DE69900732T2

DE69900732T2 - Zündkerze und Herstellungsverfahren der Zündkerze

Info

Publication number: DE69900732T2
Application number: DE69900732T
Authority: DE
Inventors: Hirohito Ito; Hiroyuki Tanabe
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1998-04-30
Filing date: 1999-04-30
Publication date: 2002-08-14
Anticipated expiration: 2019-05-01
Also published as: EP0954074A3; JPH11317279A; EP0954074B1; JP3859354B2; US6265816B1; EP0954074A2; DE69900732D1

Description

Die Erfindung betrifft eine Zündkerze, die zum Zünden eines Verbrennungsmotors verwendet wird, wobei in der Zündkerze ein Isolator verwendet wird, die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Herstellen des Isolators.
In den vergangenen Jahren hat im Zuge der höheren Ausgangsleistung von Verbrennungsmotoren für Kraftfahrzeuge und Vergleichen die durch Einlaß- und Auslaßventile innerhalb der Verbrennungskammer belegte Fläche zugenommen. Um diesem Umstand Rechnung zu tragen, muß die zum Zünden des Luft-Kraftstoff-Gemisches verwendete Zündkerze eine geringere Baugröße haben, und außerdem neigt die Temperatur in der Verbrennungskammer zu höheren Werten aufgrund von Turboladern und anderen Einrichtungen zur Motoraufladung und dergleichen. Aus diesem Grund werden in großem Umfang Zündkerzen-Isolatoren eingesetzt, die aus Isolierstoffen aus Aluminiumoxidbasis bestehen, die überlegene Wärmebeständigkeit zeigen. Ein weiterer Grund für Isolatoren auf Aluminiumoxidbasis für Zündkerzen ist der, daß Aluminiumoxid eine überlegene Spannungs-Dauerfestigkeit bei hohen Temperaturen aufweisen. Weil allerdings in den vergangenen Jahren der Isolator eine zunehmend geringere Dicke aufgrund der vorerwähnten Miniaturisierung von Zündkerzen aufweist, werden Isolatoren von noch besserer Spannungs-Dauerfestigkeit gefordert.
Beispielsweise wurden in den vergangenen Jahren Isolatoren eingesetzt, in denen der Aluminiumoxidanteil auf 85 Gew.-%, in einigen Fällen auf 90 bis 97 Gew.-% gesteigert war zwecks Verbesserung der Spannungs- Dauerfestigkeit (im folgenden werden Isolatoren mit derart hohen Aluminiumoxidanteilen als hochaluminiumoxidhaltige Isolatoren oder ähnlich bezeichnet). Allerdings wurden vor dem derzeitigen technischen Hintergrund Effekte bei der Verbesserung der Spannungs-Dauerfestigkeit nicht in so bemerkenswertem Umfang in Verbindung mit der Steigerung des Aluminiumoxidanteils erzielt. Der Grund hierfür könnte darin liegen, daß bei herkömmlichen Isolatoren mit hohem Aluminiumoxidanteil die Werkstoffe nicht ausreichend verdichtet waren aufgrund des Mangels an Sinterhilfen, oder daß im Fall des verdichteten Zustands winzige offene Hohlräume in relativ großen Mengen verblieben waren, demzufolge die Auswirkungen der Steigerung des Aluminiumoxidanteils auf die Spannungs- Dauerfestigkeit geringer waren.
Aus diesen Gründen wurde in der japanischen Patent-Offenlegungsschrift SHO 63-190753 ein Aluminiumoxidisolator vorgeschlagen, in welchem feines Aluminiumoxidpulver mit einer mittleren Teilchengröße von etwa 0,1 bis 0,5 um als Rohmaterial verwendet ist, dem zumindest eine der Komponenten Y&sub2;O&sub3;, MgO und La&sub2;O&sub3; als Sinterhilfe beigemengt ist, demzufolge der Aluminiumoxidanteil auf annähernd 95 Gew.-% angehoben wurde, mit dem Ergebnis, daß die Spannungs-Dauerfestigkeit entsprechend verbessert werden konnte. Als Gründe für die Verbesserung der Spannungs-Dauerfestigkeit gibt die Druckschrift an, daß der Isolator weniger anfällig für anfängliche Beeinträchtigung aufgrund der Ausbildung einer hochschmelzenden Korngrenzenphase basierend auf den vorerwähnten Sinterhilfen ist, und daß die Ausbildung der Korngrenzenphase das Wachstum von Aluminiumoxid-Kristallen unterdrückt, was die Struktur mikrofein macht, mit dem Ergebnis, daß Korngrenzenabschnitte, die als elektrisch leitende Pfade fungieren, verlängert und umgangen werden.
Da allerdings bei dem Isolator nach dieser Patent-Offenlegungsschrift die mittlere Partikelgröße von Aluminiumoxid-Kristallkörnern einer Mikrofeinheit von 1 um oder weniger entspricht, besteht die Neigung, daß große Anteile von Resthohlräumen in dem Isolator eingeschlossen sind, was die Spannungs-Dauerfestigkeit abträglich beeinflußt. Außerdem beschreibt die Schrift, daß die Spannungs-Dauerfestigkeit ungeachtet hoher Anteile von Hohlräumen verbessert wird aufgrund der Ausbildung der hochschmelzenden Korngrenzenphase. Allerdings ist es im Großen und Ganzen unmöglich, den Effekt von Hohlräumen vollständig auszuschalten, und die obere Grenze für den Anteil von Aluminiumoxid, die direkten Anteil hat an der Steigerung der Spannungs-Dauerfestigkeit, könnte bei etwa 95 Gew.-% liegen, wie in den Beispielen der Patent-Offenlegungsschrift dargestellt ist. Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß bei an Aluminiumoxid reicheren Zusammensetzungen, eingesetzt zur weiteren Verbesserung der Spannungs-Dauerfestigkeit, die Rate von Hohlräumen immer mehr zunimmt, während die hochschmelzende Korngrenzenphase die Effekte der gesteigerten Rate von Hohlräumen unterdrückt, so daß eine zufriedenstellende Spannungs-Dauerfestigkeit nicht mehr erwartet werden konnte.
Der Patent Abstracts of Japan, Vol. 1998, Nr. 1 und die JP-A-09 227222 zeigen eine Zündkerze nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Zündkerze mit einem Isolator, der eine überlegene Spannungs-Dauerfestigkeit bei hohen Temperaturen im Vergleich zu zum Stand der Technik zählenden Werkstoffen aufweist.
Um dieses Ziel zu erreichen, schafft die vorliegende Erfindung in einem ersten Aspekt eine Zündkerze, welche umfaßt:
eine Mittelelektrode;
eine Metallhülse, die außerhalb der Mittelelektrode angeordnet ist;
eine Masseelektrode, die mit einem Ende an die Metallhülse gekoppelt ist und gegenüber der Mittelelektrode angeordnet ist; und einen Isolator zwischen der Mittelelektrode und der Metallhülse derart angeordnet, daß er das Äußere der Mittelelektrode bedeckt, wobei der Isolator aus einem Isolierstoff gefertigt ist, der sich hauptsächlich aus Aluminiumoxid zusammensetzt, welches eine Al-Komponente in einem Bereich von 95 bis 99,7 Gew.-% in Al&sub2;O&sub3; umgesetztem Gewicht enthält, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Isolator ein Flächenverhältnis, welches von Hauptphasen-Partikeln auf Aluminiumoxidbasis mit einer Partikelgröße von nicht weniger als 20 um belegt ist, bei Betrachtung einer Querschnittstruktur des Isolators nicht weniger als 50% beträgt.
Es sei angemerkt, daß sich der Begriff "Aluminiumoxidbasis-Hauptphase" auf eine Phase bezieht, die 99,8 Gew.-% oder mehr Al-Komponente in in Al&sub2;O&sub3;-konvertiertem Gewicht enthält.
