DE10229338A1

DE10229338A1 - Zündkerze

Info

Publication number: DE10229338A1
Application number: DE10229338A
Authority: DE
Inventors: Heinz Geier; Rudolf Pollner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-06-29
Filing date: 2002-06-29
Publication date: 2004-01-15
Anticipated expiration: 2022-06-30
Also published as: US7128630B2; US20050227567A1; FR2843244A1; US6922007B2; BR0302053A; US20040066126A1; DE10229338B4; JP2004039634A; FR2843244B1; BRPI0302053B1

Abstract

Es wird eine Zündkerze mit einer keramischen Komponente, deren Oberfläche zumindest teilweise mit einer Glasur überzogen ist, vorgeschlagen, wobei die Glasur 0,6 bis 4 Gew.-% an Fluorid und 6 bis 11,2 Gew.-% an Zinkoxid enthält.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung bezieht sich auf eine Zündkerze und ein Verfahren zu deren Herstellung nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
Glasuren sind zum Schutz keramischer Oberflächen weit verbreitet. Derartige Glasuren werden unter anderem auch bei Isolatoren für Zündkerzen eingesetzt, wobei die Isolatorkeramik durch eine geeignete Glasur vor Umwelteinflüssen geschützt und deren Oberfläche geglättet und optisch ansprechend gestaltet werden soll. Während in der Vergangenheit zu diesem Zweck bleihaltige Glasuren zum Einsatz kamen, wird der Einsatz von Blei im Zuge neuerer Entwicklungen aus Umweltschutzgründen vermieden.

Derartige bleifreie Glasuren sind beispielsweise aus der EP 788 204 A1 bekannt, wobei die Glasuren auf der Basis von Borosilikatgläsern ausgeführt sind und einen allenfalls geringen Bleigehalt aufweisen. Zusätzlich kann ein Fluorid in Form von Natrium- oder Aluminiumfluorid enthalten sein.

Wichtige Kriterien für eine gute Verarbeitbarkeit einer Glasur sind unter anderem deren Schmelzpunkt und die Stabilität der entstehenden Schmelze. Erwünscht sind Glasuren mit einem ausreichend niedrigen Schmelzpunkt und einer möglichst hohen Stabilität gegenüber Kristallisationsvorgängen und Phasenabscheidungen. Der EP 1 168 546 A1 sind Glasuren zu entnehmen, die zur Stabilisierung der Glasur einen Zinkoxidgehalt von 10 bis 30 Mol% enthalten. Der Fluoridgehalt wird auf maximal 1 Mol% beschränkt, die Zugabe von Fluoriden ist jedoch eigentlich unerwünscht.

Demgegenüber besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine bleifreie Glasur für Zündkerzen bereitzustellen, die einen niedrigen Schmelzpunkt bei hoher Stabilität im geschmolzenen Zustand aufweist, im ausgehärteten Zustand gut auf der glasierten Oberfläche haftet und eine hohe mechanische Festigkeit der glasierten Komponenten der Zündkerze gewährleistet.

Vorteile der Erfindung

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird in vorteilhafter Weise dadurch gelöst, dass keramische Komponenten der Zündkerze mit einer Glasur mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 versehen werden. Durch die angegebenen aufeinander abgestimmten Gehalte an Fluorid und Zinkoxid in der Glasur weist diese einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und eine niedere Schmelztemperatur von kleiner 900°C auf, zeigt eine besonders gute Stabilität in der Schmelze und bildet vorteilhafterweise im ausgehärteten Zustand zusätzlich eine glatte Oberfläche aus.

Das ebenfalls der Erfindung zugrundeliegende Herstellungsverfahren ermöglicht es darüber hinaus, den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Glasur an den der zu glasierenden Oberfläche in vorteilhafter Weise anzupassen, sodass die Glasur nach dem Abkühlen und Aushärten unter Druckspannung steht, wodurch eine hohe mechanische Festigkeit der glasier ten Komponenten der Zündkerze erreicht wird. Dies zeigt sich beispielsweise bei Verwendung der Glasur bei Zündkerzenisolatoren an einer hohen Kopfbiegefestigkeit des glasierten Isolators.

Mit den in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Zündkerze möglich.

