Title:
Ceramic insulator for use in spark plug in direct injection engine, has UV-protection layer absorbing UV-radiation and comprising thickness that ranges from forty to sixty micrometers, where insulator is designed based on aluminum oxide
Kind Code:
A1


Abstract:
The insulator (2) has a ceramic additive or UV-protection layer (11) absorbing UV-radiation, where the insulator is designed based on aluminum oxide. The UV-protection layer comprises thickness that ranges from 40 micrometer to 60 micrometer. The ceramic additive or UV-protection layer possesses absorption co-efficient around a factor ten power six larger than that of the aluminum oxide. The UV-protecting layer is attached at an entire circumference of the insulator in a ring-shaped manner and found proximity to a combustion chamber than a conducting protection layer (12). An independent claim is also included for a method for manufacturing the ceramic insulator.



Inventors:
Felten, Frank (76137, Karlsruhe, DE)
Moc, Andre (02779, Großschönau, DE)
Application Number:
DE102009055397
Publication Date:
07/07/2011
Filing Date:
12/30/2009
Assignee:
Robert Bosch GmbH, 70469 (DE)
International Classes:



Claims:
1. Keramischer Isolator (2), insbesondere basierend auf Aluminiumoxid (Al2O3), umfassend ein zur Absorption von UV-Strahlung ausgebildetes Mittel, wobei das Mittel ein keramisches Material ist.

2. Keramischer Isolator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Absorption von UV-Strahlung ein zur Absorption von UV-Strahlung ausgebildetes keramisches Additiv und/oder eine keramische UV-Schutzschicht ist.

3. Keramischer Isolator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Additiv auf zumindest einem Teil der Oberfläche des Isolators (2) konzentriert ist und somit die UV-Schutzschicht (11) bildet.

4. Keramischer Isolator nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Additiv auf zumindest einem Teil der Oberfläche des Isolators (2) konzentriert ist und/oder das Additiv im Isolator, insbesondere gleichmäßig, verteilt ist, um die UV-Transparenz des Isolators (2) zu reduzieren.

5. Keramischer Isolator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel ein Metalloxid, insbesondere Titanoxid (TiO2) und/oder Zinkoxid (ZnO), umfasst.

6. Keramischer Isolator nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die UV-Schutzschicht (11) eine Schichtdicke von 1 μm bis 100 μm, insbesondere von 20 μm bis 80 μm, insbesondere von 40 μm bis 60 μm, aufweist.

7. Keramischer Isolator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Absorptionskoeffizient des zur Absorption von UV-Strahlung ausgebildeten Mittels mindestens um den Faktor 1000, insbesondere um den Faktor 106, größer ist als der Absorptionskoeffizient von Aluminiumoxid (Al2O3).

8. Zündkerze (1) für eine Verbrennungskraftmaschine, umfassend einen Isolator (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei, insbesondere im Bereich einer dielektrischen Schichtung von Elektrode/Luft/Isolator/Elektrode oder Elektrode/Luft/Isolator/Luft/Elektrode, die UV-Schutzschicht (11) am Luft/Isolator-Übergang ausgebildet ist.

9. Zündkerze nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in einem sich zum Brennraum öffnenden Spalt (13) zwischen dem Isolator (2) und einem Gehäuse (10) der Zündkerze (1) die UV-Schutzschicht (11) am Isolator (2) ausgebildet ist.

10. Verfahren zur Herstellung eines keramischen Isolators (2) basierend auf Aluminiumoxid (Al2O3), wobei eine UV-Schutzschicht (11) aus keramischem Material, insbesondere aus Titanoxid (TiO2), auf zumindest einem Teil der Oberfläche des Isolators (2) zusammen mit der Basis aus Aluminiumoxid (Al2O3) gesintert wird.

11. Verfahren zur Herstellung eines keramischen Isolators (2) basierend auf Aluminiumoxid (Al2O3), wobei zuerst die Basis aus Aluminiumoxid (Al2O3) gesintert wird und anschließend eine UV-Schutzschicht (11) aus keramischem Material, insbesondere aus Zinkoxid (ZnO), auf zumindest einem Teil der Oberfläche des Isolators (2) eingebrannt wird.

Description:
Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft einen keramischen Isolator, insbesondere basierend auf Aluminiumoxid, eine Zündkerze für eine Verbrennungskraftmaschine, umfassend den Isolator, und ein Verfahren zur Herstellung des Isolators.