Die Erfinder haben basierend auf einem der in der vorerwähnten japanischen Patent-Offenlegungsschrift SHO 63-190753 offenbarten Methode zuwiderlaufenden Konzept die vorliegende Erfindung dadurch gemacht, daß sie herausfanden, daß ein Isolator für Zündkerzen dadurch deutlich in der Spannungs-Dauerfestigkeit verbessert werden kann, daß man den Isolator mit einer Struktur ausbildet, in der die Aluminiumoxidbasis- Hauptphasenpartikel in passender Weise grob sind, genauer gesagt, eine Struktur aufweist, in der das von den Aluminiumbasis- Hauptphasenpartikeln mit einer Partikelgröße von nicht weniger als 20 um belegte Flächenverhältnis nicht weniger als 50% beträgt. Durch die vorliegende Erfindung ist es möglich, einen Isolator zu schaffen, der in seiner Spannungs-Dauerfestigkeit sowohl bei Zimmertemperatur als auch bei hoher Temperatur den zum Stand der Technik zählenden Zündkerzen überlegen ist, und die in wirksamer Weise vor Schwierigkeiten wie zum Beispiel einem dielektrischen Durchbruch auch dann schützen kann, wenn er Einsatz bei Verbrennungsmotoren mit hoher Ausgangsleistung findet, die hohe Temperaturen innerhalb der Verbrennungskammer entwickeln, oder wenn er bei Miniaturzündkerzen eingesetzt wird, die eine geringe Dicke des Isolators aufweisen.
Der Grund dafür, daß die Spannungs-Dauerfestigkeit des erfindungsgemäßen Isolators verbessert ist, könnte auf den Umstand zurückzuführen sein, daß mit dem erhöhten Volumenanteil der Aluminiumoxidbasis- Hauptphasenpartikel relativ großer Partikelgröße von nicht weniger als 20 um der Anteil der Korngrenzen, die leicht zu einer Verringerung von Durchbruchpfaden führen und außerdem die Anzahl von Dreifachpunkten von Korngrenzen (bei denen aus Sinterhilfen abgeleitete Glasphasen angesammelt werden, was in einfacher Weise Ausgangspunkte für Durchbrüche schafft) ebenfalls abnehmen. Darüber hinaus ist das Flächenverhältnis bevorzugt nicht geringer als 60%.
Dieser Isolator für die oben definierten Zündkerzen läßt sich herstellen durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 8, umfassend: Vorbereiten eines Rohmaterial-Basispulvers durch Vermengen von Aluminiumoxidpulver mit einer mittleren Partikelgröße von nicht mehr als 1 um mit 0,3 bis 5 Gew.-% Sinterhilfekomponenten in einem Verhältnis bezüglich einer Gesamtmenge des Aluminiumpulvers und der Sinterhilfekomponenten; Formen des Rohmaterial-Basispulvers zu einer spezifischen Isolatorkonfiguration; und Backen des Formkörpers bei einer Temperatur von 1450 bis 17000C. Das heißt: auch für die Fertigung des Isolators für erfindungsgemäße Zündkerzen ist es von Bedeutung, Aluminiumoxidpulver mit einer mittleren Partikelgröße von nicht mehr als 1 um als Rohmaterial-Aluminiumoxidpulver zu verwenden, ähnlich der Methode nach der vorerwähnten japanischen Patent-Offenlegungsschrift SHO 63-190753. Der Grund für die Verwendung eines solchen Feinpulver-Rohmaterial- Aluminiumoxids gemäß der Erfindung allerdings unterschiedet sich grundlegend von demjenigen bei der Methode nach der offengelegten Patentanmeldung.
Die Methode nach der offengelegten Patentanmeldung legte das Hauptgewicht auf das Unterdrücken des Kornwachstums von Aluminiumoxid- Kristallkörnern bei dem Sinterprozeß durch Verwendung spezifischer Additive, sodaß eine mikrofeine Struktur erhalten wurde, die sich in der mittleren Partikelgröße des Rohmaterial-Aluminiumoxids wiederspiegelt. Bei der vorliegenden Erfindung jedoch werden die Aluminiumoxidbasis- Hauptphasenpartikel statt dessen gezielt in dem Sinterprozeß zum Wachstum gebracht, indem die mittlere Partikelgröße von Rohmaterial- Aluminiumoxidpulver auf nicht mehr als 1 um eingestellt wird, während das Wachstum als gleichförmig fortschreitend gestaltet wird durch Verwendung von mikrofeinem Rohmaterial-Alunmiumoxidpulver, um auf diese Weise die Ausbildung einer Struktur zu ermöglichen, die eine scharfe Partikelgrößenverteilung aufweist. Im Ergebnis schreitet ungeachtet eines hohen Aluminiumoxidanteils und geringerer Sinterhilfekomponenten die Verdichtung des Sinterkörpers weiter fort, demzufolge der Anteil von in der Struktur verbleibenden Hohlräumen ebenfalls extrem klein wird, während sich die Wärmeleitfähigkeit verbessert. Auf diese Weise wird eine überlegene Spannungs-Dauerfestigkeit erzielt.
Beispielsweise kann das Rohmaterialpulver zur Herstellung des Isolators ein Material sein, in welchem 95 bis 99,7 Gewichtsteile Aluminiumoxidpulver vermengt werden mit 0,03 bis 5 Gewichtsteilen eines Zusatzelementmaterials, das eine oder mehrere Arten aus einer Gruppe enthält, die aus Si, Ca, Mg, Ba und B besteht und als Sinterhilfe dient, angegeben in Oxidgewicht, konvertiert in SiO&sub2; für Si, CaO für Ca, MgO für Mg, BaO für Ba und B&sub2;O&sub3; für B. Der so erhaltene, Isolator enthält Zusatzelementkomponenten von einer Art oder mehreren Arten, ausgewählt aus einer Gruppe Si, Ca, Mg, Ba und B, angegeben in Oxidgewicht, konvertiert in SiO&sub2; für Si, CaO für Ca, MgO für Mg, BaO für Ba und B&sub2;O&sub3; für B. In diesem Fall sind Sinterhilfekomponenten, die das Wachstum der Aluminiumoxidbasis-Hauptphasenpartikel wie bei der Methode nach der vorerwähnten Patent-Offenlegungsschrift extrem unterdrücken, für den Einsatz im Rahmen der Erfindung nicht zu bevorzugen.
Was das Zusatzelementmaterial angeht, so sind zusätzlich zu Oxiden (oder komplexen Oxiden) der Komponenten Si, Ca, Mg und Ba, die für diese Komponenten selbst brauchbar sind, verschiedene Typen anorganischer Rohmaterialpulver brauchbar, so zum Beispiel Hydroxide, Carbonate, Chloride, Sulfate, Nitrate und Phosphate. In diesem Fall ist es notwendig, diese anorganischen Rohmaterialpulver zu verwenden, die sich durch Kalzinieren oder Sintern in Oxide umwandeln lassen. Auch für die B- Komponente können zusätzlich zu Dibortrioxid (B&sub2;O&sub3;) verschiedene Typen von Borsäuren verwendet werden, so zum Beispiel Orthoborsäure (H&sub3;BO&sub3;) sowie weitere Borate von Al, Ca, Mg, Ba und dergleichen, die die Hauptkomponenten-Elemente des Isolators darstellen.
Die Zusatzelementkomponenten schmelzen beidem Sinterprozeß und ergeben eine Flüssigphase, um damit als Sinterhilfe zu dienen, welche die Verdichtung beschleunigt. Wenn der Gesamtanteil (im folgenden mit W1 bezeichnet) vom Zusatzelementkomponenten in dem Isolator, angegeben in in Oxid konvertiertes Gewicht - weniger als 0,03 Gew.-% beträgt, so wird es schwierig, den Sinterkörper zu verdichten, demzufolge es dem Material an Hochtemperaturfestigkeit und Hochtemperatur- Spannungsdauerfestigkeit mangelt, was unerwünscht ist. Wenn hingegen W1 mehr als 5 Gew.-% beträgt, wird es unmöglich, den Aluminiumoxidanteil auf einem Wert zu halten, der nicht weniger als 95 Gew.-% beträgt, so daß die Effekte der vorliegenden Erfindung nicht mehr erreicht werden können. Daher beträgt der Gesamtanteil W1 an Zusatzelementkomponenten vorzugsweise 0,03 bis 5 Gew.-%, bevorzugter 0,03 bis 3 Gew.-%.
