DE10003048C1 - Passives hochtemperaturbeständiges Widerstandselement zur Temperaturerfassung in Personen- und Nutzkraftwagen - Google Patents

Passives hochtemperaturbeständiges Widerstandselement zur Temperaturerfassung in Personen- und Nutzkraftwagen

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Abstract

Es wird ein passives hochtemperaturbeständiges Widerstandselement zur Temperaturerfassung vorgeschlagen, wobei es eine im wesentlichen innenliegende Isolationsschicht (9; 10) und zwei außenliegende Leitschichten (8) aus einem keramischen Verbundgefüge aufweist, die Leitschichten an der Spitze (11) des Widerstandselements miteinander verbunden sind und das keramische Verbundgefüge Trisiliziumtetranitrid, ein Metallsilizid und Yttriumoxid oder Trisiliziumtetranitrid, ein Metallsilizid und eine Matrixphase aus Si¶x¶O¶y¶C¶z¶N¶w¶ umfaßt, wobei x 1-2, y 0-2, z 0-2 und w 0-2 bedeuten. Ferner wird ein Kombinationselement (3) aus diesem Widerstandselement und beispielsweise einer Glühstiftkerze vorgeschlagen.

Description

Die Erfindung betrifft ein passives hochtemperatur­ beständiges Widerstandselement zur Temperaturerfassung in Personen- und Nutzkraftwagen. Die Erfindung betrifft ferner ein Kombinationselement aus diesem Widerstands­ element mit einem Funktionselement zum Einsatz im Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine.
Stand der Technik
Die zur Temperaturerfassung im Anwendungsbereich bis 1400°C eingesetzten thermoresistiven Werkstoffe sind mechanisch instabil und daher in der Regel nicht als selbsttragende Temperaturfühlerelemente einsetzbar. Sie werden daher üblicherweise in Schutzrohren oder auf bzw. zwischen Substraten verbaut. Meist handelt es sich hierbei um Keramiksubstrate. Bekannte, abgastaugliche Temperaturfühler sind Thermoelemente, die in der Regel aus Edelmetalldrähten aus Pt/PtRh oder Ni/CrNi bestehen, deren Anschlussschenkel in keramischen Röhren gegenseitig isoliert sind und deren Kontaktstelle durch einen Metallmantel oder Keramikmantel oder in den Metallmantel einer Glühstiftkerze eingeschweißt, geschützt wird. Bekannt sind ferner Temperaturfühler, die als Dick- oder Dünnschichtelemente aufgebaut sind, bei denen die temperatursensitive Funktionsschicht auf oder zwischen den Substraten aufgedampft oder eingesintert ist. Dies bedingt eine gewisse Trägheit der Thermoelemente durch das jeweilige Trägermaterial.
Die Erfassung der Temperatur während der Verbrennungsabläufe im Brennraum von Verbrennungskraftmaschinen gestaltet sich ferner sehr schwierig. Für den Zugang zum Brennraum besteht vor allem bei modernen Vier-Ventil-Direkteinspritzmotoren häufig keine Möglichkeit, eine zusätzliche Bohrung für einen Temperatursensor vorzusehen.
Darüber hinaus stellen die zu erfassenden Temperaturen bzw. Temperaturintervalle von -40 bis 1400°C in Verbindung mit einer aggressiven Atmosphäre in Form von Heißgas höchste An­ forderungen an entsprechende Temperaturfühler.
Aus DE 197 22 321 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus einem keramischen Verbundgefüge bekannt, wo­ bei das Verbundgefüge Trisiliziumtetranitrid, ein Metallsi­ lizid und Yttriumoxid enthält. Weiter ist daraus bekannt, durch die Zusammensetzung des keramischen Verbundgefüges den elektrischen Widerstand des erhaltenen Formkörpers einzu­ stellen.
In US 4,398,169 ist ein Widerstandselement zur Temperaturer­ fassung beschrieben, das eine Isolationsschicht aufweist, die zwei Schichten bzw. halbkreisringförmige Prismen vonein­ ander trennt, die aus einem Füllstoff und einem jeweils dar­ in geführten, spulenartigen Heizleiter bestehen. Der Kontakt der beiden Schichten bzw. Prismen wird weiter dort lediglich durch den Heizleiter vermittelt, der um ein Ende des Wider­ standselements herumgeführt ist.
Aufgabe der Erfindung
