschließenden fünften Oberflächenbereich E mit einer zweiten mittleren Oberflächenrauheit Ra2, wobei Ra1 kleiner ist als Ra2. Der vierte Oberflächenbereich D, in dem die Oberflächenrauheit reduziert wird bzw. reduziert ist, erstreckt sich von der Fußkehle bis zu 4 mm, insbesondere bis zu 3 mm in Richtung des Isolatorkopfes. Weiter vorteilhaft umfasst der dritte Oberflächenbereich C einen zur Fußkehle benachbart liegenden sechsten Oberflächenbereich F mit einer ersten mittleren Oberflächenrauheit Ra1 , also ebenfalls einen Bereich, in dem die mittlere Oberflächenrauheit durch das erfindungsgemäße Verfahren reduziert wird. Darüber hinaus umfasst der dritte Oberflächenbereich C einen sich an den sechsten Oberflächenbereich F in Richtung einer Isolatorfußspitze anschließenden siebten Oberflächenbereich G mit einer dritten mittleren Oberflächenrauheit Ra3, wobei Ra1 kleiner ist als Ra3. Der sechste Oberflächenbereich F erstreckt sich hierbei von der Fußkehle brennraumseitig maximal bis zu 2 mm vor die brennraumseitige Isolatorfußspitze. Alternativ oder additiv dazu kann weiter vorteilhaft eine sechste Länge LF des sechsten
Oberflächenbereichs F folgende Relation erfüllen:
4 mm < LF < (LA + LF + LG)/2, wobei die Längen jeweils als maximale Längen in Axialrichtung X-X des
Zündkerzenisolators definiert sind. Demnach beträgt eine Länge des unterhalb der Fußkehle gelegenen Bereichs mit reduzierter Oberflächenrauheit Ra1 des brennraumseitigen Isolators vorteilhaft mindestens 4 mm und ist maximal so lang wie die Hälfte der Länge des brennraumseitigen Isolatorfußes. Der
Oberflächenbereich mit reduzierter mittlerer Oberflächenrauheit ist damit über die Grenzen der Fußkehle hinaus erweitert. Dies trägt zur mechanischen und elektrischen Festigkeit des Zündkerzenisolators bei, ohne den Fertigungsaufwand in technischer oder finanzieller Hinsicht wesentlich zu beeinträchtigen. Aufgrund der technisch einfachen Umsetzbarkeit erfolgt das Reduzieren der ersten mittleren Oberflächenrauheit Ra1 vorteilhaft durch Schleifen und/oder Polieren, beispielsweise durch eine der Form der Fußkehle nachgebildete Schleifscheibe, die beispielsweise mit SiC/Korund, Diamant oder anderweitigem Schmirgelmaterial bestückt ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere dazu verwendet werden, die Durchschlagfestigkeit einer Zündkerze zu erhöhen, was die Lebensdauer der Zündkerze verlängert. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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 12 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 vorhanden, der eine Querschnittsreduzierung, eine sogenannte Bundkehle 9a und eine Bundhöhe 9b, aufweist. Die Bundhöhe 9b kann einen Sechskant umfassen, der die Verschraubung der Zündkerze 100 im Zylinderkopf erleichtert.
Im Isolatorfuß 2 gibt es ebenfalls einen Bereich, in dem der Querschnitt reduziert ist, 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 ersten mittleren Oberflächenrauheit Ra1. 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 mit einer zweiten mittleren
Oberflächenrauheit Ra2 auf. In einem von der Fußkehle 4 brennraumseitig liegenden, benachbarten Abschnitt des Zündkerzenisolators 10 weist der Isolatorfuß 2 einen zur Außenseite des Zündkerzenisolators gerichteten dritten
Oberflächenbereich C mit einer dritten mittleren Oberflächenrauheit Ra3 auf. Die Oberflächenrauheit Ra1 ist geringer als die Oberflächenrauheit Ra2 und die
Oberflächenrauheit Ra3, so dass folgenden Relationen erfüllt sind: Ra1 < Ra2 und
Die erste mittlere Oberflächenrauheit Ra1 beträgt vorteilhafterweise maximal 16 μηη, insbesondere 5 bis 16 μηη und insbesondere 8 bis 12 μηη.