Unter den oben genannten Komponenten haben Ba und B außerdem den Effekt, die Hochtemperaturfestigkeit des Isolators spürbar zu verbessern. Die Komponente Ba ist dabei vorzugsweise in einem Anteil von 0,02 bis 0,3 Gew.-% enthalten, angegeben in in BaO konvertiertem Gewicht (im folgenden als WBaO bezeichnet). Ist das WBaO mit weniger als 0,02 Gew.-% enthalten, so wird der Effekt der Beimengung von BaO bei der Verbesserung der Hochtemperaturfestigkeit nicht mehr wahrnehmbar. Bei einem WBaO-Anteil von mehr als 0,3 Gew.-% wird die Hochtemperaturfestigkeit des Materials möglicherweise beeinträchtigt. Bevorzugt wird WBaO in einem Bereich von 0,02 bis 0,2 Gew.-% eingestellt. Die Komponente B ist vorzugsweise in einer Menge von 0,01 bis 0,25 Gew.-% in in B&sub2;O&sub3; konvertiertem Gewicht (im folgenden ausgedrückt als WB&sub2;O&sub3;) enthalten. Wenn WB&sub2;O&sub3; in einem Anteil von weniger als 0,01 Gew.-% enthalten ist, wird der Effekt der Beimengung von WB&sub2;O&sub3; bezüglich der Verbesserung der Hochtemperaturfestigkeit nicht mehr wahrnehmbar. Wenn außerdem WB&sub2;O&sub3; zu mehr als 0,25 Gew.-% enthalten ist, wird möglicherweise die Hochtemperaturfestigkeit des Materials beeinträchtigt. Vorzugsweise wird WB&sub2;O&sub3; in einem Bereich von 0,01 bis 0,15 Gew.-% eingestellt.
Darüber hinaus ist es, damit die Zusatzelementkomponenten wirksamer als Sinterhilfe fungieren, von Bedeutung, eine Flüssigphase in Fluidität zu erzeugen, ohne daß es einen Unterschuß oder einen Überschuß bei einer spezifischen Sintertemperatur gibt, die geringer als für Al&sub2;O&sub3; eingestellt ist. Dies spielt eine bedeutsame Rolle bei der Schaffung einer für den Isolator für Zündkerzen gemäß der Erfindung spezifischen Struktur, die eine Struktur, in der ein "Flächenverhältnis, belegt von Aluminiumbasis- Hauptphasenpartikeln mit einer Partikelgröße von nicht weniger als 20 um, nicht weniger als 50% einer Querschnittstruktur des Isolators ausmacht, zu beobachten ist". Der. Grund hierfür liegt darin, daß die Schaffung einer Flüssigphase in Flüssigkeit die Möglichkeit bietet, ein glattes und gleichförmiges Wachstum der Aluminiumoxidbasis-Hauptphasenpartikel zu beschleunigen.
Wenn dabei eine Mehrzahl von Zusatzelementkomponenten in mehreren Typen miteinander vermengt werden, verbessert sich der flüssige Zustand in der resultierenden Flüssigphase oder deren Benetzbarkeit mit Aluminiumoxidbasis-Hauptphasenpartikeln oder dergleichen, was wiederum den Effekt mit sich bringt, daß eine erfolgreiche Struktur erhalten wird. Als ein Beispiel werden die oben erwähnten fünf Typen von Zusatzelementmaterialien in folgenden Verhältnissen bezüglich der Gesamtmenge an Aluminiumoxidpulver und Zusatzelementmaterialien gemischt:
Si-Komponente: 0,15 bis 2,5 Gew.-% in in SiO&sub2; konvertiertem Gewicht
Ca-Komponente: 0,12 bis 2,0 Gew.-% in in CaO konvertiertem Gewicht
Mg-Komponente: 0,01 bis 0,1 Gew.-% in in MgO konvertiertem Gewicht
Ba-Komponente: 0,02 bis 0,3 Gew.-% in in BaO konvertiertem Gewicht; und
B-Komponente: 0,01 bis 0,25 Gew.-% in in B&sub2;O&sub3; konvertiertem Gewicht
Hierdurch wird es möglich, die Effekte in deutlicher Weise zu erreichen. In diesem Fall besteht der schließlich erhaltene Isolator aus einem Isolierstoff, der 0,15 bis 2,5 Gew.-% Si-Komponente in in SiO&sub2; konvertiertem Gewicht, 0,12 bis 2,0 Gew.-% Ca-Komponente in in CaO konvertiertem Gewicht, 0,01 bis 0,1 Gew.-% Mg-Komponente in in MgO konvertiertem Gewicht, 0,02 bis 0,3 Gew.-% Ba-Komponente in in BaO konvertiertem Gewicht und 0,1 bis 0,25 Gew.-% der B-Komponente in in B&sub2;O&sub3; konvertiertem Gewicht enthält.
Dabei können die Komponenten Ba und B so betrachtet werden, daß sie nicht nur die Wirkung haben, Hochtemperaturfestigkeit des Isolators zu steigern, sondern außerdem eine große Rolle bei der Verbesserung der Flüssigkeit der Flüssigphase zu spielen, welche bei dem Sinterprozeß erzeugt wird, um die oben erläuterte Struktur zu bilden, die für den Isolator bei erfindungsgemäßen Zündkerzen spezifisch ist.
Bei dem ersten Aspekt der Zündkerze und des Isolators für Zündkerzen, wie sie oben angegeben wurden, läßt sich die Spannungsdauerfestigkeit des Materials deutlich verbessern, wenn die mittlere vorhandene Anzahl von Hohlräumen mit einer Größe von nicht weniger als 10 um pro mm² in einem betrachteten Querschnitt einer Querschnittstruktur weniger als 100 beträgt. Dies könnte zurückzuführen sein auf eine Abnahme von Plätzen, die als Ausgangspunkte für dielektrische Durchbrüche bei hoher angelegter Spannung fungieren. In erstrebenswerter Weise beträgt die vorhandene Anzahl von Hohlräumen nicht mehr als 90.
Durch Beschleunigen der Verdichtung des Isolierstoffs und durch Steuern der Struktur in der oben beschriebenen Weise läßt sich außerdem bei dem ersten Aspekt der Erfindung eine hohe Wärmeleitfähigkeit von zum Beispiel 25 W/m·K oder darüber garantieren. Im Ergebnis wird der Isolator eine bessere Wärmesenke und weist eine zufriedenstellende Hitzebeständigkeit auf, mithin eine verbesserte Spannungsdauerfestigkeit bei hohen Temperaturen. Während eine hohe Spannung an den Isolator gelegt wird, wird aufgrund von Leckströmen Joule'sche Wärme erzeugt, und wenn die Joule'sche Wärme in dem Isolator ohne progressive Abstrahlung angesammelt wird, steigt die Temperatur des Isolators und sinkt sein Widerstandswert mit der Folge, daß es zu einer weiteren Zunahme des Leckstroms kommt. Im Ergebnis könnte gegebenenfalls aufgrund der Temperaturzunahme in dem Isolator bedingt durch die Joule'sche Wärme und durch die Leckstrom-Zunahme, bedingt durch die Abnahme des Isolationswiderstandswerts, aufgrund eines Multiplikationseffekts der Leckstrom rasch zunehmen, was möglicherweise zu einem dielektrischen Durchbruch führte. Dieses Phänomen wird im allgemeinen als thermisches Durchgehen bezeichnet. Das Einstellen der Wärmeleitfähigkeit auf nicht weniger als 25 W/m·K erleichtert das Fortschreiten der Wärmeabstrahlung von dem Isolator, was wiederum die Wirkung hat, daß das thermische Durchgehen verhindert oder unterdrückt wird. Darüber hinaus wird die Wärmeleitfähigkeit bevorzugt auf 28 W/m·K oder darüber festgelegt.
Bei dem Isolator beträgt der Wert für die Durchbruchspannung bei 20ºC bevorzugt nicht weniger als 37 kV im Hinblick auf die Garantie der Haltbarkeit des Isolators, insbesondere der Haltbarkeit bei Durchbrüchen. Es sei angemerkt, daß die dielektrische Stehspannung des Isolators sich in folgender Weise messen läßt: wie in Fig. 9 gezeigt, wird eine Masseelektrode von einer Metallhülse 1 einer Zündkerze 10 entfernt, in welchem Zustand die Öffnungsseite der Metallhülse 1 in ein flüssiges Isoliermedium, beispielsweise Siliconöl, eingetaucht wird, so daß sich die Lücke zwischen der Außenseite des Isolators 2 und der Innenseite der Metallhülse 1 mit dem flüssigen Isolierstoff füllt, so daß sie voneinander isoliert sind. In diesem Zustand wird ein Hochspannungs-Gleichstromimpuls zwischen die Metallhülse 1 und die Mittelelektrode 3 aus einer Hochspannungsquelle gelegt, während die resultierende Spannungswellenform (durch einen Spannungsteiler mit einem geeigneten Faktor heruntergeteilt) mit Hilfe eines Oszilloskops oder dergleichen betrachtet wird. Dann wird ein Spannungswert VD zur Zeit des Durchbruchs an dem Isolator 2 an der Spannungswellenform abgelesen und als Durchbruchspannung hergenommen.