Der Stand der Technik kennt Keramiken, basierend auf Aluminiumoxid mit sehr guten isolierenden Eigenschaften und hoher Spannungsfestigkeit. Für den Einsatz solcher Isolatoren, beispielsweise in einer Zündkerze, wird Aluminiumoxid (Al2O3) mit Sinterhilfsmitteln versehen. Diese Sinterhilfsmittel setzen sich beispielsweise aus den drei Komponenten Magnesiumoxid (MgO), Kalziumoxid (CaO) und Siliziumoxid (SiO2) zusammen. Das Sinterhilfsmittel bildet eine schmelzflüssige Phase bei relativ niedrigen Temperaturen und verbessert dadurch die Sintereigenschaften des Materials.

Offenbarung der Erfindung

Der erfindungsgemäße keramische Isolator mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 weist eine deutlich verbesserte elektrische Durchschlagsfestigkeit auf. Insbesondere bei Anwendung des erfindungsgemäßen Isolators in einer Zündkerze ist es möglich, dass die Zündkerze kleiner konstruiert wird, wobei die Zündspannung unverändert verbleibt oder angehoben werden kann. Solche kleinbauenden Zündkerzen mit erhöhter Zündspannung finden insbesondere in modernen Verbrennungsmaschinen Anwendung, da hier beispielsweise bei direkt einspritzenden Motoren die Zündkerze sehr nahe an der Einspritzdüse platziert werden muss. Im Rahmen der Erfindung wurde festgestellt, dass im geschichteten Dielektrikum, d. h., bei einer Anordnung Elektrode/Luft/Keramik/Elektrode oder Elektrode/Luft/Keramik/Luft/Elektrode (wie sie in einer Zündkerze vorliegt), bei einem elektrischen Durchschlag in der Regel eine Teilentladung und unter Umständen auch ein Gleitfunke entsteht. Der Gleitfunke emittiert u. a. Strahlung im ultravioletten Bereich. Aluminiumoxid ist transparent für ultraviolette Strahlung. Dies bedeutet, dass die Strahlung in den Isolator vordringen kann und in den vorhandenen Poren das Gas ionisiert. Die geladenen Teilchen werden im elektrischen Feld zwischen den zwei Elektroden beschleunigt und können beim Auftreffen auf die Porenwandung die Kristallstruktur in der Keramik schädigen und folglich den elektrischen Durchbruch initiieren. Es wird dabei allgemein beobachtet, dass die Durchschlagsfestigkeit im geschichteten Dilektrikum wesentlich geringer ausfällt als im Falle einer Direktkontaktierung. Deshalb wird erfindungsgemäß der keramische Isolator vor der ionisierenden UV-Strahlung geschützt. Dadurch wird das Potential der Durchschlagsfestigkeit besser ausgenutzt und im besten Fall auf das Niveau der Direktkontaktierung angehoben. All diese Vorteile werden erreicht durch einen keramischen Isolator, insbesondere basierend auf Aluminiumoxid (Al2O3), umfassend ein zur Absorption von UV-Strahlung ausgebildetes Mittel, wobei das Mittel ein keramisches Material ist. Das keramische Material hat, z. B. gegenüber metallischen Schichten, den entscheidenden Vorteil, dass das keramische Material viel beständiger ist. Dies ist insbesondere bei der Verwendung des Isolators an einer Zündkerze bei den extremen Bedingungen eines Brennraumes von Interesse.

Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.

Vorteilhafterweise ist das Mittel zur Absorption von UV-Strahlung ein zur Absorption von UV-Strahlung ausgebildetes keramisches Additiv und/oder eine keramische UV-Schutzschicht. Das keramische Additiv im Isolatorbasismaterial bzw. die keramische UV-Schutzschicht absorbiert die UV-Strahlung, welche insbesondere durch die Gleitfunken entsteht.

Ferner ist vorteilhafterweise eine leitende Schutzschicht auf dem Isolator vorgesehen. Dadurch ist es möglich, dass die Teilentladung, welche vor dem elektrischen Durchschlag entsteht, zerstreut wird.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Additiv auf zumindest einem Teil der Oberfläche des Isolators konzentriert ist und somit die UV-Schutzschicht bildet. Diese UV-Schutzschicht absorbiert die UV-Strahlung noch bevor sie in das Innere des Isolators eindringen kann. Dadurch wird verhindert, dass Gas in den Poren des Isolators ionisiert wird und geladene Teilchen im elektrischen Feld beschleunigt werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Additiv auf zumindest einem Teil der Oberfläche des Isolators konzentriert und/oder das Additiv im Isolator verteilt ist, um die UV-Transparenz des Isolators zu reduzieren. Bei der Herstellung des Isolators kann beispielsweise vor dem Sinterprozess das Basismaterial Aluminiumoxid mit dem Additiv in Pulverform vermischt werden. Nach einem Sinterprozess liegt dann das Additiv annähernd gleichmäßig verteilt im Isolator vor. Zusätzlich dazu oder alternativ wird das Additiv auf zumindest einem Teil der Oberfläche des Isolators konzentriert und bildet somit die oberflächliche UV-Schutzschicht.