So kann die Glasur der Zündkerze zusätzlich Barium und/oder Strontium enthalten; dies verbessert die Isolationseigenschaften und die Wasserresistenz der Glasur wesentlich. Weiterhin können Alkalioxide enthalten sein, die zu einer weiteren Verringerung des Schmelzpunktes der Glasur führen. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn der Gehalt an Kaliumoxid mindestens 1,5 mal größer ist als der Gehalt an Natriumoxid.

Die Glasur eignet sich insbesondere als Oberflächenbeschichtung für den Isolator der Zündkerze, da die Glasur sehr beständig gegenüber Umwelteinflüssen ist und gute Isolationseigenschaften aufweist.

Zeichnung
Eine Ausführung der Erfindung ist am Beispiel einer Zündkerze in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die Figur zeigt eine Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels dieser Zündkerze.
Ausführungsbeispiele
Die Zündkerze 10 gemäß vorliegender Erfindung umfaßt ein rohrförmiges metallisches Gehäuse 13, in dem ein keramischer Isolator 24 angeordnet ist. Der Isolator 24 umhüllt an seinem brennraumseitigen Ende 27 eine Mittelelektrode 22 und isoliert sie elektrisch gegenüber dem Gehäuse 13. Er enthält weiterhin einen Kontaktstift 20, der der Übertragung der Spannung auf die Mittelelektrode 22 dient, und an seinem anschlußseitigen Ende 28 ein Anschlußmittel 11. Das Anschlußmittel 11 gewährleistet die elektrische Kontaktierung der Mittelelektrode 22 an eine externe, nicht dargestellte Spannungsversorgung. Es umfaßt im wesentlichen einen Anschlußbolzen 12, der zusätzlich an seinem anschlußseitigen Ende mit einem Gewinde und einer Anschlußmutter 19 versehen ist. Zwischen dem Anschlußmittel 11 und dem Kontaktstift 20 befindet sich ein Abbrandwiderstand 25, der aus einem elektrisch leitenden Glas besteht und der sowohl eine mechanische Verankerung der im Isolator 24 angeordneten Zündkerzenkomponenten bewirkt als auch einen gasdichten Abschluß gegenüber dem Verbrennungsdruck darstellt. Zwischen dem Isolator 24 und dem Gehäuse 13 befindet sich ein innerer Dichtsitz 17, der das Innere der Zündkerze 10 gegenüber dem Verbrennungsraum abdichtet.
Am Gehäuse 13 sind eine oder mehrere Masseelektroden 21 angeschweißt. Zwischen ihnen und der Mittelelektrode 22 wird der Zündfunke erzeugt.
Das Gehäuse 13 weist an seiner Außenseite einen Sechskant 14 auf, der das Einschrauben der Zündkerze in einen Motorblock ermöglicht. Des weiteren ist ein äußerer Dichtsitz 16 vorgesehen, der die Umgebungsatmosphäre gegenüber dem Verbrennungsraum abdichtet. Das auf dem Gehäuse 13 aufgeprägte Einschraubgewinde 18 dient der Verankerung der Zündkerze im Motorblock.
Der Isolator 24 weist zumindest auf seiner der Umgebungsatmosphäre zugewandten Außenseite eine Glasur 26 auf, die auf der Basis eines bleifreien Borosilikatglases ausgeführt ist.
Es ist jedoch auch möglich, den Isolator 24 auf weiteren Teilflächen zu glasieren. Die Glasur weist folgende Grundzusammensetzung in Gewichtsprozent auf:
SiO₂ 37.0 bis 46.0, bevorzugt 37.0 bis 44.0
B₂O₃ 12.0 bis 28.0, bevorzugt 17.5 bis 23.0
Al₂O₃ 4.0 bis 21.0, bevorzugt 8.5 bis 16.0
ZnO 6.0 bis 11.4, bevorzugt 7.8 bis 11.4
F 0.6 bis 4, bevorzugt 0.6 bis 3.0
Li₂O 1.5 bis 4, bevorzugt 1.9 bis 3.5
Na₂O 0.1 bis 2.5, bevorzugt 0.1 bis 2.0
K₂O 0.5 bis 4.5, bevorzugt 3,0 bis 4,5
CaO 1.8 bis 6, bevorzugt 2.1 bis 4.2
SrO 0.1 bis 3.6, bevorzugt 0.1 bis 1.2
BaO 0.8 bis 6.8, bevorzugt 4.5 bis 6.5
Die Eigenschaften von Glasuren mit der genannten Grundzusammensetzung wurden an den folgenden, als Ausführungsbeispiele zu verstehenden Glasuren überprüft. Alle Zahlenangaben erfolgen in Gewichtsprozent. Die Mengenangaben der einzelnen Elementoxide beziehen sich auf Glasuren nach Zugabe der entsprechenden Menge an Kaolin bzw. Bentonit. Dabei wurde zu zwei Grundglasuren 1 bzw. 5 eine variierende Menge an Kaolin unter Bildung der Glasuren 2 bis 4 bzw. 6 bis 9 zugesetzt, wobei die erste Grundglasur 1 einen höheren Gehalt an Zink-, Kalzium- und Strontiumoxid aufweist, die zweite Grundglasur 5 hingegen mehr Natrium- und Kaliumoxid enthält als Grundglasur 1.
Ausgehend von den beiden Grundglasuren 1 und 5 lässt sich beobachten, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient bei einem Kaolinanteil von mehr als 10 Gew.% sinkt bei gleichzeitig steigender Kopfbiegefestigkeit der entsprechenden Zündkerze. Kaolingehalte von mehr als 30 Gew.% zeigen keine wesentliche Verbesserung der Eigenschaften der entsprechenden Glasuren gegenüber Glasuren, die 30 Gew.% an Kaolin enthalten.
Die Herstellung der Glasur erfolgt, indem eine Glasurfritte als Pulver mit ebenfalls pulverförmigem Kaolin bzw. Bentonit vermischt wird, wobei der Gehalt an Kaolin und gegebenenfalls Bentonit so gewählt wird, dass die gebrannte Glasur einen thermischen Ausdehnungskoeffizient von < 7⋅10^–6 1/K aufweist. Unter Kaolin wird dabei im wesentlichen ein kaolinithaltiger Ton verstanden, wobei Kaolinit ein mineralisches Aluminiumhydroxysilicat darstellt. Bentonit ist ein Tonmaterial, das ein gemischtes Natrium-Aluminium-Magnesiumhydroxysilikat enthält.
Die pulverförmigen Ausgangsstoffe werden mit Wasser oder einem anderen Lösungsmittel unter Zusatz eines organischen Binders vermischt und durch Aufsprühen, Aufrollen oder Tauchen auf den zu glasierenden Isolator 24 aufgetragen. Die Schichtdicke der Glasur liegt dabei vorzugsweise zwischen 5 und 40 μm. Abschließend erfolgt eine Hitzebehandlung bei Temperaturen von 850 bis 900°C, wobei der Isolator 24 gebrannt wird und aus den Ausgangsbestandteilen die Glasur entsteht.