Das den Isolator bildende Isoliermaterial kann als Hilfs- Zusatzelementkomponenten zusammen mit den vorerwähnten Zusatzelementkomponenten solche Elementkomponenten einer oder mehrerer Arten enthalten, die aus der Gruppe Sc, V, Mn, Fe, Co, Cu und Zn in einer Gesamtmenge von 0,1 bis 2,5 Gew.-% (vorzugsweise 0,2 bis 0,5 Gew.-%) in in Oxid konvertiertem Gewicht enthalten. Dies führt zu einem Effekt, der speziell ist für die Steigerung der Spannungsdauerfestigkeit bei hohen Temperaturen des Isolators. Die Zugabe der Mn-Komponente unter den oben genannten Komponenten zeigt einen deutlichen Effekt bei der Verbesserung der Spannungsdauerfestigkeit und ist damit für die vorliegende Erfindung bevorzugt.
Während die Komponente Mn (oder MnO) die Beobachtung eines Verbesserungseffekts der Spannungsdauerfestigkeit erwarten läßt, selbst wenn das Element allein verwendet wird, so ermöglicht doch das gemeinsame Zugeben der Mn-Kamponente gemeinsam mit der Cr-Komponente (oder Cr&sub2;O&sub3;) einen noch deutlicheren Verbesserungseffekt auf die Spannungsdauerfestigkeit. In diesem Fall sollte unter der Annahme, daß die Mn- Komponente bei der Umwandlung in MnO den Wert WMn (in Gew.-%) hat und die Cr-Komponente bei der Umwandlung in Cr&sub2;O&sub3; g den Wert WCr (in Gew.-%) hat, der Anteil der Mn- und Cr-Komponenten so sein, daß der Wert WMn/WCr in einem Bereich von 0,1 bis 10,0 fällt. Liegt der Wert von WMn/WCr außerhalb dieses Bereichs, so ist nicht notwendigerweise ein Coadditionseffekt wahrnehmbar. Werden nur die Mn- und Cr- Komponenten als Hilfs-Zusatzelementkomponenten verwendet, so ist es empfehlenswert, den Wert von WMn+WCr in einem Bereich von 0,1 bis 2,5 Gew.-%, bevorzugt 0,2 bis 0,5 Gew.-% zu halten.
Bei Diskussionen der Erfinder hat sich gezeigt, daß durch gemeinsame Zugabe der Mn-Komponente und der Cr-Komponente eine Mn-Al-Basis- Kompositoxidphase (zum Beispiel Mn = Al-Basis-Spinelphase) mit hohem Schmelzpunkt in dem Isolator entsteht. Während sich basierend auf den Sinterhilfekomponenten eine Glasphase ausbildet und die Aluminiumoxidbasis-Hauptphase des Isolators umgibt, so hat diese Glasphase eine höhere elektrische Leitfähigkeit als die Primärphase, so daß es wahrscheinlich ist, daß sie leitende Wege bei dielektrischen Durchbrüchen bildet. Unter den Isolatoren gemäß der Erfindung jedoch läßt sich bei solchen Isolatoren, die eine Zusammensetzung besitzen, in denen die Mn-Komponente und die Cr-Komponente gemeinsam hinzugefügt sind, schlußfolgern, daß Komposit-Oxid-Phasen mit hohem Schmelzpunkt sich in der Glasphase verteilt ausbilden, wodurch leitende Pfade abgeschnitten oder umgangen werden, was folglich die Stehspannung gegenüber dielektrischen Durchbrüchen verbessert.
Da die Zusatzelementkomponenten oder Hilfs-Zusatzelementkomponenten in dem Isolator hauptsächlich in Oxidform enthalten sind, ist es häufig unmöglich, das Vorhandensein in Oxidform zu unterscheiden, bedingt durch Faktoren wie zum Beispiel die Bildung einer amorphen Glasphase. Wenn in einem derartigen Fall der Gesamtanteil von Zusatzelementkomponenten in in Oxid konvertiertem Wert innerhalb des vorerwähnten Bereichs liegt, wird der Isolator als im Rahmen der Erfindung liegend betrachtet. Außerdem läßt sich verifizieren, ob eine Al-Komponente und Zusatzelementkomponenten in dem Isolator in Oxidform enthalten sind oder nicht, indem folgende Verfahren (1) bis (3) oder ihre Kombinationen angewendet werden:
(1) durch Röntgenstrahlbeugung wird nachgewiesen, ob ein Beugungsmuster erhalten werden kann oder nicht, an welchem sich die kristalline Struktur eines spezifischen Oxids wiederspiegelt;
(2) wenn in dem Materialquerschnitt eine Komponentenanalyse nach einem bekannten Mikroanalyseverfahren wie zum Beispiel EPMA (Electron Probe Micro-Analysis, das heißt Elektronensonden-Mikroanalyse; zur Messung von charakteristischen Röntgenstrahlen läßt sich entweder das wellenlängendispersive oder das energiedispersive Verfahren verwenden) oder XPS (Röntgenstrahl-Photoelektronenspektroskopie) durchgeführt wird, so wird verifiziert, ob eine Al-Komponente oder Zusatzelementkomponente und Sauerstoffkomponenten gleichzeitig in Querschnittzonen nachgewiesen werden oder nicht, die in angenommener Weise gleiche Phase haben. Werden sie gleichzeitig nachgewiesen, so wird hieraus geschlußfolgert, daß die Al-Komponente oder Zusatzelementkomponenten in Oxidform vorliegen; und
(3) die Valenzzahl von Atomen oder Ionen der Al-Komponente oder der Zusatzelementkomponenten wird nach einem bekannten Verfahren analysiert, beispielsweise durch Röntgenstrahl-Photoelektronenspektroskopie (XPS) oder Auger-Elektronenspektroskopie (AES). Wenn diese Komponenten in Oxidform vorhanden sind, werden die Valenzzahlen der Komponenten als positive Werte gemessen.
Außerdem kann die erfindungsgemäße Zündkerze mit dem obigen Isolator als Zündkerze ausgebildet werden, die innerhalb eines Durchgangslochs des Isolators einen schaftähnlichen Anschlußteil besitzt, der integral mit der Mittelelektrode am rückseitigen Ende der Mittelelektrode oder getrennt von der Mittelelektrode mit einer dazwischen liegenden elektrisch leitenden Kopplungsschicht ausgebildet ist. Im Ergebnis wird die Zündkerze in ihrer Spannungsdauerfestigkeit sowohl für Zimmertemperatur als auch für hohe Temperaturen verbessert, und wenn außerdem die Zündkerze für den Einsatz in einem Hochleistungs-Verbrennungsmotor mit einer Hochtemperatur-Verbrennungskammer vorgesehen wird, oder wenn die Zündkerze als Miniaturbauteil mit einer reduzierten Isolatordicke ausgebildet wird (zum Beispiel mit einem Außendurchmesser des Montagegewindes der Metallhülse von nicht mehr als 12 mm), so ist der Isolator weniger anfällig für Störungen wie zum Beispiel Durchbrüche.
Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Zündkerze so ausgebildet sein, daß sie einen Zündabschnitt aufweist, der an der Mittelelektrode und/oder der Masseelektrode zur Bildung eines Funkenentladungsspalts befestigt ist. Hierdurch wird selbst dann, wenn die Zündherze bei Hochleistungs- Verbrennungsmotoren eingesetzt wird, die Haltbarkeit des Zündteils deutlich verbessert. In diesem Fall kann eine den Zündteil bildende Legierung eine Edelmetallegierung sein, bestehend hauptsächlich aus einer oder mehrerer Arten der Gruppe Ir, Pt und Rh.
Im folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung lediglich beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine allgemeine Vorder-Schnittansicht, die ein Beispiel für die erfindungsgemäße Zündkerze zeigt;
Fig. 2 eine Front-Teilschnittansicht eines wesentlichen Teils der Fig. 1;