Ferner von Vorteil ist es, dass das Mittel zur Absorption der UV-Strahlung ein Metalloxid umfasst. Bevorzugterweise kommt hier Titanoxid (TiO2) und/oder Zinkoxid (ZnO) zur Anwendung. Diese beiden Materialien absorbieren wirkungsvoll die UV-Strahlung und können durch geeignete Dotierungen leitende Eigenschaften aufweisen. Darüber hinaus sind beide Oxide sehr stabil bei Brennraumbedingungen. Somit ist mit Titanoxid oder Zinkoxid jede der beschriebenen Möglichkeiten zur Erhöhung der elektrischen Durchschlagsfestigkeit des Isolators möglich. Erstens kann vor dem Sinterprozess das Oxid im Aluminiumoxid verteilt werden. Zweitens kann das Oxid auf zumindest einem Teil der Oberfläche des Isolators konzentriert werden und somit die UV-Schutzschicht bilden. Drittens kann das Oxid dotiert werden und somit die leitende Schutzschicht auf zumindest einem Teil der Oberfläche des Isolators bilden.

Vorteilhafterweise weist die leitende Schutzschicht und/oder die UV-Schutzschicht eine Schichtdicke von 1 μm bis 100 μm, insbesondere von 20 μm bis 80 μm, insbesondere von 40 μm bis 60 μm auf.

Bevorzugt ist ein Absorptionskoeffizient des keramischen Mittels zur Absorption von UV-Strahlung mindestens um den Faktor 1000, insbesondere um den Faktor 106, größer als der Absorptionskoeffizient von Aluminiumoxid (Al2O3). Somit ist bevorzugt ein Absorptionskoeffizient des Additivs mindestens um den Faktor 1000, insbesondere um den Faktor 106, größer als der Absorptionskoeffizient von Aluminiumoxid (Al2O3). Ferner bevorzugt ist ein Absorptionskoeffizient des Materials der UV-Schutzschicht mindestens um den Faktor 1000, insbesondere um den Faktor 106, größer als der Absorptionskoeffizient von Aluminiumoxid (Al2O3). Vorteilhafterweise ist die UV-Schutzschicht so ausgebildet, dass mindestens 90%, insbesondere mindestens 99%, der UV-Strahlung absorbiert werden.

Die Erfindung umfasst des Weiteren eine Zündkerze für eine Verbrennungskraftmaschine, umfassend einen soeben beschriebenen Isolator. Dabei wird bevorzugt in einem Bereich einer dielektrischen Schichtung von Elektrode/Luft/Isolator/Elektrode oder Elektrode/Luft/Isolator/Luft/Elektrode die keramische UV-Schutzschicht am Luft/Isolator-Übergang ausgebildet. Dadurch ist es möglich, noch kleinere Zündkerzen zu konstruieren, wobei die Zündspannung unverändert bleiben kann oder sogar angehoben werden kann. Dies ermöglicht die Verkleinerung moderner Verbrennungskraftmaschinen und insbesondere die sehr nahe Anordnung der Zündkerze an beispielsweise einer Einspritzung.

In bevorzugter Ausbildung der Zündkerze ist vorgesehen, dass in einem sich zum Brennraum öffnenden Spalt zwischen dem Isolator und einem Gehäuse der Zündkerze, eine leitende Schutzschicht und die UV-Schutzschicht am Isolator ausgebildet sind. Vorteilhafterweise ist dabei die UV-Schutzschicht brennraumnäher als die leitende Schutzschicht ausgebildet. Beide Schutzschichten sind bevorzugt ringförmig über den kompletten Außenumfang des Isolators ausgebildet.

Des Weiteren umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Isolators, basierend auf Aluminiumoxid (Al2O3), wobei eine UV-Schutzschicht aus Keramik, insbesondere aus Titanoxid (TiO2), auf zumindest einem Teil der Oberfläche des Isolators zusammen mit der Basis aus Aluminiumoxid (Al2O3) gesintert wird. Aufgrund der vorteilhaften Eigenschaften von Titanoxid kann die Schutzschicht aus diesem Oxid direkt mit dem Seriensinterprozess des Aluminiumoxides eingebrannt werden. Dabei bildet sich an einer Grenzfläche zwischen der Schicht aus Titanoxid und dem Aluminiumoxid eine Reaktionszone aus. Die im Rahmen des erfindungsgemäßen keramischen Isolators beschriebenen Ausgestaltungen finden selbstverständlich auch im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung des Isolators mit Titanoxid vorteilhafte Anwendung. Bevorzugt wird zwischen 1480°C und 1680°C, insbesondere zwischen 1560°C und 1600°C, gesintert.