Die Aufgabe vorliegender Erfindung bestand darin, einen bis zu sehr hohen Temperaturen von 1400°C thermisch beständigen, mechanisch stabilen, selbsttragenden Widerstandsaufnehmer bereitzustellen, der die Erfassung der Abgastemperatur im Abgasstrang oder die Erfassung der Brennraumtemperatur von PKW- und NKW-Motoren im Anwendungsbereich von -40 bis 1400°C ermöglicht. Im letztgenannten Fall sollte die Temperaturer­ fassung über eine der vorhandenen Öffnungen des Brennraumes realisiert werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein passives hochtem­ peraturbeständiges Widerstandselement zur Temperaturerfas­ sung gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es eine im Wesentlichen innenliegende Isolationsschicht und zwei außen­ liegende Leitschichten aus einem ersten keramischen Verbund­ gefüge aufweist, wobei die Leitschichten an der Spitze des Widerstandselements in unmittelbarem Kontakt miteinander stehen, und dass das erste keramische Verbundgefüge Trisili­ ziumtetranitrid, ein Metallsilizid und Yttriumoxid oder Tri­ siliziumtetranitrid, ein Metallsilizid und eine Matrixphase aus SixOyCzNw umfaßt, wobei x 1 bis 2, y 0 bis 2, z 0 bis 2 und w 0 bis 2 bedeuten.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist auch die innenliegende Isolationsschicht ein zweites kerami­ sches Verbundgefüge auf.
Da sich hierbei vorzugsweise die Zusammensetzungen der iso­ lierenden und der leitfähigen Komponente nur gering unter­ scheiden, ist in vorteilhafter Weise ein Co-Sintern bzw. ei­ ne Copyrolyse der Kompositmaterialien möglich. Hinsichtlich der Sinterung wird auf die EP 0 412 428 A1 und die DE 195 38 695 A1 verwiesen.
In einer vereinfachten Variante kann anstelle der innenlie­ genden Isolationsschicht aus Kompositmaterial ein Luftspalt zur Isolation verbleiben.
Das erste keramische Verbundgefüge des erfindungsgemäßen Wi­ derstandselements umfasst vorzugsweise 30 bis 70 Ma.-% Si3N4, 25 bis 65 Ma.-% MSi2, wobei M Mo, Nb, W oder Ti ist, 0 bis 5 Ma.-% Al2O3 und 2 bis 9 Ma.-% Y2O3.
Es ist ebenfalls möglich, dass die Matrixphase aus SixOyCzNw in dem ersten keramischen Verbundgefüge das Pyrolyseprodukt einer oder mehrerer siliziumorganischer Verbindungen ist. Geeignete Verbindungen sind Polysiloxan und Polysilazan.
Die Kompositmaterialien auf Basis Trisiliziumtetranitrid mit Füllstoffen eines Metallsilizids MSi2 sind thermisch sowie mechanisch beständig und weisen durch die Zumischung eines bestimmten Anteils der entsprechenden Füllstoffkompontente einen je nach zugemischtem Anteil einstellbaren elektrischen Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten auf. Wie in der EP 0 412 428 A1 und der DE 195 38 695 A1 ausgeführt, ge­ statten es diese Eigenschaftskombinationen, daraus bei­ spielsweise schnell aufheizende Glühstifte herzustellen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Spitze des Widerstandselements verjüngt. Durch die Verjün­ gung des leitfähigen Bereichs an der Spitze kann der Wider­ stand des Sensors eingestellt werden. Die Länge des verjüng­ ten Bereichs bestimmt auch den Ort der Temperaturmessung. Der elektrische Widerstand des leitfähigen Kompositmaterials in der Spitze kann durch eine veränderte Abmischung gegenüber dem Material in den Zuleitungen, worunter der Hauptkörper des Widerstands­ elements zu verstehen ist, um mehrere Größenordnungen verändert werden, ohne dass dadurch die thermo- /mechanischen Eigenschaften nennenswert negativ beein­ flusst werden. Dies ist insbesondere im Falle einer freitragenden Ausführung von großer Bedeutung.
Die hohe mechanische Festigkeit des Kompositwerkstoffes ermöglicht es, ein selbsttragendes Widerstandselement auszuformen, das freitragend oder in Analogie zur keramischen Glühstiftkerze in einem geeigneten Gehäuse verbaut, direkt in den Abgasstrang eines Personen­ kraftwagens oder Nutzkraftwagens eingebaut werden kann. Die trägerlose Einbringung des thermosensitiven Materials direkt und gegebenenfalls ohne Schutzkappe in die zu messende Zone gewährleistet eine schnelle Widerstands­ änderung am Sensor und somit in vorteilhafter Weise eine weitestgehend trägheitslose Temperaturerfassung.
Aufgrund der guten Oxidationsstabilität sowohl des Matrixmaterials als auch der verwendeten Einlagerungs­ verbindungen, sind die Materialien bis zu 1400°C sowohl in oxidierender als auch in reduzierender Atmosphäre stabil.
Da die Materialien einen nahezu linearen Anstieg des elektrischen Widerstandes mit der zunehmenden Temperatur im Bereich von -40 bis 1400°C aufweisen, ist eine Temperaturmessung im gesamten Bereich realisierbar.