Fig. 3 eine Schnittansicht, die in Vergrößerung; den Bereich in der Nähe des Zündteils in Fig. 2 veranschaulicht;
Fig. 4A eine Längsschnittansicht eines Beispiels des Isolators;
Fig. 4B eine Längsschnittansicht eines weiteren Beispiels des Isolators;
Fig. 5 eine allgemeine Frontansicht eines weiteren Beispiels der erfindungsgemäßen Zündkerze;
Fig. 6A eine Draufsicht auf die Fig. 5;
Fig. 6B eine Draufsicht, die ein modifiziertes Beispiel bezüglich Fig. 5 zeigt;
Fig. 7 eine allgemeine Frontansicht eines noch weiteren Beispiels für eine erfindungsgemäße Zündkerze;
Fig. 8 eine Ansicht zum Erläutern der Definition der Größe eines Hohlraums oder eines Kristallkorns der in dem Isolator enthaltenen Aluminiumoxidbasis-Hauptphase;
Fig. 9 eine anschauliche Darstellung, die ein Verfahren zum Messen der dielektrischen Stehspannung zeigt;
Fig. 10 eine anschauliche Darstellung eines Gummipreßverfahrens; und
Fig. 11 eine schematische Darstellung eines Systems zum Messen des Isolationswiderstands eines Isolators.
Eine Zündkerze 100 als Beispiel für die vorliegende Erfindung gemäß Fig. 1 und 2 enthält eine zylindrische Metallhülse 1, einen in das Innere der Metallhülse 1 derart eingepaßten Isolator 2, daß ein vorderer Abschnitt 21 des Isolators 2 übersteht, eine Mittelelektrode 3 im Inneren des Isolators 2 in einem Zustand, in welchem ein Zündteil 31, das an einem freien oder spitzen Ende ausgebildet ist, übersteht, eine Masseelektrode 4, von der ein Ende mit der Metallhülse 1 durch Schweißen oder dergleichen verbunden ist, und deren anderes Ende seitlich zurückgefaltet ist, so daß eine Seitenfläche der Masseelektrode 4 gegenüber dem freien Endbereich der Mittelelektrode 3 gegenüberliegt und weitere Teile. Außerdem besitzt die Masseelektrode 4 einen Zündteil 32 gegenüber dem Zündteil 31, wodurch zwischen dem Zündteil 31 und dem gegenüberstehenden Zündteil 32 als Funkenentladungsspalt g eine Lücke gebildet wird.
Axial durchsetzt den Isolator 2 ein Durchgangsloch 6, und in das Durchgangsloch 6 ist ein Anschluß 13 eingesetzt und an einer Seite des Durchgangslochs fixiert, während die Mittelelektrode 3 in ähnlicher Weise an dem anderen Ende des Durchgangslochs 6 eingesetzt und fixiert ist. Ferner befindet sich ein Widerstand 15 zwischen dem Anschluß 13 und der Mittelelektrode 3 innerhalb des Durchgangslochs 6. Beide Endabschnitte des Widerstands 15 sind elektrisch mit der Mittelelektrode 3 und dem Anschluß 13 über elektrisch leitende Glasabdichtungsschichten 16 bzw. 17 verbunden. Angemerkt sei, daß der Widerstand 15 aus einer Widerstandszusammensetzung gebildet ist, die erhalten wird durch Mischen von Glaspulver und elektrisch leitendem Materialpulver (und, je nach Bedarf, von Glas verschiedenem Keramikpulver) und Sintern des Gemisches durch Heißpressen oder ein anderes Verfahren. Die leitende Glasabdichtungsschicht 17 wird gebildet aus einem Glas, welches mit einem Metallpulver gemischt ist, welches sich hauptsächlich aus einer oder mehreren Arten der Gruppe Cu, Sn, Fe und dergleichen zusammensetzt. Darüber hinaus kann der Widerstand 15 fortgelassen werden, wobei, dann der Anschluß 13 und die Mittelelektrode 3 über eine Einzelschicht einer elektrisch leitenden Glasabdichtung miteinander gekoppelt sind.
Der Isolator 2 enthält in seinem Inneren das Durchgangsloch 6 zur Aufnahme der Mittelelektrode 3 entlang der axialen Richtung des Isolators 2 selbst und besteht insgesamt aus dem erfindungsgemäßen Isolator. Genauer gesagt: der Isolator 2 besteht aus einem Isolierstoff, der sich hauptsächlich zusammensetzt aus Aluminiumoxid, und der die Al-Komponente in einem Bereich von 95 bis 99,7 Gew.-% (vorzugsweise 97 bis 99,7 Gew.- %) in in Al&sub2;O&sub3; konvertiertem Gewicht enthält, und in welchem ein Flächenverhältnis, welches belegt ist durch Aluminiumoxidbasis- Hauptphasenpartikel mit einer Partikelgröße von nicht weniger als 20 um, nicht weniger als 50% beträgt (vorzugsweise nicht weniger als 60%) als eine betrachtete Querschnittstruktur des Isolators. Innerhalb des Isolierstoffs beträgt vorzugsweise die mittlere Anzahl pro mm² Querschnitt von Hohlräumen mit einer Größe von nicht weniger als 10 um, betrachtet in einer Querschnittstruktur, nicht mehr als 100, vorzugsweise nicht mehr als 90). Außerdem beträgt die Wärmeleitfähigkeit bei 25ºC vorzugsweise nicht weniger als 25 W/m·K (vorzugsweise nicht weniger als 28 W/m·K). Im vorliegenden Zusammenhang werden die Begriffe "Größe von Hohlräumen" oder "Größe von Aluminiumoxidbasis-Hauptphasenpartikeln" definiert als ein Maximalwert d zwischen zwei parallelen Linien A und B, wobei der Maximalwert d sich dann ergibt, wenn die parallelen Linien A und B in verschiedenen Typen derart gezogen werden, daß sie eine Tangente an ein Profil eines Hohlraums oder Partikels bilden, der in dem Querschnitt betrachtet wird und nicht die Innenseite des Hohlraums oder Partikel kreuzt, während die Lagebeziehung zu dem Hohlraum oder dem Partikel variiert wird, wie dies in Fig. 8 dargestellt ist.
Konkrete Zusammensetzungen für die anderen Komponenten als das Al sind folgende:
Si-Komponente: 0,15 bis 2,5 Gew.-% in in SiO&sub2; konvertiertem Gewicht
Ca-Komponente: 0,12 bis 2,0 Gew.-% in in CaO konvertiertem Gewicht
Mg-Komponente: 0,01 bis 0,1 Gew.-% in in MgO konvertiertem Gewicht
Ba-Komponente: 0,02 bis 0,3 Gew.-% in in BaO konvertiertem Gewicht; und
B-Komponente: 0,01 bis 0,25 Gew.-% in in B&sub2;O&sub3; konvertiertem Gewicht
Als nächstes wird gemäß Fig. 1 ein in Umfangsrichtung nach außen vorstehender Abschnitt 2e gebildet, beispielsweise in Form eines Flansches, der sich axial auf der Hälfte des Isolators 2 befindet. Dann wird eine Seite des Isolators 2, die zu dem freien Ende der Mittelelektrode 3 (Fig. 1) hin gerichtet, als Vorderseite betrachtet und der Isolator 2 auf der hinteren Seite des vorstehenden Abschnitts 2e in Hülsenform 2b gebracht, die einen geringeren Durchmesser hat als der vorstehende Abschnitt 2e. Auf der Frontseite des vorstehenden Abschnitts 2e wird ein erster Schaftabschnitt 2g mit einem kleineren Durchmesser als der vorstehende Abschnitt 2e sowie ein zweiter Schaftabschnitt 21 mit einem noch kleineren Durchmesser als der erste Schaftabschnitt 2g in dieser Reihenfolge ausgebildet. Darüber hinaus wird der Hülsenabschnitt 2b auf seiner äußeren Umfangsfläche mit einer Lasur 2d beschichtet, und im hinteren Endbereich der äußeren Umfangsfläche wird eine Riffelung 2c gebildet. Außerdem wird die äußere Umfangsfläche des ersten Schaftabschnitts 2g zu einer etwa zylindrischen Form gebracht, und die äußere Umfangsfläche des zweiten Schaftabschnitts 21 wird in eine etwa konische Form gebracht, die in ihrem Durchmesser in zunehmender Nähe zu dem freien Ende hin abnimmt.