Figur 3 ist eine Detailansicht eines Ausschnitts des Übergangsbereichs zwischen dem im Brennraum liegenden Isolatorfuß 2 und dem außerhalb des Brennraums liegenden Einbaubereich 3 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 ersten Oberflächenbereich A, die erste Oberflächenrauheit Ra1 reduziert ist. Dabei ist der Querschnitt in den benachbarten Bereichen der Fußkehle 4 im Wesentlichen konstant.
Der erste Oberflächenbereich A hat eine erste Länge LA, der zweite
Oberflächenbereich B des Einbaubereichs 3 hat eine zweite Länge LB und der dritte Oberflächenbereich C hat eine dritte Länge Lc. Die Längen sind dabei jeweils als maximale Längen in Axialrichtung X-X des Zündkerzenisolators definiert. Eine Gesamtlänge des brennraumseitigen Isolatorfußes 2 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 Einbaubereich 3 einer zweiten erfindungsgemäßen Zündkerze 100. Im Unterschied zu der Zündkerze 100 aus Figuren 1 bis 3, umfasst der zweite Oberflächenbereich B des Einbaubereichs 3 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 hat, ebenso wie der erste Oberflächenbereich A, eine erste mittlere Oberflächenrauheit Ra1 , während der fünfte Oberflächenbereich E eine zweite mittlere Oberflächenrauheit Ra2 aufweist, die größer ist als die erste mittlere Oberflächenrauheit Ra1. Der Oberflächenbereich mit reduzierter mittlerer Oberflächenrauheit ist somit ausgehend von der Fußkehle 4 in Richtung des Isolatorkopfes 1 erweitert, und zwar erstreckt sich der 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 sechsten Oberflächenbereich F mit einer ersten mittleren
Oberflächenrauheit Ra1 und einen sich an den sechsten Oberflächenbereich F in Richtung der Isolatorfußspitze 6 anschließenden siebten Oberflächenbereich G mit einer dritten mittleren Oberflächenrauheit Ra3. Die dritte mittlere Oberflächenrauheit Ra3 ist größer als die erste mittlere Oberflächenrauheit Ra1 , so dass der Bereich der reduzierten Oberflächenrauheit von der Fußkehle 4 ausgehend auch in Richtung der brennraumseitig liegenden Isolatorfußspitze 6 erweitert ist. Der 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.
Ferner vorteilhaft erfüllt die sechste Länge LF des sechsten Oberflächenbereichs F folgende Relation: 4 mm < LF < (LA + LF + LG)/2.
In Figur 4 stellt der Oberflächenbereich A' einen Gesamtoberflächenbereich dar, in dem die Oberflächen eine mittlere Oberflächenrauheit Ra1 aufweisen, die geringer ist als in den umliegenden Bereichen. Der 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. Der erste Oberflächenbereich A hat wiederum 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 Gesamtoberflächenbereich A' mit reduzierter Oberflächenrauheit Ra1 hat damit eine Gesamtlänge von: LA. = LA + LD + LF. Die Gesamtlänge des Isolatorfußes 2 ergibt sich aus: LA + LF + LGj wobei LG + LF = Lc. 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 dem außerhalb des Brennraums liegenden Isolatorbereich, eine Fußkehle (4) umfasst, die einen zur Außenseite des Zündkerzenisolators (10) gerichteten ersten
Oberflächenbereich (A) mit einer ersten mittleren Oberflächenrauheit Ra1 aufweist, und der Zündkerzenisolator an einem von der Fußkehle (4) in Richtung des
Isolatorkopfes (1 ) liegenden, benachbarten zweiten Oberflächenbereich (B) eine zweite mittlere Oberflächenrauheit Ra2 aufweist und an einem von der Fußkehle (4) brennraumseitig liegenden, benachbarten dritten Oberflächenbereich (C) eine dritte mittlere Oberflächenrauheit Ra3 aufweist, und folgende Relationen erfüllt sind: Rai < Ra2 und Rai < Ra3.
2. Keramischer Zündkerzenisolator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste mittlere Oberflächenrauheit Ra1 maximal 16 μηη, insbesondere 5 bis 16 μηη und insbesondere 8 bis 12 μηη, beträgt.