Als Applikationsbeispiel für das erfindungsgemäße hoch­ temperaturbeständige Widerstandselement zur Temperaturer­ fassung im Abgasstrang von Personen- und Nutzkraftwagen sei die Abgastemperaturerfassung zwischen Start­ katalysator und Hauptkonverter bei Magerkonzeptmotoren, wie beispielsweise Benzindirekteinspritzmotoren, genannt. Die hohe mechanische Festigkeit der Kompositkeramik, die eine selbsttragende Konstruktion mit äußerst geringem Platzbedarf ermöglicht, läßt eine besonders flexible Plazierung des Temperaturfühlers an geeigneter Stelle im Abgas in vorteilhafterweise zu. Neben Vor- und Nach- Katpositionen ist auch eine Montage direkt innerhalb des Katalysators für besondere Detektionszwecke möglich.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das erfindungsgemäße Widerstandselement mit einem in den Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine hineinragenden Funktionselement kombiniert. Dieses Funktionselement kann eine Starthilfe, eine Einspritzdüse oder ein Ventil sein. Die Starthilfe kann eine Glühstiftkerze sein.
Auf diese Weise ist es nunmehr möglich, die Temperaturerfassung über eine der vorhandenen Öffnungen des Brennraumes eines PKW- oder NKW-Motors zu realisieren.
Ein aus den oben genannten Materialien aufgebautes, mit einem Funktionselement kombiniertes Widerstandselement wirkt beispielsweise einerseits spannungsbeaufschlagt als schnellaufheizende Glühstiftkerze, andererseits kann der sich in Abhängigkeit von der Temperatur ändernde elektrische Widerstand als Messsignal sowohl während der aktiven Bestromung, also während der Aufheiz- bzw. Glühphase, als auch in passiven, d. h. stromlosen Ruhephasen, zur Temperaturerfassung ausgewertet werden. Die hohe mechanische Festigkeit des Kompositwerkstoffs ermöglicht es, ein selbsttragendes Kombinationselement auszuformen, das, freitragend in einem geeigneten Gehäuse verbaut, anstelle einer herkömmlichen Glühstiftkerze direkt in den Brennraum von Personenkraftwagen- und Nutzkraftwagenmotoren eingebaut werden kann. Die Einbringung des thermosensitiven Materials direkt und ohne Schutzkappe in die zu messende Zone gewährleistet dabei in vorteilhafter Weise eine schnelle Widerstands­ änderung am Sensor und somit eine weitestgehend trägheitslose Temperaturerfassung. Die Sensitivität des Sensorelements kann durch das Verhältnis von Zuleitungs­ widerstand und Sensorspitzenwiderstand eingestellt werden.
Als Applikationsbeispiel für das neuartige Kombinations­ element sei die Brennraumtemperaturerfassung bei Diesel­ einspritzmotoren genannt. Der besondere Vorteil liegt darin, dass durch die Integration der Funktion Temperatursensor und Glühen kein zusätzlicher Platzbedarf benötigt wird. Die Brennraumtemperatur kann als Maß für den Verbrennungsvorgang herangezogen werden.
Zeichnung
Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung im Schnitt das passive hochtemperaturbeständige Widerstandselement zur Temperaturerfassung im Abgasstrang eines Personen- oder Nutzkraftwagens.
Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung im Schnitt das passive hochtemperaturbeständige Kombinationselement im Brennraum eines PKW- oder NKW-Motors.
Die Fig. 3 und 4 zeigen das passive hochtemperaturbeständige Widerstandselement gemäß der Erfindung in jeweils unterschiedlichen Ausführungsformen.
In Fig. 1 ragt ein selbsttragender PTC-Temperaturfühler 4 aus Kompositkeramik in einen Abgasstrang 6 inklusive Katalysator. Die Richtung der Abgasströmung 7 ist durch einen Pfeil gekennzeichnet. An dem verdickten Ende wird der Temperaturfühler 4 durch ein Gehäuse 2 mit Einschraubgewinde gefasst. Hier erfolgt die Kontaktierung zum Steuergerät bzw. zur Mess- und Auswerteelektronik. Der am Aufnehmer erfasste temperaturabhängige Widerstand kann mit einem Widerstandsmessgerät bzw. einem Stecker mit Ausgleichselektronik 1, der Charakteristik eines Standard-Pt-100 oder Pt-200-Elements angeglichen werden.
In Fig. 2 ragt in den Brennraum 5 des Motors das Kombinationselement 3 aus Glühstift und Temperaturfühler. In den Fig. 3 und 4 weist das leitfähige Kompositmaterial in Form einer außenliegenden Leitschicht 8 einen PTC- Widerstand R1 auf. In der Fig. 3 weist das isolierende Kom­ positmaterial in Form einer innenliegenden Isolationsschicht 9 einen elektrischen Widerstand R2 auf, wobei R2 ≧ 108 . R1 ist. Dieses isolierende Kompositmaterial kann auch durch ei­ nen Luftspalt 10 mit dem elektrischen Widerstand R2 (Fig. 4) ersetzt sein.
Das leitfähige Kompositmaterial mit einem PTC-Widerstand R3, wobei R3 ≧ 102 . R1 ist, bildet die Spitze 11 des Widerstandselements. Durch die Verjüngung des leit­ fähigen Bereichs an der Spitze 11 kann der elektrische Wi­ derstand des Kombinationselements eingestellt werden. Die Länge des verjüngten Bereichs bestimmt sowohl die Lage der heißen Zone während der Bestromung, bei der Funktion als Glühstift, als auch den Ort der Temperaturmessung bei der Funktion als Temperaturfühler.