Der axiale Querschnittdurchmesser der Mittelelektrode 3 wird kleiner gewählt als der axiale Querschnittdurchmesser des Widerstands 15. Das Durchgangsloch 6 des Isolators 2 besitzt demnach einen allgemein zylindrischen ersten Abschnitt 6a, der das durchgängige Einführen der Mittelelektrode 3 erlaubt, und einen etwa zylindrischen zweiten Abschnitt 6b, der auf der hinteren Seite (der oberen Seite in der Figur) des ersten Abschnitts 6a gebildet ist und einen größeren Durchmesser besitzt als der erste Abschnitt 6a. Der Anschluß 13 und der Widerstand 15 sind in dem zweiten Abschnitt 6b aufgenommen, wobei die Mittelelektrode 3 in den ersten Abschnitt 6a eingeführt ist. Im hinteren Endbereich der Mittelelektrode 3 ist ein Elektrodenfixiervorsprung 3c nach außen gegenüber der äußeren Umfangsfläche der Mittelelektrode 3 vorspringend ausgebildet. Der erste Abschnitt 6a und der zweite Abschnitt 6b des Durchgangslochs 6 sind miteinander innerhalb des ersten Schaftabschnitts 2g gemäß Fig. 4A verbunden, und an der Verbindungsstelle ist eine Vorsprungsaufnahmefläche 6c zum Aufnehmen des Elektrodenfixiervorsprungs 3c der Mittelelektrode 3 als konische oder abgerundete Fläche ausgebildet.
Darüber hinaus ist eine äußere Umfangsfläche eines Verbindungsabschnitts 2a zwischen dem ersten Schaftabschnitt 2g und dem zweiten Schaftabschnitt 21 als abgestufte Fläche ausgebildet. Diese abgestufte Fläche steht über eine ringförmige Plattenpackung 63 in Eingriff, wobei ein linear vorspringender Abschnitt 1c als Eingriffsabschnitt auf der Seite der Metallhülse an der Innenfläche der Metallhülse 1 ausgebildet ist, wodurch der erste Schaftabschnitt 2g und der zweite Schaftabschnitt 21 daran gehindert werden, sich in axialer Richtung zu lösen und abzufallen. Andererseits befindet sich eine ringförmige Linienpackung 62 in Eingriff mit einem rückwärtigen Umfangsrand des flanschförmigen Vorsprungs 2e zwischen der Innenfläche der rückseitigen Öffnung der Metallhülse 1 und der Außenfläche des Isolators 2, und auf der weiteren Rückseite der Linienpakkung 62 befindet sich eine Packung 60, die mittels Talkum oder einer anderen Füllstoffschicht 61 angebracht ist. Der Isolator 2 wird dann nach vorn in Richtung auf die Metallhülse 1 gedrückt, in welchem Zustand der Öffnungsrand der Metallhülse 1 nach innen in Richtung der Packung 60 verstemmt wird, wodurch ein Verstemmbereich 1d gebildet wird und die Metallhülse 1 an dem Isolator 2 fixiert wird.
Fig. 4A und 4B zeigen verschiedene Beispiele für den Isolator 2. Die Abmessungen der einzelnen Teile des Isolators sind zum Beispiel folgende:
- Gesamtlänge L1 : 30 bis 75 mm;
- Länge L2 des ersten Schaftabschnitts 2g: 0 bis 30 mm (nicht eingeschlossen ein Verbindungsabschnitt 2f im Anschluß an den vorstehenden Abschnitt 2e, jedoch einschließlich des Verbindungsabschnitts 2h bezüglich des zweiten Schaftabschnitts 21);
- die Länge L3 des zweiten Schaftabschnitts 2i: 2 bis 27 mm;
- Außendurchmesser D1 des Hülsenabschnitts 2: 9 bis 13 mm;
- Außendurchmesser D2 des vorstehenden Eingriffsabschnitts 2e: 11 bis 16 mm;
- Außendurchmesser D3 des ersten Schaftabschnitts 2g: 5 bis 11 mm;
- Außendurchmesser D4 des Basisendes des zweiten Schaftabschnitts 2i: 3 bis 8 mm;
Außendurchmesser D5 des freien Endabschnitts des zweiten Schaftabschnitts 2i (wobei der äußere Umfangsrand der Endoberfläche abgerundet oder abgefast ist, ein Außendurchmesser an der Basisendstelle des abgerundeten der abgefasten Abschnitts): 2,5 bis 7 mm;
- Innendurchmesser D6 des zweiten Abschnitts 6b des Durchgangslochs 6: 2 bis 5 mm;
- Innendurchmesser D7 des ersten Abschnitts 6a des Durchgangslochs 6: 1 bis 3,5 mm;
- Wanddicke t1 des ersten Schaftabschnitts 2g: 0,5 bis 4,5 mm;
- Wandstärke t2 des Basisendabschnitts des zweiten Schaftabschnitts 2i (der Wert in einer Richtung rechtwinklig zu einer Mittelachsenlinie O): 0,3 bis 3,5 mm;
- Wandstärke t3 des freien Endabschnitts des zweiten Schaftabschnitts 2i (der Wert in einer Richtung rechtwinklig zur Mittelachsenlinie O; wenn der äußere Umfangsrand der freien Endfläche abgerundet oder abgefast ist, eine Wanddicke an der Basisendstelle des abgerundeten oder abgefasten Abschnitts): 0,2 bis 3 mm; und
- mittlere Wanddicke tA ((t1+t2)/2) des zweiten Schaftabschnitts 21: 0,25 bis 3,25 mm.
Außerdem beträgt die Länge LQ eines rückwärts von der Metallhülse 1 des Isolators 2 wegstehenden Abschnitts 2k 23 bis 27 mm (zum Beispiel etwa 25 mm). Wenn außerdem ein Längsschnitt, der die Mittelachsenlinie O des Isolators 2 enthält, gebildet wird, beträgt in der äußeren Umfangsfläche des vorstehenden Abschnitts 2a des Isolators 2 eine Länge LP, gemessen entlang dem Profil des Querschnitts von einer. Stelle entsprechend dem rückwärtigen Endrand der Metallhülse 1 über die Riffelung 2c bis hin zu der hinteren Kante des Isolators 2 26 bis 32 mm (zum Beispiel etwa 29 mm). Außerdem betragen die Abmessungen der einzelnen Teile des in Fig. 4A gezeigten Isolators 2 zum Beispiel: L1 = etwa 60 mm; L2 = etwa 10 mm; L3 = etwa 14 mm; D1 = etwa 11 mm; D2 = etwa 13 mm; D3 = etwa 7,3 mm; D4 = 5,3 mm; D5 = 4,3 mm; D6 = 3,9 mm; D7 = 2,6 mm, t1 = 1,7 mm, t2 = 1,35 mm; t3 = 0,9 mm; tA = 1,2 mm.
Außerdem besitzen in dem in Fig. 4B dargestellten Isolator 2 der erste Schaftabschnitt 2g und der zweite Schaftabschnitt 21 Außendurchmesser, die geringfügig größer sind als die des in Fig. 4A gezeigten Isolators 2. Die Abmessungen der einzelnen Teile sind zum Beispiel folgende:
L1 = etwa 60 mm; L2 = etwa 10 mm; L3 = etwa 14 mm; D1 = etwa 11 mm; D2 = etwa 13 mm; D3 = etwa 9,2 mm; D4 = 6,9 mm; D5 = 5,1 mm; D6 = 3,9 mm; D7 = 2,7 mm; t1 = 2,65 mm; t2 = 2,1 mm; t3 = 1,2 mm; tA = 2,4 mm.
Zurückkehrend zu Fig. 1, ist die Metallhülse 1 aus Stahl mit geringem Kohlenstoffanteil oder aus einem anderen Metall in einer zylindrischen Form ausgebildet und stellt ein Gehäuse für die Zündkerze 100 dar, wobei ein Gewindeabschnitt 7 zur Anbringung der Zündkerze 100 an einem nicht dargestellten Motorblock an der äußeren Umfangsfläche der Metallhülse 1 ausgebildet ist. Der Außenumfang dieses Gewindeabschnitts 7 hat einen Wert von nicht mehr als 18 mm (zum Beispiel 18 mm, 14 mm, 12 mm, 10 mm etc.). Das Bezugszeichen 1e bezeichnet einen Sechskantabschnitt für den Ansatz eines Werkzeugs.