3. Keramischer Zündkerzenisolator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Oberflächenbereich (A) eine erste Länge (LA), der zweite Oberflächenbereich (B) eine zweite Länge (LB) und der 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:
LA = LB und/oder
LA = Lc/2 und/oder
LB = Lc/2.
4. Keramischer Zündkerzenisolator nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Oberflächenbereich (B) einen zur Fußkehle (4) benachbart liegenden vierten Oberflächenbereich (D) mit einer ersten mittleren Oberflächenrauheit Ra1 und einen sich an den vierten
Oberflächenbereich (D) in Richtung des Isolatorkopfes (1 ) anschließenden fünften Oberflächenbereich (E) mit einer zweiten mittleren Oberflächenrauheit Ra2 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.
5. Keramischer Zündkerzenisolator nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Oberflächenbereich (C) einen zur Fußkehle (4) benachbart liegenden sechsten Oberflächenbereich (F) mit einer ersten mittleren Oberflächenrauheit Ra1 und einen sich an den sechsten
Oberflächenbereich (F) in Richtung einer Isolatorfußspitze (6) anschließenden siebten Oberflächenbereich (G) mit einer dritten mittleren Oberflächenrauheit Ra3 umfasst, wobei sich der sechste Oberflächenbereich (F) von der Fußkehle (4) brennraumseitig maximal bis zu 2 mm vor die brennraumseitige Isolatorfußspitze (6) erstreckt und/oder dass eine 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.
6. 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.
7. Verfahren zur Herstellung eines keramischen Zündkerzenisolators (10) mit einem in Richtung eines elektrischen Anschlussbereichs (5) weisenden Isolatorkopf (1 ) und einem brennraumseitigen Isolatorfuß (2), wobei im Zündkerzenisolator (10), in einem Übergangsbereich zwischen dem im Brennraum liegenden Isolatorfuß (2) und dem außerhalb des Brennraums liegenden Isolatorbereich, eine Fußkehle (4) ausgebildet ist, wobei das Verfahren den Schritt des Reduzierens einer ersten mittleren Oberflächenrauheit Ra1 in einem zur Außenseite des Zündkerzenisolators (10) gerichteten ersten Oberflächenbereich (A) der Fußkehle (4), insbesondere auf maximal 16 μηη, insbesondere auf 5 bis 16 μηη und insbesondere auf 8 bis 12 μηη, umfasst.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der
Zündkerzenisolator einen von der Fußkehle (4) in Richtung des Isolatorkopfes (1 ) liegenden, benachbarten zweiten Oberflächenbereich (B) und einen von der Fußkehle (4) brennraumseitig liegenden, benachbarten dritten Oberflächenbereich (C) aufweist, wobei der zweite Oberflächenbereich (B) einen zur Fußkehle (4) benachbart liegenden vierten Oberflächenbereich (D) mit einer ersten mittleren Oberflächenrauheit Ra1 und einen sich an den vierten Oberflächenbereich (D) in Richtung des Isolatorkopfes (1 ) anschließenden fünften Oberflächenbereich (E) mit einer zweiten mittleren Oberflächenrauheit Ra2 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 und folgende Relation erfüllt ist: Ra1 < Ra2 und/oder wobei der dritte Oberflächenbereich (C) einen zur Fußkehle (4) benachbart liegenden sechsten Oberflächenbereich (F) mit einer ersten mittleren Oberflächenrauheit Ra1 und einen sich an den sechsten Oberflächenbereich (F) in Richtung einer Isolatorfußspitze (6) anschließenden siebten Oberflächenbereich (G) mit einer dritten mittleren Oberflächenrauheit Ra3 umfasst, wobei sich der sechste Oberflächenbereich (F) von der Fußkehle (4) brennraumseitig maximal bis zu 2 mm vor die brennraumseitige Isolatorfußspitze (6) erstreckt und wobei Rai < Ra3.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduzieren der ersten mittleren Oberflächenrauheit Ra1 durch Schleifen und/oder Polieren erfolgt.
10. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 7 bis 9 zur Erhöhung der Durchschlagfestigkeit einer Zündkerze (100).
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