Ferner umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Isolators, basieren auf Aluminiumoxid (Al2O3), wobei zuerst die Basis aus Aluminiumoxid (Al2O3) gesintert wird und anschließend eine UV-Schutzschicht aus Zinkoxid (ZnO) auf zumindest einem Teil der Oberfläche des Isolators eingebrannt wird. Das Zinkoxid wird aufgrund seiner niedrigen Verdampfungstemperatur bevorzugt in einem zusätzlichen Brennvorgang mit einer Temperatur < 1300°C eingebrannt. Die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen keramischen Isolator beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen finden auch entsprechend vorteilhafte Anwendung auf das Verfahren zur Herstellung des keramischen Isolators mit Zinkoxid. Bevorzugt wird die Basis aus Aluminiumoxid (Al2O3) zwischen 1530°C und 1730°C, insbesondere zwischen 1610°C und 1650°C, gesintert, und das Zinkoxid (ZnO) wird mit kleiner 1300°C eingebrannt.

In bevorzugter Ausführung umfasst der Anteil des Titanoxides am Aluminiumoxid 0,01 bis 2 wt-%, insbesondere 0,01 bis 1 wt-%, insbesondere 0,4 bis 0,8 wt-%. Vorteilhafterweise umfasst der Anteil des Zinkoxides am Aluminiumoxid 0,01 bis 2 wt-%, insbesondere 0,01 bis 1 wt-%, insbesondere 0,01 bis 0,5 wt-%.

Gemäß einem weiteren alternativen Verfahren zur Herstellung wird Aluminiumoxid mit einem keramischen Additiv zur Absorption von UV-Strahlung vermischt und dann der keramische Isolator hergestellt. Dieses Gemisch aus Aluminiumoxid und keramischen Additiv kann auch als Basismaterial für die beiden oben beschriebenen Verfahren verwendet werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

1 eine erfindungsgemäße Zündkerze mit einem erfindungsgemäßen Isolator gemäß einem Ausführungsbeispiel, und

2 ein Detail der Zündkerze des Ausführungsbeispiels.

Ausführungsform der Erfindung

1 zeigt eine Zündkerze 1 gemäß Ausführungsbeispiel. Die Zündkerze 1 umfasst einen Isolator 2 mit darauf sitzendem Gehäuse 10. In dem Isolator 2 ist ein durchgehender Hohlraum 3 vorgesehen. In dem Hohlraum 3 sind der Reihe nach angeordnet ein Anschlussbolzen 4, ein erstes Kontaktpanat 5, ein Widerstandspanat 6, ein zweites Kontaktpanat 7 und eine Mittenelektrode 8. An dem Gehäuse 10 ist eine Massenelektrode 9 angeordnet.

An der brennraumnahen Seite der Zündkerze 1 öffnet sich zwischen dem Gehäuse 10 und dem Isolator 2 ein Spalt 13 in Richtung des Brennraums.

2 zeigt einen Ausschnitt der brennraumnahen Seite der Zündkerze 1 aus 1. Insbesondere ist dabei der Spalte 13 zwischen dem Isolator 2 und dem Gehäuse 10 zu sehen. In diesem Spalt befinden sich an der Außenseite des Isolators 2 eine keramische UV-Schutzschicht 11 und eine leitende Schutzschicht 12. Sowohl die UV-Schutzschicht 11 als auch die leitende Schutzschicht 12 sind ringförmig um den gesamten Umfang des Isolators 2 angebracht. Die UV-Schutzschicht 11 befindet sich brennraumnäher als die leitende Schutzschicht 12. Die bevorzugte Schichtdicke sowohl für die UV-Schutzschicht 11 als auch für die leitende Schutzschicht 12 liegt zwischen 1 μm und 100 μm.

Anhand dieses Ausführungsbeispiels wurde gezeigt, wo die keramische UV-Schutzschicht 11 und die leitende Schutzschicht 12 bevorzugt am Isolator 2 angebracht werden können, um vorteilhafte Eigenschaften auf die Durchschlagsfestigkeit zu erreichen. Selbstverständlich kann auch nur die keramische UV-Schutzschicht 11 ohne die leitende Schutzschicht 12 vorteilhaft verwendet werden. Insbesondere bei dem geschichteten Dielektrikum, wie es in dem Spalt 13 der Zündkerze 1 vorliegt, kommen die besonderen Eigenschaften der Schutzschichten 11 und 12 zur Geltung. Durch die elektrisch leitende Schutzschicht 12 wird etwaige Teilladung zerstreut. Durch die UV-Schutzschicht 11 wird UV-Strahlung absorbiert. Ferner sei angemerkt, dass alternativ oder zusätzlich ein keramisches Additiv zum Basismaterial des Isolators beigemischt werden kann.