Wie in Fig. 3 gezeigt ist, sind die Hülsenabschnitte 3a und 4a der Mittelelektrode 3 und die Masseelektrode 4 aus einer Ni-Legierung oder dergleichen gefertigt, beispielsweise Inconel (Marke). Außerdem ist im Inneren der Mittelelektrode 3 ein Kernmaterial 3b aus Cu oder einer Cu-Legierung oder dergleichen zum Beschleunigen der Wärmeabstrahlung eingebaut. Andererseits besteht der Zündteil 32 gegenüber dem Zündteil 31 hauptsächlich aus einer Edelmetallegierung, vornehmlich bestehend aus einer Art oder mehreren Arten der Gruppe Ir, Pt und Rh. Der Hülsenabschnitt 3a der Mittelelektrode 3 ist in seinem Durchmesser am vorderen Ende verringert, seine vordere Stirnfläche ist flach. Ein scheibenförmiges Plättchen aus einer Legierungszusammensetzung, wie sie der Zündteil aufweist, ist überlappend angebracht, und außerdem ist ein angeschweißter Abschnitt W entlang dem Außenrand der Verbindungsfläche durch Laserschweißen, Elektronenstrahlschweißen, Widerstandsschweißen oder dergleichen ausgebildet und fixiert, wodurch der Zündteil 31 gebildet wird. Außerdem wird der gegenüberliegende Zündteil 32 dadurch gebildet, daß ein Plättchen mit der Masseelektrode 4 an einer Stelle entsprechend dem Zündteil ausgerichtet angeordnet und eine Schweißnaht W in ähnlicher Weise entlang dem Außenrand der Verbindungsfläche gebildet wird. Diese Plättchen können hergestellt sein aus einer Lösung, die man durch Mischen und Lösen von Legierungskomponenten erhält, um dadurch die obigen Zusammensetzungen zu gewinnen, oder aus einem Sintermaterial, welches man erhält durch Formen und Sintern eines Legierungspulvers oder eines Metallkomponentenpulvers, gemischt in einem spezifischen Verhältnis. Darüber hinaus ist es auch möglich, zumindest einen der Zündteile 31 und 32 wegzulassen.
Der Isolator 2 wird zum Beispiel durch folgendes Verfahren hergestellt: 10 zunächst wird als Materialpulver Aluminiumoxidpulver mit einer mittleren Partikelgröße von nicht mehr als 1 um sowie Zusatzelementmaterialien einer Si-, Ca-, Mg-, Ba- und B-Komponente in einem spezifischen Verhältnis vermengt, welches zu der vorerwähnten Zusammensetzung in dem in Oxid konvertierten Verhältnis führt, und außerdem werden ein hydrophiler Binder (zum Beispiel PVA) und Wasser zugegeben und eingemischt, wodurch ein zum Formen geeigneter Schlamm entsteht. Darüber hinaus können die Zusatzelementmaterialien beispielsweise in Form von SiO&sub2;-Pulver für die Si-Komponente, CaCO&sub3;-Pulver für die Ca- Komponente, MgO-Pulver für die Mg-Komponente, BaCO&sub3;-Pulver für die Ba-Komponente und H&sub3;BO&sub3;-Pulver (oder eine wäßrige Lösung) für die B- Komponente beigemengt werden.
Der Formbasis-Schlamm wird durch einen Sprühtrocknungsprozeß oder dergleichen aufgesprüht und getrocknet, um eine Granulat- Formbasissubstanz zu erhalten. Anschließend wird die Granulat- Formbasissubstanz einer Gummipressen-Formung unterzogen, um einen Preßformkörper zu bilden, der die primitive Form des Isolators aufweist. Fig. 10 zeigt schematisch das Verfahrendes des Gummipreßformens. Hierbei wird eine Gummiform 300 mit einem sich durch deren Inneres axial erstreckenden Hohlraum 301 verwendet, wobei ein oberer Stempel 304 in eine obere Öffnung des Hubraums 301 eingelassen ist. Außerdem ist in der Stanzfläche eines unteren Stempels 302 integral ein Pressenstift 303 eingeformt, der sich axial im Inneren des Hohlraums 301 erstreckt und die Form des Durchgangslochs 6 des Isolators 2 festlegt (Fig. 1).
In diesem Zustand wird eine spezifische Menge der Granulat- Formbasissubstanz PG in den Hohlraum 301 eingefüllt, und die obere Öffnung des Hohlraums 301 wird von dem oberen Stempel 304 verschlossen und abgedichtet. In diesem Zustand wird auf die äußere Umfangsfläche der Gummiform 300 ein Flüssigkeitsdruck aufgebracht, und die Granulatsubstanz PG im Hohlraum 301 wird über die Gummiform 300 zusammengepreßt, wodurch ein Preßformkörper entsteht. Zum Preßformen der Granulat-Formbasissubstanz PG werden, bezogen auf das Gewicht der Granulat- Formbasissubstanz PG von 100 Gewichtsteilen, 0,7 bis 1,3 Gewichtsteile Wasser hinzugegeben, und die Granulat-Formbasissubstanz wird so gepreßt, daß das Aufbrechen der Substanz PG in Pulverpartikel während des Preßvorgangs beschleunigt wird.
Was den Preßformkörper angeht, so wird seine Außenoberfläche durch ein Schleifwerkzeug oder dergleichen spanabhebend bearbeitet, so daß er schließlich zum Beispiel einer Außenform entsprechend dem in Fig. 1 gezeigten Isolator 2 aufweist, anschließend wird er bei einer Temperatur von 1400 bis 1600ºC gebrannt. Anschließend daran wird der Preßformkörper mit Lasur überzogen und schließlich gebacken, so daß er fertig ist.
Im folgenden wird die Arbeitsweise der Zündkerze 100 erläutert. Die Zündkerze 100 wird mit ihrem Gewindeteil 7 in einem Motorblock montiert und dient als Zündquelle für ein der Verbrennungskammer zugeführtes Luft-Kraftstoff-Gemisch. Im vorliegenden Fall wird ausgehend davon, daß der Isolator 2 in der Zündkerze 100 ein erfindungsgemäßer Isolator ist, die Spannungsdauerfestigkeit bei hohen Temperaturen verbessert, und selbst dann, wenn der Isolator bei einer Hochleistungsmaschine eingesetzt wird, die hohe Temperaturen in der Verbrennungskammer entwickelt, kommt es weniger zu dielektrischen Durchbrüchen, so daß hohe Zuverlässigkeit garantiert werden kann.
Wenn zum Beispiel gemäß den Fig. 4A und 4B der Isolator 2 auf der Vorderseite den Eingriffs-Vorsprung 2e aufweist, wobei ein Schaftabschnitt (in diesem Fall ein Teil kombiniert aus dem ersten Schaftabschnitt 2g und dem zweiten Schaftabschnitt 21), der einen kleineren Durchmesser hat und dünner ist als die radiale Dicke des Eingriffs- Vorsprungs 2e, so wird es wahrscheinlich, daß in diesem Schaftabschnitt, zum Beispiel beim zweiten Schaftabschnitt 2e Durchbrüche stattfinden. Bei einem solchen Isolator 2 können folglich die vorerwähnten Vorteile des Isolators für erfindungsgemäße Zündkerzen besonders wirksam zum Ausdruck kommen. Beispielsweise läßt sich bei dem in Fig. 4B gezeigten Isolator, bei dem die mittlere Dicke des zweiten Schaftabschnitts 21 nicht mehr als 2,4 mm im Hinblick auf eine verbessere thermische Beständigkeit durch verbesserte Wärmeabstrahlung beträgt, auch dann, wenn dieser Abschnitt geringer Dicke um die Mittelelektrode 3 herum ausgebildet ist, das Auftreten von Schwierigkeiten wie Durchbrüchen in wirksamer Weise verhindern oder unterdrücken aufgrund der Verwendung des Isolators für erfindungsgemäße Zündkerzen.
Die Zündkerzen, bei denen der erfindungsgemäße Isolator angewendet werden kann, sind nicht beschränkt auf den Typ gemäß Fig. 1, es kann sich auch um Zündkerzen handeln, bei denen das vordere Ende der Masseelektrode 4 der Seitenfläche der Mittelelektrode 3 mit einem dazwischen gebildeten Zündspalt g gegenüberliegt, wie dies zum Beispiel in Fig. 5 gezeigt ist. In diesem Fall kann in einer Ausführungsform die Masseelektrode 4 auf beiden Seiten der Mittelelektrode 3, jeweils eine auf jeder Seite, also insgesamt zweifach vorgesehen sein, während bei anderen Ausführungsformen sogar drei oder noch mehr Masseelektroden 4 um die Mittelelektrode 3 herumgruppiert sein können, wie dies in Fig. 6B gezeigt ist.
Wie in Fig. 7 dargestellt ist, kann in diesem Fall die Zündkerze 103 als Halbflächen-Kriechentladungs-Zündkerze ausgebildet sein, bei der der vordere Endbereich des Isolators 2 soweit vorverlegt ist, daß er zwischen die Seitenfläche der Mittelelektrode 3 und die Endspitze der Mittelelektrode 4 gelangt. Bei diesem Aufbau erfolgt eine Funkenentladung in der Weise, daß die Entladung über die Oberfläche der Spitze des Isolators 2 kriecht, demzufolge sich das Antirußverhalten im Vergleich zu einer Zündkerze vom Luftentladungstyp verbessert.