Claims (12)

1. Passives, hochtemperaturbeständiges Widerstandselement zur Temperaturerfassung, dadurch gekennzeichnet, dass es eine im Wesentlichen innenliegende Isolationsschicht (9, 10) und zwei außenliegende Leitschichten (8) aus einem ersten keramischen Verbundgefüge aufweist, wobei die Leitschichten (8) an der Spitze (11) des Widerstandsele­ ments in unmittelbarem Kontakt miteinander stehen, und dass das erste keramische Verbundgefüge Trisiliziumtetra­ nitrid, ein Metallsilizid und Yttriumoxid oder Trisilizi­ umtetranitrid, ein Metallsilizid und eine Matrixphase aus SixOyCzNw umfasst, wobei x 1 bis 2, y 0 bis 2, z 0 bis 2 und w 0 bis 2 bedeuten.
2. Widerstandselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, dass auch die innenliegende Isolationsschicht (9) ein zweites keramisches Verbundgefüge aufweist.
3. Widerstandselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, dass das erste keramische Verbundgefüge 30 bis 70 Ma.-% Si3N4, 25 bis 65 Ma.-% MSi2, wobei M Mo, Nb, W oder Ti ist, 0 bis 5 Ma.-% Al2O3 und 2 bis 9 Ma.-% Y2O3 umfasst.
4. Widerstandselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Matrixphase aus SixOyCzNw in dem ersten keramischen Verbundgefüge das Pyrolyseprodukt ei­ ner oder mehrerer siliziumorganischer Verbindungen ist.
5. Widerstandselement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, dass die siliziumorganische Verbindung ein Polysi­ loxan oder ein Polysilazan ist.
6. Widerstandselement nach einem der Ansprüche 1, 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die innenliegende Isolati­ onsschicht (10) ein Luftspalt ist.
7. Widerstandselement nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, dass seine Spitze (11) ver­ jüngt ist.
8. Widerstandselement nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, dass es in einem Gehäuse verbaut ist.
9. Widerstandselement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, dass es mit einem in den Brennraum (5) einer Verbrennungskraftmaschine hineinragenden Funk­ tionselement kombiniert ist.
10. Widerstandselement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, dass das Funktionselement eine Starthilfe, eine Ein­ spritzdüse oder ein Ventil ist.
11. Widerstandselement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, dass die Starthilfe eine Glühstiftkerze ist.
12. Verwendung des Widerstandselements nach einem der Ansprü­ che 1 bis 8 im Abgasstrang (6) eines Personen- oder Nutz­ kraftwagens.
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