Claims

Zündkerze mit einer keramischen Komponente, deren Oberfläche zumindest teilweise mit einer Glasur überzogen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasur 0.6 bis 4 Gew.% an Fluorid und 6 bis 11.2 Gew.% an Zinkoxid enthält.
Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasur zusätzlich 0.8 bis 6.8 Gew.% Barium und/oder 0.1 bis 3.6 Gew.% Strontium enthält.
Zündkerze nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasur 37 bis 46 Gew.% Siliciumdioxid enthält.
Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasur Natrium- und Kaliumoxid enthält, wobei der Gehalt an Kaliumoxid in Gew.% mindestens 1,5 mal größer ist als der an Natriumoxid.
Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasur 0.5 bis 4.5 Gew.% an Kaliumoxid aufweist.
Zündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasur frei von Oxiden des Eisens und des Zirkons ist.
Zündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur, bei der die Glasur einen spezifischen Widerstand von 1 MOhm*cm aufweist, zwischen 400 und 520°C liegt.
Zündkerzenisolator, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Glasur nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7 aufweist.
Verfahren zur Herstellung einer Zündkerze, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei keramische Komponenten der Zündkerze mit einer Glasur versehen werden, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Glasur eine keramische Ausgangssubstanz mit Kaolin und/oder Bentonit versetzt wird, derart, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient der gebrannten Glasur < 7⋅10^–6 1/K ist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Ausgangssubstanz mit bis zu 5 Gew.% Bentonit und/oder 10 bis 30 Gew.% Kaolin versetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Ausgangssubstanz nach Zusatz von Bentonit und/oder Kaolin bei einer Temperatur < 900°C geschmolzen wird.