Beispiele:

Um die Leistungsfähigkeit der erfindungsgemäßen Isolatoren darzustellen, wurden folgende Versuche durchgeführt:

(Beispiel 1)

Es wurden in verschiedenen Verhältnissen Al&sub2;O&sub3;-Pulver (Reinheit: 99,9%; mittlere Partikelgröße: 0,6 bis 2 um), SiO&sub2;-Pulver (Reinheit: 99%; mittlere Partikelgröße: 2 um), CaO-Pulver (Reinheit: 99%; mittlere Partikelgröße: 2 um), MgO-Pulver (Reinheit: 99%; mittlere Partikelgröße: 2 um), BaO- Pulver (Reinheit: 99%; mittlere Partikelgröße: 2 um) und B&sub2;O&sub3;-Pulver (Reinheit: 99%; mittlere Partikelgröße: 2 um) gemischt, und diesem Gemisch wurden spezifische Mengen von Bindemittel und Wasser hinzugegeben und naß vermischt, anschließend durch Sprühtrocknen getrocknet, wodurch ein granulatförmiges Materialpulver erhalten wurde (Nr. 1-8). Die Korngröße dieses Pulvers wurde mit Hilfe eines Laserbeugungs- Korngrößenmeßgeräts ausgemessen. Als nächstes wurde dieses Granulatpulver durch Formpressen in eine spezifische Form gepreßt, und der Formkörper wurde über 1 Stunde bei 1600ºC gebrannt, wodurch folgende Prüfteile erhalten wurden:
Prüfteil A: Scheibenform mit 25 mm Durchmesser und 0,7 mm Dicke; und
Prüfteil B: Scheibenform mit 10 mm Durchmesser und 1 mm Dicke.
Von diesen Prüfteilen wurde bei dem Prüfteil A der Isolierwiderstandswert bei hoher Temperatur mit Hilfe des in Fig. 11 gezeigten Meßsystems gemessen. Was das Verfahren angeht, so würden speziell auf beiden Seiten einer scheibenförmigen Probe 400 Aluminiumoxid-Isolierröhrchen 401 und 402 mit einem Außendurchmesser von 10 mm, einem Innendurchmesser von 6 mm und einer Länge von 70 mm angebracht, und in diese Isolierröhrchen wurden Elektroden 403 und 404 derart eingesetzt, daß sie in Kontakt mit beiden Seiten der Probe 4 gelangten. Außerdem wurde die gesamte Einheit in einem Ofen 405 auf 700ºC erhitzt. In diesem Zustand wurde die Probe 400 anschließend über die Elektroden 403 und 404 von einer Gleichstrom-Konstantspannungsquelle (Quellenspannung: 1000 V) 406 mit Strom gespeist, während der Isolierwiderstand gemessen wurde anhand der Stromstärke (von einem Amperemeter 407 gemessen). Außerdem wurde die Wärmeleitfähigkeit für das Prüfteil B mit Hilfe eines Laser-Flash- Verfahrens gemessen.
Nach der Messung der Wärmeleitfähigkeit des Prüfteils B wurde dessen Oberfläche geschliffen und mit einem Rasterelektronenmikroskop (Vergrößerung: 150) betrachtet, wobei die Anzahl von Hohlräumen mit einer Größe von nicht weniger als 10 um, die auf der Schleiffläche erschienen waren, durch Bildanalyse ausgezählt wurde. Anschließend wurde die Anzahl der aufgefundenen Hohlräume dividiert durch die Gesamtfläche des Betrachtungs-Gesichtsfeldes, wodurch die Anzahl von Hohlräumen pro mm² ermittelt wurde. Außerdem wurde in ähnlicher Weise durch Bildanalyse die Teilchengrößenverteilung der Aluminiumoxidbasis-Hauptphase gemessen, wodurch das Flächenverhältnis von 20 um oder größeren Partikeln errechnet wurde. Weiterhin wurden die Anteile der einzelnen Komponenten Al, Si, Ca, Mg, Ba und B in jedem Prüfteil mit Hilfe des ICP- Verfahrens analysiert, und in in Oxid konvertiertes Gewicht umgerechnet (Einheit: Gew.-%).
Als nächstes wurde mit den Granulatmaterialpulvern der Gummiformprozeß unter einem Druck von 50 MPa durchgeführt, wie dies in Verbindung mit Fig. 10 beschrieben wurde, und die äußere Umfangsfläche des Formkörpers wurde mit einem Schleifgerät geschliffen, um die spezifische Isolatorform zu erhalten, anschließend wurde das Teil 1 Stunde lang bei 1600ºC gebrannt. Auf diese Weise wurde ein Isolator 2 in Form eines Aluminiumoxidisolators mit dem gleichen Aufbau wie in Fig. 1 erhalten.
Die Abmessungen der einzelnen Teile des in Fig. 4A dargestellten Isolators 2 sind folgende: LL etwa 60 mm; L2 = etwa 10 mm; L3 = etwa 14 mm; D1 = etwa 11 mm; D2 = etwa 13 mm; D3 = etwa 7,3 mm; D4 = 5,3 mm; D5 4,3 mm; D6 = 3,9 mm; D7 = etwa 2,6 mm; t1 = 1,7 mm; t2 = 1,35 mm; t3 = 0,9 mm, tA = 1,5 mm. Außerdem beträgt gemäß Fig. 1 die Länge LQ des Abschnitts 2k, der bezüglich der Metallhülse 1 von dem Isolator 2 nach hinten wegsteht, 25 mm. Wird ein Längsschnitt entlang der Mittelachsenlinie O des Isolators 2 durch die äußere Umfangsfläche des vorstehenden Abschnitts 2k des Isolators 2 gebildet, so entspricht die entlang dem Profil des Querschnitts von einer dem hinteren Rand der Metallhülse 2 entsprechenden Stelle aus durch die Riffelung 2c bis zum hinteren Rand des Isolators 2 gemessene Länge LP 29 mm.
Mit diesen Isolatoren 2 wurde die in Fig. 1 gezeigte Zündkerze 100 in verschiedenen Typen hergestellt, wobei der Außendurchmesser des Gewindeteils 7 den Wert von 12 mm hatte und der Anschluß 13 der Mittelelektrode 3 direkt über eine elektrisch leitende Glasabdichtungsschicht ohne Verwendung des Widerstands 15 angeschlossen war. Diese Zündkerzen 100 wurden folgenden Tests unterzogen:
(1) In-Öl-Durchbruchsparmung bei 20ºC., gemessen nach dem CDI- Verfahren (Anstiegszeit: 50 us) mit dem bereits anhand von Fig. 9 erläuterten Verfahren unter Verwendung einer Hochspannungsquelle;
(2) Prüfung der tatsächlichen Spannungsdauerfestigkeit: indem jede der Zündkerzen in einem Vierzylinder-Ottomotor (Hub: 660 cm³) montiert wurde, wurde der Motor in kontinuierlichen Betrieb bei voll geöffneter Drosselklappe gebracht, so daß er mit einer Motordrehzahl von 6000 UpM bei einer Entladungsspannung von 35 IN arbeitete, wobei die tatsächliche Spannungsdauerfestigkeit ermittelt wurde anhand der resultierenden Laufzeit (maximal bis zu 50 Stunden) bis zum Auftreten eines Funkendurchgangs (Durchbruch). Als Bewertungskriterien wurden zugrundegelegt: Funkendurchgang in weniger als 40 Stunden: x (unzulässig), Funkendurchgang innerhalb von 40 bis 50 Stunden: Δ (zulässig); und kein Funkendurchgang nach Verstreichen von 50 Stunden: O (gut). Die Ergebnisse sind in den Tabellen 1A und 1B dargestellt: Tabelle 1A
Die mit * markierten Nummern weichen vom Schutzumfang der Erfindung ab Tabelle 1 B
Die mit * markierten Nummern weichen vom Schutzumfang der Erfindung ab
Zusammenfassend läßt sich verstehen, daß durch Verwendung eines Rohmaterial-Aluminiumoxidpulvers mit einer mittleren Partikelgröße von nicht mehr als 1 um die vorhandene Anzahl von Hohlräumen mit einer Größe von nicht weniger als 10 um pro mm² im betrachteten Querschnitt des erhaltenen Isolators nicht mehr als 100 beträgt, so daß das von Aluminiumoxidbasis-Hauptphasenpartikeln einer Partikelgröße von nicht weniger als 20 um belegte Flächenverhältnis auf nicht weniger als 50% (vorzugsweise nicht weniger als 60%) eingestellt werden kann (Ziffern 1-4, 6). Die Isolierwiderstandswerte bei 700ºC dieser Isolatoren betrug bis zu 2000 MΩ, und abgesehen davon zeigten die Isolatoren der Ziffern 2-4 und 6 große Werte von 25 W/m·K oder darüber. Außerdem ist ersichtlich, daß die Zündkerzen, in denen die hier vorgestellten Isolatoren eingesetzt waren, in der Lage sind, zufriedenstellende Ergebnisse bei der Prüfung der tatsächlichen Spannungsdauerfestigkeit zu liefern.

Claims

1. Zündkerze, umfassend:

eine Mittelelektrode (3);

eine Metallhülse (1), die außerhalb der Mittelelektrode (3) angeordnet ist;

eine Masseelektrode (4), die mit einem Ende an die Metallhülse (1) gekoppelt ist und gegenüber der Mittelelektrode (3) angeordnet ist; und

einen Isolator (2), zwischen der Mittelelektrode (3) und der Metallhülse (1) derart angeordnet, daß er das Äußere der Mittelelektrode (3) bedeckt, wobei der Isolator (2) aus einem Isolierstoff gefertigt ist, der sich hauptsächlich aus Aluminiumoxid zusammensetzt, welches eine Al-Komponente in einem Bereich von 95 bis 99,7 Gew.-% in in Al&sub2;O&sub3; konvertiertem Gewicht enthält,

dadurch gekennzeichnet, daß in dem Isolator (2) ein Flächenverhältnis, welches von Hauptphasen-Partikeln der Aluminiumoxidbasis mit einer Partikelgröße von nicht weniger als 20 um belegt ist, bei Betrachtung einer Querschnittstruktur des Isolators (2)' nicht weniger als 50% beträgt.

2. Zündkerze nach Anspruch 1, bei der bezüglich des den Isolator (2) bildenden Isolierstoffs eine mittlere Anzahl von Hohlräumen mit einer Größe von nicht weniger als 10 um pro mm² in einem in der Querschnittstruktur betrachteten Querschnitt nicht mehr als 100 beträgt.

3. Zündkerze nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Wärmeleitfähigkeit des Isolierstoffs bei 25ºC nicht weniger als 25 W/m·K beträgt.

4. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der der Isolierstoff 0,02 bis 0,3 Gew.-% einer Ba-Komponente bei in BaO konvertiertem Gewicht aufweist.

5. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der der Isolierstoff 0,01 bis 0,25 Gew.-% einer B-Komponente in in B&sub2;O&sub3; konvertiertem Gewicht aufweist.

6. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der der Isolierstoff einen oder mehrere der folgenden Anteile enthält:

0,15 bis 2,5 Gew.- % Si-Komponente in in SiO&sub2; konvertiertem Gewicht; 0,12 bis 2,0 Gew.- % einer Ca-Komponente in in CaO konvertiertem Gewicht; und

0,01 bis 0, I Gew.-% einer Mg-Komponente in in MgO konvertiertem Gewicht.

7. Zündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der ein Halterungs-Gewindeabschnitt (7), der in der Metallhülse (1) ausgebildet ist, einen Außendurchmesser von nicht mehr als 12 mm besitzt.

8. Verfahren zum Herstellen einer Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend die folgenden Schritte zur Fertigung des Isolators:

Vorbereiten eines Rohmaterial-Basispulvers (PG) durch Vermengen von Aluminiumoxidpulver mit einer mittleren Partikelgröße von nicht mehr als 1 um mit 0,3 bis 5 Gew.-% eines Zusatzelementmaterials, das als Sinterhilfe dient, in einem Verhältnis bezogen auf die Gesamtmenge von Aluminiumoxidpulver und dem Zusatzelementmaterial;

Formen des Rohmaterial-Basispulvers (PG) zu einer spezifischen Isolatorkonfiguration; und.

Brennen des Formkörpers bei einer Temperatur von 1450 bis 1700ºC, wodurch ein Isolator nach einem der vorhergehenden Ansprüche erhalten wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem das Zusatzelement-Material als Verhältnis des Gesamtgewichts des Aluminiumoxidpulvers und des Zusatzelementmaterials 0,02 bis 0,3 Gew.-% einer Ba-Komponente in in BaO konvertiertem Gewicht enthält.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei dem das Zusatzelementmaterial als Verhältnis des Gesamtgewichts des Aluminiumoxidpulvers und des Zusatzelementmaterials 0,01 bis 0,25 Gew.-% einer B-Komponente in in B&sub2;O&sub3; konvertiertem Gewicht enthält.

11. Verfahren nach Anspruch 8, 9 oder 10, bei dem das Zusatzelementmaterial als Verhältnis des Gesamtgewichts des Aluminiumoxidpulvers und des Zusatzelementmaterials einen oder mehrere der folgenden Anteile enthält:

0,15 bis 2,5 Gew.-% Si-Komponente in in SiO&sub2; konvertiertem Gewicht;

0,12 bis 2,0 Gew.- % einer Ca-Komponente in in CaO konvertiertem Gewicht; und

0,01 bis 0,1 Gew.- % einer Mg-Komponente in in MgO konvertiertem Gewicht.